柴油机故障诊断测试系统设计

Design of Fault Diagnosis and Test System of Diesel Engine

Jing Daihe

（四川信息职业技术学院，广元 628017）

（Sichuan College of Information Technology，Guangyuan 628017，China）

摘要： 柴油机作为机车、船舶等常用机械的动力设备，其动力性和可靠性直接影响整个系统的安全运行。本文对柴油机进行了动力学分析，指出了引起缸盖、机体振动的动力来源和振动的产生机理及影响振动的因素，同时设计出合理的测试诊断系统。

Abstract: As the power equipment, diesel engines are widely used in automobiles, ships, and so on. The safety of operation system depends on the reliability and dynamic characteristics of diesel engine. Force analysis of the diesel engine is first presented. The source of the vibration from the head and the side of the engine is pointed out. The complication of the vibration are indicated afterwards. According to the research, a sound test system is designed.

关键词： 柴油机 振动分析 诊断系统

Key words: diesel engines；Vibration Analysis；test system

中图分类号：TH113文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）32-0044-02

0引言

柴油机作为机车、船舶等常用机械的动力设备，它的运行安全是生产安全的重要组成部分，随着科技的不断发展，柴油机的检测技术也日益发达，相应诊断的准确性得到了提高，诊断技术进入了智能化的阶段，我们现在已经可以利用时频分析等信号分析与处理方法来处理柴油机表面振动信号[6]。最出名的是声振诊断法，它如今已成为大多数柴油机诊断系统的技术基础，为柴油机故障诊断专家系统提供必需的技术参数[4]。许多先进国家已逐步将声振诊断技术应用到船舶柴油机上。我国在近30年来在对往复式内燃机故障诊断方面也取得了一些突破性进展，实现了在不解体的条件下诊断一些常见的柴油机故障[8][9]。目前，国外用声振诊断技术来研究柴油机的故障已取得了一些成果[5]。其应用范围也会必然越来越广泛[3]。本文就是针对柴油机振动动力学进行研究和分析，并在此基础上进行故障诊断测试系统设计的。

1柴油机受力分析及其与振动间的关系

以正置单列式柴油机为例来研究某一缸，其机构运动简图如图1所示。

活塞距离上止点的位移可表示为

x=A′A=A′O-AO=R+L-（AC+CO）

=R+L-Lcos?茁-Rcos?兹

=R（1-cos?兹）+L（1-■）

则有：

v=■=R?棕■（1）

a=■=R?棕2■+?姿■（2）

其中：?姿=■。对于一个固定的机构来说，?姿是固定不变的，表示曲柄半径与连杆长度之比。?棕表示曲柄回转的角速度，可近似认为恒定不变。

1.1 缸内气体压力可表示为：

p=■pg?仔D2（3）

式中：pg――缸内气体表压值（Pa），D――气缸直径（m）。

燃气压力本来在机体内平衡不外传，是柴油机的内动力，但由于其自身的剧烈变化运动也会产生倾覆力矩，因而会导致柴油机产生振动。在柴油机燃气缸内部，曲轴每转两周产生一个燃气压力高峰，因此，曲轴回转频率约是燃气压力频率的一倍之多。

1.2 活塞连杆运动时产生的往复惯性力可近似表示为：

Fj=mja=mjR?棕2（cos?兹+?姿cos2?兹）=mjR?棕2cos?兹+?姿mjR?棕2cos2?兹=FjI+FjII（4）

式中，一级惯性力：FjI=mjR?棕2cos?兹，二级惯性力：FjII=?姿mjR?棕2cos2?兹。这里，mj――各气缸往复部分的质量；R――曲柄半径；?棕――曲轴回转角速度，?棕=?兹/t；

由往复惯性力的表达式可知，一级惯性力的变化频率是曲轴回转频率，二级惯性力的频率为二倍回转频率。文献[10]表明，对于四缸柴油机，若各缸往复运动部件质量mj相等，则由点火顺序知，四个缸的一级惯性力相互抵消，而二级惯性力则相互迭加，因而整机二级惯性力为单缸的四倍，力幅为4?姿mjR?棕2。对于整机而言，往复惯性力不产生作用力矩，但也会引起强烈振动。

1.3 离心惯性力：

设旋转部件不平横旋转质量为mr，该质量是曲柄平衡质量mk与连杆大端代替质量mCB的和则引起的离心惯性力Pr为：

Fr=mrR?棕2cos?棕t（5）

可见，其频率也是曲轴回转频率。若柴油机曲轴、飞轮等旋转部件均动平衡，则该机总体上不受离心惯性力作用，也不会引起不平衡力矩。

图2是在一四缸柴油机第一缸缸盖上所测得的振动时域波形图，转速为1500rpm、空载。通过分析可得到如下结论：

①通过振动波形可以判别故障类别。比较各图可以发现，当柴油机处于不同状态时，其振幅会发生一定的改变。

②在该图中，每个柴油机工作周期对应存在四个较大幅值的振动，幅值最大的是由第1缸的爆燃所引起。

2柴油机振动的影响因素

运行中的柴油机是一个复杂多变的动态系统，柴油机表面振动信号不仅受内部故障部件的影响，还与柴油机机型、运行工况、安装条件、冷却和状态等因素有关。

3柴油机振动信号的测量方法

对于简谐振动的位移、速度、加速度三者之间存在着以下的关系：

振动位移x=Asin（2?仔ft+?渍）（6）

振动速度v=2?仔fAcos（2?仔ft+?渍）（7）

振动加速度 a=-（2?仔f）2Asin（2?仔ft+?渍）（8）

其中， f－振动频率，?渍－是初相位。

由以上数据可以得知，对于振动来说，它的频率大小直接取决于柴油机的速度值，振动加速度对高频较为敏感，速度值与频率的一次方成正比，而加速度值与频率的二次方成正比，故加速度值显得更为重要。由于在柴油机测试中振动信号的测试比较方便，再加上柴油机的振动又是多激励源的冲击振动，故应选择用振动加速度信号作为信号源。

3.1 测试系统的组成测试系统如图3所示。柴油机动态信号测试系统包括信号的检测和转换、显示与记录、信号的调理和处理等等，为了保证测量结果的准确性，要尽可能地减小或消除各种干扰，使各环节的输出量与输入量之间保持平衡关系。测量的信号为缸盖的振动加速度信号，从飞轮上测量角位移信号与上止点信号。

3.2 选择测点位置实际测试中采用“最近”原则，把最接近故障点的部位作为测点，而且要清除测点表面的污垢、漆皮的影响，测点位置应选在缸盖上，同时测上止点及角位移信号，可按图4所示进行测点布置。

如图5所示为一直列式四缸柴油机进行现场测量的系统及仪器安装图。

3.3 测量仪器及测量参数选择测试方法：接触法测量，即将加速度传感器吸附在柴油机缸盖及缸壁上进行测量。

采样频率：在信号采集过程中，采样间隔?驻t和数据长度N的合理选择至关重要，影响到采集的信号能否真实反映动态信号的全貌。?驻t选的过大，会引起低频率混叠，而且会漏掉一些感兴趣的高频分量。?驻t选的过小，当采样的数据长度一定时就会影响总的采样时间。?驻t的选取还需考虑A/D转换装置的采样速度。由于柴油机飞轮齿数为z齿，当柴油机以额定转速n工作时，其脉冲频率计算为f=nz/60。

4小结

本文详细介绍了直列式四缸柴油机的活塞受力原理，对柴油机进行了动力学分析，指出了引起缸盖、机体振动的动力来源和振动的产生机理及影响振动的因素，根据四缸柴油机的振动特点设计出合理的测试诊断系统。以满足各种采样时的需求。

同时确定了采样参数，为进行柴油机故障诊断研究做好了准备。

参考文献：

[1]仰德标，明廷锋.柴油机故障诊断研究综述[J].武汉造船，2000，131，（2）：26-29.

[2]廖明，张文明，石博强.柴油机故障诊断的现状与展望[J].冶金设备，1998，112，（6）：15-18.

[3]刘守道，张来斌，王朝晖.柴油机故障诊断的现代方法及展望[J].石油矿场机械，2000，29，（1）：32-35.

[4]王江萍，屈梁生，沈玉娣.柴油机故障诊断技术的现状与展望[J].机械科学与技术，1997，16，（5）：878-882.

[5]Grossmann, J.Morlet.Decomposition of Hardy functions into square integrable wavelets of constant shape[J]. SIAM J. Math.Anal，1984，15，（15）：723-736.

[6]Mallat，S..A Wavelet Tour of Signal Processing[M].Academic Press，San Diego， 1998：43-47.

[7]杨叔子，郑晓军.人工智能与诊断专家系统[M].西安：西安交通大学出版社，1990.

[8]王智全，周玉丰.柴油机振动分析研究[J].现代机械，2010，（3）：56-58.

[9]周玉丰.柴油机故障诊断试验研究[J].中国测试，2011，37，（1）：5-9.

[10]左言言，姚冠新.柴油机振动的分析研究[J].振动与冲击，1994，51，（3）：34-38.

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作者简介：敬代和（1963-），男，四川射洪人，副教授，高级工程师、硕士，长期从事汽车技术和液压与气动方面的应用研究和教学工作。