资源描述：
继 关键词故障诊断；双谱 ；瞬时转速；气阀 中图分类号 T K 4 2 T P 2 7 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 9 4 9 2 2 0 1 2 0 2 0 O 6 8 0 4 Ex h a u s t Va l v e Le a k i ng F a u l t Di a g n o s i s o f Di e s e l En g i n e Ba s e d o n Tr a n s i e n t S p e e d a n d Bi s p e c t r u m Z HE NG C h u n b i n g N a v a l Mi l i t a r y R e p r e s e n t a t i v e D e p a r t me n t o f Q i n g d a o S h i p y a r d ， Q i n g d a o 2 6 6 0 0 1 ， C h i n a Abs t r a c t I n t h i s p a p e r ，t h e c ha r a c t e r i s t i c s o f b i s p e e t r u m a n d t r a n s i e n t s p e e d s i g n a l we r e a n aly z e d． Tr a n s i e n t s p e e d i s me a s u r e d a t 6 -1 3 5 d i e s e l e n g i n e i n t hr e e o p e r a t i n g s t a t u s t h o s e a r e s t a t u s o f n o r ma l ， s l i g h t f a u l t a n d s e v e r e f a u l t ． T h e r e s p e c t i v e bi s p e e t r u m o f s p e e d s i g na l a t d i ffe r e n t s t a t u e we r e c alc u l a t e d ． T he a mp l i t u d e fi g u r e s s h o we d r e ma r k a b l e d i f f e r e n c e， a n d t he b i s p e e t r u m d i a g o n al s l i c e e a r l b e u s e d t o fin d f a u l t e a s i l y a n d e f f e c t i v e l y ． Th e r e s u l t s s h o we d t h a t b i s p e e t u r m i s a n e f f e c t i v e me t h o d f o r f a u l t d i a g n o s i s b ase d o n t r a ns i e n t s p e e d， a n d t h i s c a n o f f e r a n e w wa y i n f a u l t d i a g n o s i s o f i n t e r n a l c o mb u s t i o n e n g i n e ． Ke y wo r ds f a u l t d i a g n o s i s ； b i s p e c t r u m； t r a n s i e n t r o t a t e s p e e d ； e x h a u s t v a l u e 1 引言 柴油机结构复杂 、运动部件繁多且相互关 联 ，对其进行实用化的有效监测和故障诊断难度 较大，有许多问题有待探索。作为燃烧室一部分 的气 阀，工作条件恶劣 ，气 阀头部底部直接 与气 缸内高温气体接触，排气阀还受到高温燃气的高 速冲刷作用。气阀机构是柴油机最容易发生故障 的部件之一，其故障率占整机故障 1 5 ％，因此对 气阀机构进行检测与故障诊断意义十分重大 。 目前 柴油机监测 与诊断方法较多 ，如油液分 析法 和振动分 析法 ，但 由于气 阀不 是润 滑 的对 象 ，所以其故 障信息并不能表现在油液 中，所 以 油液分析法在这里是不适用的。振动诊断法具有 诊断速度快、准确率高和能够实现在线诊断的特 点 ，正在被广泛使用，但是振动信号随机性大 ， 并且对振动测量位置敏感，实际应用中仍存在较 多 问题 。 而瞬时转速信号蕴含着大量柴油机故障信 息，而且信号测取方便 、费用低廉 ，对于影响缸 内压力 的故障非常敏感 ，而气阀泄漏会造成明显 的缸内压力变化 ，所以应用瞬时转速信号来诊断 气阀泄漏故障比较合适。但是由于瞬时转速信号 中的故障信息比较微弱，干扰信号众多，造成故 障特征提取困难。由于瞬时转速信号属于非平稳 信号，若使用非平稳信号的处理方法对其进行分 析 ，进而提 取故 障特征量 可能会 得到更 好 的效 果。基于这一点，本文将高阶谱理论应用于内燃 机瞬时转速信号的处理 ，希望为基于瞬时转速的 内燃机气阀故障诊断技术提供了一条新的思路。 2 双谱分析及瞬时转速信号的特点 高阶谱是分析非平稳、非高斯信号的有力工 具，对高斯噪声在理论上有完全的抑制能力，并 收稿 日期 2 0 1 1 0 83 1 圈曩函 雪 研究与 且包含信号的相位信息，可用于解决传统谱分析 方法 所不能解决 的问题[ 2 】 。2 0 世 纪 9 0 年代起 ，人 们掀起 了高 阶谱理论 和应用的研究 高潮 ，其 中对 双谱 的研究最深入 ，应用最广泛 。本文将应用瞬 时转速信号的双谱故障提取特征s 双谱是信号的三阶相关函数的二维傅里叶变 换，设 n 为零均值序列，其三阶相关函数为 R ti t ，m E I n m m } 。 此处 ，m ，m 均为时移点数。 其二维傅里叶变换即其双谱为 B ∞ ，o 9 ∑∑R m ，m e 叫 ’ 。 m I m2 对于有限长确定性序列 凡 ，其双谱可表示 为 B O J ， ∞ 日 。 H ∞ 。 H tO 。 其中，H ∞ ∑ e 。 所 以 ，双 谱可 表示 成三 个傅 里 叶分量 的乘 积，其中一个的频率等于其它两个之和。由此可 推出 l 。， I 1 日 。 【1 lI tO l； ∞ 。， 一 ∞ 。 ∞ 。 所以，双谱可用于检测信号中的高阶谐波成 分，提取信号的非线性耦合特征 ，这一点对瞬时 转速信号的处理是非常关键的。 四冲程多缸内燃机当其转速为 r ／ ra i n 时， 其每个工作循环所需时间为 秒，即基本 工作频率为 f o 1 ；则内燃机发火频率 为 ， ，m为缸套数 目。当各缸功率比较均 衡时，瞬时转速信号主要由发火频率 及其二倍 频 频率成分组成 ，其三倍频以上成分 已极度衰 减 ，可忽 略不计 ；当各缸功率不均衡 时 ，除含有 上述成分外 ，信号中还包括工作基频 厂 0 及其高倍 频谐波成分 ，一般来说 ，其二、三倍频成分比较 明显 ，四倍频及以上成分可忽略不计。所以瞬时 转速信号中含有大量的高阶谐波成分 ，存在着频 率和相位的二次非线性耦合，使用高阶谱理论进 行分析是十分合适 的。 3故障模拟实验 本文采用模拟故障的方法来研究瞬时转速和 发动机气阀泄漏故障间的对应关系。分为以下几 种状态进行模 拟 正常状态 、气阀轻微泄漏状态 和气阀较严重泄漏状态。模拟方法如下。 1 正常状态 作为故障的对比状态 ，首先要测量正常状态 的参数。对实验柴油机进行油量均衡试验、喷油 压力测试、气阀间隙测试、气阀一 缸套间隙测量等 调整 ，从而保证机器处于 良好状态 ，进行正常状 态下的试验。 2 气阀轻微泄漏状态 调小5 缸排气阀间隙模拟气阀泄漏，正常状 态间隙应为0 ．3 5 ra m，将其调为负值使气阀在机器 运行过程中始终打开。模拟方法为在 间隙为零之 后再拧调节螺钉 1 ／ 8 圈进行试验。 3 气阀较严重泄漏状态 调小 5 缸排气 阀间隙模拟气阀泄漏 ，正常状 态 间隙应为 0 ． 3 5 mm，将其调为负值 ，使气阀在机 曲轴转靠／ 。 C A a 正常状态 曲轴转角 ／ 。 C A b 气阀轻微泄漏状态 曲轴转煮／ 。 C A C 气阀较严重泄漏状态 图1 三种状态下的瞬时转速一个工作循环内波动曲线 1 0 0 0 r ／ m i n ，4 0 k W 与开发 ● I I I 上 a 正 常状态 r ● 1 ． I l ● ■ l ● ● l ‘ ● I ●‘ 。’ ⋯。 ‘ 一 一⋯一⋯- ● ● ● ● I ■ ● l ● ● I I ● | r ● - r } ● ● ● I I ● ● ● ● l ● ● I ● ● ／Hz ／Hz b 气阀轻微泄漏状态 c 气阀较严重泄漏状态 图2 三种状态下的瞬时转速双谱幅值谱 器运行过程中始终打开。模拟方法为在间隙为零 之后再拧调节螺钉 1 ／ 4圈进行试验。 经过实验测量 ，得到了不同工况 、不同状态 下的瞬时转 速数据 ，在 1 0 0 0 r ／ m i n 、输 出功率 4 0 k W工况下 ，得到的正常状态 、气 阀轻微泄漏状 态和气 阀较严重泄漏状态下的零均值处理后波形 曲线分别如 图 1 a 、 b 、 c 所示 。每条 曲线 代表一个完整柴油机工作循环时间内的瞬时转 速变化情况，横坐标为曲轴转角，因为6 1 3 5 柴 油机是四冲程机 ，故其一个工作循环的转角为 7 2 0。 C A，曲线 的起点为第一缸做功上止点 。从 图 1 中可看 出，每条 曲线都有六个大 的波峰 ，这 是分别由六个气缸轮流发火做功造成的。 4 瞬时转速信号的双谱分析 对三种状态下的瞬时转速信号分别进行双谱 计算 ，其幅值谱计算结果如图2 a 、 b 、 C 所示 ，各 图均 以等高线形式表示 。可 以看 出，三 图有着很大 的不同 ，由于双谱特殊 的对称性 ，只 需观察 。 ≥ ≥0部分区域 即可。图2 a 为正 常状态幅值谱 ，这一区域内仅有 5 o ，5 0 处取 非零值 ，这是因为转速为 1 0 0 0 r ／ m i n 时，发火 频率 f l 5 0 H z，正常状态时瞬时转速信号主要由 、 两个频率成分组成 ，根据前式可知 ，此时 仅 有I B I I I1 日 l】日 J 取 非 零 值， 这 与理论分 析是一致 的。图 b 为单缸减 油状态 幅值 谱 ，这 里 在 5 0 ， 5 0 、 2 5 ，2 5 和 8 ． 3 3 ，8 ． 3 3 处均为非零值 ，这是因为此时瞬时 转速信号中出现了工作基频 f o 8 ． 3 3 H z 及其高倍 频谐 波成 分 ，主要成 分增 加到 5 个 、 、 、 和 3 f o；理 论 上1 6 ． 6 7， 8 ． 3 3 处 也 应 有非零值出现， 但由于 f J n 2i o n S o n 3 S o f ， 而 、 和 三个分量均比较微弱， 所以l l 非常微 弱 ，在图中没有表现出来 。图 2 c 为单缸断油 状态幅值谱，此时 厂 0 、 和 三个频率成分大 大增加，在图中 、 ， 等多处出现非 零值， 而且I I 成为了主要分量。 由于双谱是一个二维量 ，对其直接进行分析 处理 比较复杂 ，于是本文使用一维切片进行故障 特 征提 取工 作 。在此 取 对 角 切片 ，图 2 a 、 b 、 C 中的双谱的对角切片如图 3 a 、 b 、 C 所示，横坐标为t O ，图3 中曲线实际是 对角切片在 上的投影。三种状态的对角切片投 影 图表 现 出 了 明显 的不 同 正 常 状 态 时 仅 有 5 0 H z 分量和极其微弱的 1 0 0 Hz 分量 ；单缸减油时 明显增加 了 8 ． 3 3 Hz 和 2 5 H z 两个 成分 ；单缸 断油 时 8 ． 3 3 Hz 分 量 成 为 主 要 成 分 ，并 且 多 出 了 1 6 ． 6 7 H z 和 2 5 H z 分量 ；三状态 中5 0 H z 分量基本保 持不变，低频成分出现巨大差异 ，进行特征提取 非 常容易 。 5结论 通过实验及计算工作，本文从瞬时转速信号 双谱中提取了柴油机气阀泄漏故障特征，得到了 良好的诊断效果。发现气阀泄漏状态下转速信号 的双谱具有明显特征，通过计算双谱对角切片， 可 以容易且有效地识别故障的存在。 a 正常状 态 b 气阀轻微泄漏状态 C 气阀较严 重泄漏状态 图3 三种状态下的双谱对角切片图 参考文献 [ 1 ]杨建国，周轶尘． 内燃机振动监测与故障诊 断 [ M]． 大连 大连海运学 院出版社 ，1 9 9 4 ． [ 2 ]张贤达 ，保铮． 非平稳信号分析与处理 [ M]． 北京 国 防 工 业 出版 社 ．1 9 9 8 ． [ 3 ]杨江天，陈家骥 ，曾子平． 双谱分析及其在机械诊断 中的应用 [ J ]． 中国机械工程，2 0 0 0 4 4 2 4 4 2 6 作者简介郑春兵，男，1 9 7 1 年生 ，河北曲阳人 ，大学本 科 ，工程师。研究领域 机电设备管理。已发表论文 8 篇。 编辑 向飞
展开阅读全文
