基于现代测试技术的柴油机故障诊断国内外研究现状

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1、基于现代测试技术的柴油机故障诊断 国内外研究现状故障诊断技术作为一门新兴、边缘、交叉、综合的工程学科,经过 30 多年的研究、发 展、推广及应用,已成为国内外一大热门学科。在这种形势下,只有深刻了解其研究发展的 现状,并正确把握住其研究新动向和发展趋势,才能更好的推进故障诊断技术更新,使之更 有效地服务于社会化大生产中。尤其对柴油机的这种复杂机械的故障诊断来说,它的研究水 平和成果可以说从侧面反映了机械设备行业故障诊断技术的水平。 故障诊断技术的基本思想源于生物医学诊断。经过三十多年的发展，故障诊断技术在 方法、手段和内容方面不断更新，现已发展为融合力学、电子学、信号与信息处理、计算 机技术和

2、人工智能等技术的一门综合性交叉学科（王衍学 2009） 。美国是最早开展故障诊 断技术研究的国家之一，早在 1961 年美国就成立了国家机械故障诊断研究所，1967 年在 美国宇航局的倡导下，成立了机械故障预防小组，从事故障机理、检测诊断技术的研究工 作。20 世纪 80 年代中期，美国就已研制出机车、船舶柴油机故障诊断专家系统（刘守道 等 2000） 。20 世纪 70 年代初，英国成立了机械保障与状态检测协会，奠定了故障诊断 技术在英国的普及与发展（王志华 2004） 。 在国外,美国是最早开展故障诊断技术研究的国家之一,早在 1961 年美国就成立了国家 机械故障诊断研究所,1967 年

3、在美国宇航局的倡导下,成立了机械故障预防小组,从事故障 机理、检测诊断技术、可靠性分析的研究以及耐久性评价等工作。目前,美国故障诊断技术 在航空航天、军事、核能等尖端工业方面得到了广泛的应用,并处于世界领先地位。早在 20 世纪 80 年代中期,美国就己研制出机车、船舶柴油机故障诊断专家系统训。近年来, waVeb。ok 公司开发了一套适于内燃机振动和噪声信号分析的软件包,正推广应用到全世界 内燃机研制和开发较强的知名企业。 20 世纪 70 年代初,英国成立了机械保健与状态检测协会(MflMG挪威的船舶柴油机的监测与诊断研究所遍及世界各地,并建立服务于全球的各 级船级社,在国际上具有很大的影

4、响,不过它们的测试手段和分析方法相对比较简单。 在我国,70 年代中后期一些部门和学者对故障诊断技术有所研究,但很不系统且没得到 社会的认可和重视。到了 80 年代初期,国家政府有关部门颁布了国营工业交通设备管理 试行条例(1983 年),把故障诊断技术正式列入了企业管理法规,并提出了维修体制改革的 发展方向,从而使我故障诊断技术的研究和应用得到了长足的发展,并取得了喜人的业绩。 随着人们对故障诊断技术的重视,部分设备的故障诊断技术也被列为国家“八五” 、 “九五” 和“十五”的攻关项目,传感器、数据采集仪及一些故障诊断仪器如雨后春笋般的层出不穷,有 的已接近或达到国际水平。而对于柴油机故障诊

5、断的研究略滞后于其它机械设备,依然是目 前故障诊断的难点。到了 80 年代初,我国才开始对内燃机故障诊断做探索性研究,其中华中 理工大学(华中科技大学)、武汉交通科技大学、第二炮兵工程学院、西安交通大学、清华 大学、山东大学、大连理工大学、东风汽车研究所等高校及研究机构,在利用柴油机振声诊 断故障方面作了大量的研究工作,并结合实际课题研制开发了相应的产品。如华中理工大学 侧重于故障机理的研究,武汉交通科技大学对柴油机主要磨损故障及气门漏气故障进行了研 究,如缸套活塞磨损、气阀漏气、连杆大小端轴承和主轴承磨损,并研制出 DCM 一 11 型柴油 机智能诊断仪,可不解体诊断柴油机缸套活塞磨损和气阀

6、漏气等故障,西安交通大学和东风汽车研究所都研制出了在线式铁谱分析仪。对于柴油机故障诊断方法的研究更是如火如茶 的 进行着,众多研究工作者都在努力探索着满足柴油机自身特性的实用性方法。 文献表明,柴油机故障诊断技术的发展趋势是实时在线诊断、多源信息融合和网络化。 在实时在线诊断方面,应重点研制适合柴油机故障诊断的专用新型集成化传感器,特别是长 寿命的可预埋于柴油机内的传感器;在分析柴油机运动状态及振动机理的基础上,寻找各缸 振动信号之间相互交叉影响最小的最佳测点;利用现代时频分析、模糊逻辑、小波分析、粗 糙集理论等信号处理方法提取柴油机状态信息的故障特征;利用神经网络、专家系统等实现 故障的自动

7、诊断。充分利用神经网络等的自学习能力并对历史数据进行数据挖掘,最终实现 在线故障诊断。在柴油机故障诊断过程中,可以利用的状态信息很多,诸如机器振动、机器 声响、机器运行过程中的如油温、水温、排气温度、油压、输出功率、转速、扭矩等过程 量及过程参数以及油样、烟色等机器残留物及排泄物信息等。 目前,我国柴油机故障诊断方法的研究水平,可以说一点都不逊于外国,甚至超越之。作者通 过对近几年 EI 收录的有关柴油机故障诊断文章的检索可知:我国论文占了三成之多,这是相 当了不起的。从侧面也说明了在柴油机故障诊断技术中,我国走在了世界前列,尤其在故障 诊断方法的研究上。下面简单讨论一下目前国内外具有代表性的

8、柴油机故障诊断的方法,以 示柴油机故障诊断方法研究的方向。一、基于振动信号的时频特征提取分析法一、基于振动信号的时频特征提取分析法 柴油机是一种高速的往复式动力机械,缸盖振动信号是反映柴油机内部各部件之间关系 的极其敏感的参数,它是缸内气体燃爆压力、进排气门落座冲击和进排气门开启气流冲击等 多种激励力综合作用的结果,同时还受到机身整体振动等其它因素的影响,其表现形式既具 有与工作循环有关的周期性特性,又具有非平稳时变及某些冲击特性3,这给信号分析和诊 断征兆提取带来了很大的难度。振动信号特征提取分析法的依据是振动中包含有振源信息 和状态等信息,振动监测及故障诊断的出发点是在机械动力特性分析及谱

9、分析基础上,研究 柴油机运行过程中的故障原因与对应的状态,主要分析方法有: 1 1、时域分析法、时域分析法 振动信号的时域特征参数主要有峰峰值、均值、均方幅值、方差、标准差、三阶距、 四阶距、波形因子、脉冲因子、裕度因子等。这些特征参数由于测量比较直接,可以用于在 线监测,同时也可以作为其它诊断方法的特征提取参数。 2 2、频域分析法、频域分析法 频域分析主要是通过某种变换,将振动信号从时域变换到频域,然后再进行特征提取的 一种方法。处理方法有古典谱估计法和现代谱估计法。古典谱法基于 FFT 快速算法,包括周 期图法、相关分析、相干分析、自谱、互谱、细化谱、倒频谱、传递函数、谱趋势分析等 等。

10、现代谱法包括最大熵谱估计、ARMA 时序分析以及最小方差法等。古典法的优点是可以 用 FFT 快速计算,物理意义明确;缺点是谱分辨率偏低,需要的数据量大,加窗后会产生泄露, 方差性能不好。现代谱分析法具有较高的分辨率,对数据量的要求较少,但是容易产生波形 失真,信噪比低。 3 3、现代时频分析法、现代时频分析法 时域和频域分析适用基于平稳或准平稳过程的振动信号,对柴油机而言,由于其结构复 杂,震源众多,其振动信号在通频带范围内均有大量能量分布,单纯用时域或频域分析法则存 在分辨率不足的问题。时频分析法弥补了这一缺点。主要方法有： 1)短时傅里叶变换(STFT) 其数学表达式为:W(,f)=+

11、x(t)(t - )2dt (1)它具有时频局部化的功能,在时频中相当于带通滤波器。当变化时可以使窗函数在整个时域 上滑动,因而具有时间局部化的特点。STFT 可分析非平稳信号,但对准平稳信号效果更佳, 当选定 g(t)后,时域分辨率不变,缺乏细化功能,反映强烈瞬变非平稳信号的能力不足。 2)Wigner 时频分布 数学表达式为:wx （,）=+ ( + 2)( 2)2 (2)其加窗离散形式为:(,)= 2 2 = 2()( + )( ) (3)Wigner 时频的分布特点是信号在时频上的分布,由于窗函数 g(k)的局部化性质以及的关系,它具有对准平稳信号及非平稳信号分析的能力。( + )(

12、)3)小波变换(Wavelet Transform) 小波变换在振动信号分析中属于一种多分辨率的时频分析方法,具有多分辨率的时频局 部化、快速线性多通道带通滤波等优点,为非平稳信号的分析提供了一个有价值的工具。在 实际工程应用中,常使用简单方便的二进小波变换。小波变换的数学表达式为:()(,)= 丨丨 1/2+ f() (4)小波变换相当于一个带通滤波器和一个低通滤波器,在高频范围时间分辨率高,在低频范围 频率分辨率高;信号的分解和重构可有针对性地选择有关频带信息;全频带分析的结果,信息 量既无冗余,也无疏漏。近年来,国内外通过振动信号提取柴油机故障特征的研究已取得了 较大进展,研究的重点是通

13、过缸盖或缸体振动信号,提取燃烧激振力及排气门落座响应的频 率特征,对柴油机工作过程故障进行诊断。但是,这种方法大多局限于在实验室对零部件单 一模拟故障 的诊断方面,距实际应用还有一定距离。主要困难有:柴油机是一类复杂设备,表现在:柴油机是一个由曲柄连杆机构、气门机构、燃烧系统、 润滑系统、冷却系统等组成的多层系统,具有系统级、子系统级、部(组)件级及零件级 4 个 层次;柴油机的结构异常复杂,加之输入、输出不明显,因而无论是定量还是定性都难以用比 较完备、准确的模型对其结构、功能、以及状态等进行有效的表达;柴油机的故障及产生故 障的原因有时是模糊不清的,一个故障可能是多种因素综合作用的结果,这

14、比简单的因果对 应关系复杂得多。 柴油机的结构、运动状态复杂,型号众多,而共性归纳不够,所以适应于某台、某型号柴油 机振动信号的分析法,对另一型号的柴油机未必可行;对同一机型取不同的测点进行测量,即 使故障类型相同,所测量的结果都有可能是矛盾的。 柴油机振源多,系统传递路径复杂,故障既有“纵向性”,又有“横向性”,这一特性带来了柴油机这一复杂系统中多个故障并存的现实,多故障的同时诊断导致对故障能否准确定位 这一十分困难的诊断问题。 柴油机各类故障所对应的振动频率,无论从理论上还是实践中都较难准确确定,目前所采 用的谱分析故障诊断方法,只是根据功率谱的形状特征,用相似比较的办法进行确定。在不 同

15、的故障形式产生相似形状功率谱图时,有可能发生误诊,给实际判断工作造成很大困难。以某船用 8V396 柴油机为例，研究缸盖振动信号的重采样和故障特征提取方式，建立 柴油机不同工况下的振动信号特征参数比对数据库。具体技术路线如下:基于振动信号的时频特征提取，但加以信息融合，则能大大改善故障诊断的准确性。二、瞬时转速波动诊断法二、瞬时转速波动诊断法 柴油机曲轴的瞬时转速波动信号能反映机器的工作状态,通过对瞬时转速波动信号的分 析可以得到机器运行状态和相关故障的丰富信息。正常工况下,各缸的动力性能基本一致, 柴油机运转平稳,各缸瞬时转速波动虽有差异,但总在一个不大的范围内,并呈现某种规律性;但 当某个

16、气缸工作不正常时,动力的一致性遭到破坏,柴油机运转平稳性变差,转速波动信号会 产生严重变形,据此可以判断其缸内工作过程的好坏。存在的不足之处在于:1) 利用瞬时转速波动虽然能够确定工作不正常的缸位,但不能确定造成故障的原因。例如,缸 内压力降低造成曲轴瞬时转速变化,可能是活塞环或缸套磨损引起气密性变差所致,也可能 为燃油系统故障造成燃烧不充分所致等等。 2) 由于要反映一周内角速度的变化,瞬时转速测量仪就要求高频率响应,高精度,设备费用 会很高;另外,现场安装、调试使用均较困难。 以下是基于简化模型柴油机瞬时转速计算和故障分析技术路线：开始输入柴油机参数计算气体压力的切向力矩计算往复惯性力及其切向力矩 计算总切向力矩解微分方程求解瞬时转速 正常态瞬时转速仿真计