柴油机诊断项目经典 案例 分析

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1、1,柴油机在线监测、故障诊断 项目案例分析,2,0. 柴油机状态监测与故障诊断的意义,柴油机作为一种往复式动力机械，目前已成为汽车、工程机械、船舶、机车和发电机组等诸多设备的动力心脏。这些设备在人民生活和生产实践中担负着重要的任务。 柴油机本身又具有结构复杂，工作条件恶劣的特点，发生故障的可能性大，一旦发生故障不仅会影响整个设备的正常工作，直接或间接地造成巨大经济损失，而且可能危及人身安全，造成极为严重的后果。,3,机械系统状态监测与故障诊断是近二十年来才发展起来的一门新兴学科；它是一门集振动学、声学、光学、电子学和计算机学等多门学科为一体的综合技术。 它通过对设备某些参数的测取与分析，获得设

2、备状态变化的趋势性规律，判断设备故障的原因、部位和严重程度，对设备的剩余寿命作出估计，进而指导设备的维修与管理。 随着这门技术的迅速发展，机械设备的维修和管理观念也随之发生了巨大的变化，由过去的事故后维修或定期维修发展到现在的基于状态监测与故障诊断的主动保养维修以及在现检测、诊断。这种现代的设备维修方式因其可最大限度地节约维修费用，并可最大限度地避免由于意外停机所造成的间接经济损失而越来越受到企业的重视。,4,调研是在项目启动前期非常重要的环节。只有在系统、仔细、周密的调研过后，才可能对现场的工况充分了解。 观察现场环境因素的细节，如设备几何形状、各主件，连接件尺寸、有无各种干扰、设备运行时状

3、态等。条件允许，可以采用拍照、摄像等手段将现场工况的多媒体资料信息存档，已备在实验室搭建虚拟环境时参照。,1.调研,5,2.1项目背景分析 只有对项目背景有足够的充分的了解，才能使项目工作顺利的开展。 2.2项目需求分析 对项目需求进行仔细、全面的分析是开展项目工作的基础，它对项目的工作方向起导向性作用。 2.3项目风险性评估 客观、严谨的风险评估，风险预测是决定项目开发周期的依据。 2.4项目成本预算 采用合理、科学的方法进行项目成本的估算。既保证了项目运转的 经济性，又可以避免由于经费资金链断裂而引起的项目停滞。,2.项目分析,6,3.1诊断机理的总体设计 柴油机常见故障分析 大量的事实说

4、明，在实际工作过程中，由于材质的变化、疲劳以及组装工艺等的变化，造成柴油机工作状态的变化和故障的频繁出现。 结构方面的故障： 零部件间磨损、 裂纹、装配不当、 油路堵塞、漏气 等； 性能方面的故障 ：机器性能指标达不到要求，如功率不足、 燃油消耗量大、喷油提前角失准、 燃油雾化质量不良、进气压力低 等。 通过对性能指标的评定，可以反映故障的存在和严重程度。,3.项目总体设计,7,3.2诊断流程的总体设计 诊断流程如图3.1,图3.1 柴油机故障诊断过程流程图,8,3.3 监测参量选择 启动电流、启动电压 发动机启动时，压缩压力的波动引起了发动机工作电流的波动， 电流的峰值与气缸压缩压力成正比。

5、 启动六秒，即可完成发动机汽缸压力的测量。 测启动电流和启动电压降，也可获得汽缸压力，分析气缸压力均匀性。,9,气缸（缸盖、摇臂座、缸台）振动 柴油机的振动信号是反映发动机内在各部件之间关系的极其敏感的参数。 柴油机燃烧爆发时的瞬时压力波动所产生的冲击； 进、排气门升起、落座产生的冲击； 燃烧提前、滞后表征； 气门漏气 等故障， 都会在这些信号中有所反映。,10,振动信号：各运动部件（如活塞、气阀、连杆等）都具有不同程度 的冲击性，因此选测振动加速度参数最能有效反映机器 运行状态。 加速度传感器的频响、尺寸,传感器安装方案的设计 振动传感器根据现场工况，采取 磁钢粘接式封装。工作时将其吸 附在

6、指定的测点（如缸罩、缸台 等）。如右图所示：,11,瞬时转速 平均转速可以描述内燃机变工况（如启动过程、加速过程） 过渡过程的进展情况。 瞬时转速反映缸内工作过程的进展情况， 以及 各缸均衡性。 同时，依据工作循环内的转速变化情况， 可以诊断各缸的密闭性， 了解各缸燃烧压力的差别， 还可研究内燃机的瞬时摩擦损失。,12,瞬时转速传感器相对飞轮径向安装： 其安装深度要应适中， 深度过大容易使飞轮运转时撞击传感 器头； 深度过小容易丢失转速脉冲信号， 通常安装至距极限位置12mm为宜。,瞬时转速传感器的选型： 可以根据现场的工况选择使用磁电感应元件或者光电编码器。 前者接收飞轮转动时轮齿切割磁力线

7、圈而产生的电脉冲信号， 由此来计算瞬时转速。,13,喷油压力 正常状态下的高压油管油压波形如图3.2所示。 通过对压力波形的分析，可以判断： 高压油管中的 针阀开启压力、 最高压力、 针阀关闭压力 油管中的残余压力。 同时可以利用其推导出供油提前角， 可判断喷油泵、喷油器故障， 和各缸喷油过程的均匀性。,图3.2正常高压油管油压波形,14,内串式喷油压力传感器使用自行设计的专用“T”型接头，方便串接，精度0.3%以上。 外卡式喷油压力传感器直接卡于选定的测点实现不解体监测。,喷油压力传感器选型： 喷油压力传感器可以分为扩散硅串接式压力传感器 和压电外卡式压力传感器。 前者串接到高压油管处，直接

8、测出系统喷油压力，用于试验室分析 后者卡在高压油管外部，测得喷油压力的间接值。用于实现不解体监测,15,机油压力 发动机主油道机油压力可以反映润滑系统的工作是否正常， 同时也可以反映发动机的磨损状况。,机油压力传感器的选型 在不解体的条件下， 在主油道上安装扩散硅压力传感器， 获得发动机主油道机油压力信号。,16,温度测量 可以反映各缸的热效率和常见的冷却系统故障。,温度传感器的选型： 通常柴油机在正常工作时， 气缸内温度在200400摄氏度之间， 外表面温度在120320摄氏度之间。 因此采用热电偶元件， 配合线形温度补偿芯片使用， 可在01024之间进行温度的线形标定。,油田项目 以磁吸附

9、是温度传感器粘接在缸盖螺栓上，经数学模型修正，描述排气温度。 军区项目 在油标尺上自制温度传感器， 测量 机油温度,需要注意：在选择磁钢吸附时，磁钢的选型要考虑温度因素， 高温下绝大多数磁钢磁性会失效， 因此要采用特种“铝镍钴”材料的磁钢。,17,上止点 上止点具有周期标定、相位标定的作用。 以上止点信号作为基准，可以对信号进行周期性截取； 配合瞬时转速等信号，可以进行各缸均衡性的分析。 同喷油压力信号相结合，可以计算出供油提前角。,上止点传感器选型： 结合现场工况选择光槽或者光电开关。 实验证明：光槽具有更高的可靠性， 而且也更经济。 在每一个阻挡操作发生时， 光槽都会发送一个电脉冲信号。,

10、18,润滑系统敏感参数的选择,1) 润滑系统的作用 减少零件的磨损 当润滑油不断经过摩擦表面时，及时洗除磨下来的金属屑，把它带走。 及时带走摩擦所产生的热量，从而保持机件温度正常 活塞环和气缸壁之间的油膜可使泄漏气体减少，起到密封作用。 防锈、防腐作用。 2) 润滑系统检测的主要参数 机油压力、机油温度、机油消耗量和机油品质。 这些参数即可表征润滑系的技术状况， 又可反映曲轴连杆机构有关配合副的技术状况。,19,3 ) 润滑系统敏感参数的选择 图12.1 展示了 反映机器油液状态参数重要性 的层次结构， 也是选取参数的重要依据。 通常认为, 检测 处于第三、四 层次的带下划 线的参数能够 获得

11、机器油液 状态的可靠性 结论, 而且经验 和试验也都证实, 它们是对机器油 液的“健康”状 况具有最显著影 响的状态参数。,图12.1,20,根据专业油液检测机构和专家的经验选取以下监测参数： 油品的粘度， 油液中固体颗粒污染度, 油品中的含水量, 油液的ph值， 油液的电导。 其中ph值和电导可以通过传感器直接测得， 后三个参数包括 油品的粘度，油液中固体颗粒污染度，油品中的含水量因为经济原因需要间接测得。 这五个参数结合现有柴油机故障诊断分系统的机油温度与机油压力两个参数分别从油液物理性质，油液的化学性质，系统污染，和机油的工作状态四个角度判定了机油品质的优劣。,举例：以 转速、温度、电容

12、、机油压力、酸碱度 实施油样在线分析,21,3.4 二次仪表的开发与选型 在传感器的输出端搭建模拟门电路，用于将传感器的原始输出信号进行放大、滤波、整形，然后将其标准化为TTL电平，作为输入信号通入数字采集卡。,选型问题举例 与外卡式喷油压力传感器配套的电荷放大器频响范围选择： 2000 Hz时间历程曲线噪声很大，规律性不强； 100 Hz时间历程曲线规律性明显改善 。 1800 r/m 30/2 Hz ,22,3.5数字采集卡的研发（或选型） 采样信号的路数决定了采集卡的通道数。其中模拟信号（如振动信号、温度信号、压力信号等）和数字（脉冲）信号（如瞬时转速信号、上止点信号）分别对应了采集卡上

13、的模拟通道和数字通道。 信号的最高有效频响决定了采集卡的采样率（A/D芯片的转换速度）。 信号的“灵敏度”（分辨率）决定了采集卡的量化精度（A/D芯片的量化位数）。 当对某几路信号有同步分析的要求时（比如在利用间接喷油压力曲线拟合直接喷油压力曲线时，需要直接喷油压力、间接喷油压力和上止点信号的同步采集），需要采集卡提供对多路模拟量信号，单路数字量信号并行采集的支持。,同时为了后期对信号进行频域或者时频域分析，要确保信号的 等时间间隔采样。,23,3.6上位机的设计及选型 根据现场的工况，选择性能稳定抗干扰能力强的“工控机”。为了保证其运行流畅，我们通常采用“英特尔奔腾4”处理器主频2.4GHz

14、以上产品。 工控机采集卡 笔记本电脑采集模块，数据通讯,24,3.7上位机采样（软件）程序的开发及编制 使用VC+语言，开发界面友好、操作便捷的用户采样程序，用于对数据进行采集、存储、查看和简单的处理。如下图所示：,25,3.8柴油军车分析仪结构设计,26,信号的信噪分离是机械设备诊断比不可少的步骤，为了实现诊断过程的自动化，就必须寻找到一种通用的自动降噪方法。 振动和瞬时转速是反映柴油机运行状况最主要的两种信号，并且它们分别是突变和非突变两大类柴油机信号的典型代表。因此，对这两种信号的自动降噪方法，其适用范围可以涵盖几乎所有柴油机信号。 5.1柴油机表面振动信号的自动降噪方法 5.1.1振动

15、信号的降噪方法机理 柴油机是一个非常复杂的机械系统，因而所测得的振动信息包括有各种成份和干扰，属于非平稳振动信号。非平稳信号除了含有非常有用的低频信号外，其突变部分通常反应了检测对象的某些重要特征，含有较丰富的高频信号。因此，对非平稳信号作滤波预处理，既要消除噪声所表现的高频量，又要保留那些反应信号突变部分的高频量。,5 信号自动预处理方法及工程实现,27,传统的傅里叶变换只能分别从信号的时域和频域观察，但不能把二者有机结合起来。这是因为信号的时域波形中不包含任何频域信息，而傅里叶谱是信号的统计特征，是整个时间域内的积分，没有局部化分析信号的功能，也就是说，对于傅里叶谱中的某一频率，不能够知道

16、这个频率是在什么时候产生的。这样在信号分析中就面临一对最基本的矛盾时域和频域的局部化矛盾。 而柴油机表面振动信号是由撞击或冲击产生的，是瞬变信号，信号在任意时刻附近的频域特征都很重要，单从时域或频域上来分析是不够的。这就需要一种能将时域和频域结合起来描述信号的时频联合特征，构成信号的时频谱，这就是所谓的时频分析。 时频分析方法有短时傅里叶变换、小波分析等。,28,5.1.2小波降噪方法在柴油机振动信号中的应用 5.1.2.1小波变换基本概念 小波分析方法是一种窗口大小固定但其形状可变，时间窗和频率窗都可改变的时频局部化分析方法，即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率。 信号 的小波变换为： 小波变换的主要应用是多分辨分析， 这里以一个三层分解进行说明，其 小波分解树如图5.1所示：从图中可 以看出，多分辨分析只是对低频部 分进行进一步分解，而高频部分则 不予考虑。分解的关系为,图5.1三层多