基于振动信号的柴油机气门间隙异常故障诊断

王春林,梅卫江,边金英,赵永满,吴 疆

(石河子大学机械电气工程学院,石河子 832003)

基于振动信号的柴油机气门间隙异常故障诊断

王春林,梅卫江,边金英,赵永满,吴 疆

(石河子大学机械电气工程学院,石河子 832003)

为探讨简易诊断柴油机气门间隙异常的有效方法,采用柴油机缸盖表面的振动信号进行试验研究。采集了柴油机在不同气门间隙下的振动信号,用时域法和频域法相结合的分析方法对故障特征信号进行分析,得出了气门间隙异常的频率特性和判断依据。结果表明,采用振动检测技术可以实现不拆卸配气机构就可简易诊断柴油机气门间隙异常故障。

柴油机;振动信号;气门间隙异常;故障;诊断

配气机构是发动机换气过程的控制机构,对发动机的性能指标有很大的影响。发动机配气机构,特别是经常处在高温和高速气流冲击下工作的气门,是发动机最容易发生故障的零部件之一,主要故障有气门间隙异常、气门漏气、弹簧折断、阀头翘曲变形等,其中最常见的一种故障是气门间隙异常。气门间隙出现异常时,会改变气门的开关定时,影响气缸内的换气质量,严重时可导致燃烧恶化。

目前在农业生产实际中,常用的检查气门间隙是否异常的方法仍然是打开摇臂室盖,用规定间隙的厚薄片分别塞入进、排气门杆末端与摇臂头之间检查。这种方法的缺点是费时费力,不能进行在线检测,且在运行状态下无法检查,封装及有载荷时转动曲轴困难。

本试验针对S195柴油机气门间隙异常故障进行了试验研究,利用气缸盖表面的振动信号来判断发动机气门间隙是否处于异常状态。该方法是直接利用传感器采集工作过程中气缸盖表面的振动信号,再运用配气机构运动学方程及时域法和频域法相结合的分析法得出气门间隙异常状态的判断依据。

1 测试方法

1.1 测试系统

本试验所用发动机为单缸自然吸气式涡流室S195型柴油机(山东德州柴油机厂)。主要加载设备为:SG115M型水力测功机(保定新生农业机械厂),SYZZ-1型油耗转速自动测量仪 (江南测试仪器厂)。

测试与数据处理系统如图1所示。该系统主要由加速度传感器、磁电传感器、电荷放大器、INV306多功能信号采集处理分析仪等组成。其中数据采集分析系统是由北京东方振动与噪声研究提供的INV306智能信号采集处理分析仪、DLF多通道系列电荷电压四合一放大器、INV YJ9A压电式加速度传感器以及DASP2006(data acquisition&signal processing)专业版数据采集分析软件组成。磁电传感器采用的是桑塔纳2000车速传感器,主要作用是用来测取上止点信号。

图1 测试分析系统Fig.1 Testing and analysing system

1.2 测点选择

加速度传感器的安装位置是获取准确信号的关键。柴油机的缸盖和机身对振动最敏感,由于要获得的是气门产生的激励信号,因此把测试点放在缸盖上方,磁电式传感器安装在凸轮轴前端的正时齿轮盖上。根据采样定理[1]以及综合考虑测试系统的性能、柴油机实际工作状况等各种因素,振动信号的采样频率选用20.48k Hz。为了提高信号的信噪比,缸盖振动信号的采集选用整周期采样的方法[3]。

1.3 参数确定

为了模拟柴油机气门间隙异常故障,在试验中人为地将排气门冷态间隙调到0.20mm、0.35mm、0.45mm、0.55mm和 0.60mm五种状态,其中0.45mm为正常间隙,在转速为2000r/min,负荷为4.5k W的工况下进行振动测试。由于所用的加速度传感器为接触式传感器,检测对象的温度对传感器有较大干扰,且气门响应与内燃机水温有密切关系,因此,为了便于比较与控制,试验时通过水力测功机上自带的水温表监测柴油机的水温,始终保持在80℃～90℃。

1.4 缸盖的振动特性

发动机缸盖系统在工作状态下主要承受的激励力有5个:缸内气体压力以及进、排气门的开启和关闭的4个冲击力。文献[4]研究表明:尽管缸盖结构很复杂,但可认为激振信号在传播的过程中频率变化很小,仍可近似地把它看成是一个频率不变的系统。

虽然缸盖受到的作用力是多个频率特性各不相同的冲击载荷,缸盖振动信号是由一系列频率、幅值差别较大的瞬态响应所组成,情况比较复杂。但有实际影响的只有燃烧气体力和气门落座冲击力,且发动机的各部件工作是按一定周期性顺序进行的,振动信号不是同时出现,而是先后有序。本试验测得的S195型柴油机缸盖表面振动信号的时域波形(图2)可证实这一点。根据S195型柴油机的工作过程相位图以及配气机构配气定时规律,并结合运行转速和采样频率,可以很容易区分图2中的各激励力响应信号:A为气体燃烧压力激励响应,B为排气门开启,C为排气门落座冲击,D为进气门落座冲击(由于进气门开启时的振动响应不大,所以图2中未标出此时刻)。当发动机出现某种故障时,相应的激励力响应信号在作用时间和能量强度等方面将发生改变,据此可以获取特征参数并进行故障诊断。

图2 S195型柴油机缸盖表面振动信号的时域波形Fig.2 Time domain waveform of model S195 diesel engine eylinder cap's surface vibration signal

因缸盖的结构复杂,振动从底面传到顶面的途径很多,为了进一步探讨气缸内外表面的振动特性,先拆去活塞连杆,再用电动机倒拖S195柴油机,然后测定缸盖顶面和底面对气门冲击响应的振动信号,测得的振动频谱如图3所示。

图3 S195型柴油机缸盖顶面(a)和底面(b)的振动频谱Fig.3 Frequency spectrum graph of model S195 diesel engine cylinder cap's top(a)and underside(b)vibration signal

由图3可以看出,两者图形非常接近,说明由气门落座冲击产生的振动在传播的过程中频率变化很小,其内外表面具有非常接近的频率特征。因此,缸盖顶面的振动信号能较完整地反映缸内气体力和气门冲击等激振源的特征。

2 结果与分析

2.1 时域分析

图4为S195型柴油机排气门间隙为0.20mm、0.35mm、0.45mm、0.55mm和0.60mm五种状态时所测信号的时域波形图。

从图4可以看出,缸盖振动信号对排气门间隙的变化反映明显,当气门间隙为0.20mm时,排气门开启和落座振动响应的幅值都很小;当气门间隙增大时,排气门开启和落座振动响应的幅度也随着增大;当气门间隙达到0.55mm以后振动响应发生突变,排气门开启和落座响应的幅值很大,超过了气体燃烧激励的响应;随着气门间隙的增大,气门的排气提前角和排气迟闭角都将滞后。同时根据气门机构的配气定时规律,在时域波形中可以识别振动信号是由哪一缸的哪个气门间隙异常造成的,对于多缸发动机可结合其发火顺序来判断。振动信号幅值大小及在上止点前的角度是判断某缸某个气门有无间隙异常的特征参数。

图4 不同气门间隙下缸盖振动响应的时域波形Fig.4 Time domain waveform of cylinder cap's vibration signal in diferent valve clearances

2.2 频域分析

不同气门间隙振动信号的频谱如图5所示。

从图5可以看出,正常状态(0.45mm)时,振动的能量主要集中在高频段3～4k Hz内;气门间隙较小时,能量主要集中在频带2～3k Hz内,间隙较大时则分布在频带3～4k Hz及8～9k Hz。根据发动机工作原理可知,低于0.5k Hz的中低频振动信号应为燃爆响应。随着气门间隙的增大,频域总能量增加且高频分量在整个频率分量中所占比例增大,可以利用频域的这种特性来诊断气门间隙的故障。且随着气门间隙的增大,在2～4k Hz范围内积聚的能量越来越多,峰值越来越大。8～9k Hz的高频成分的幅值也在增加。一般说来,气门落座的速度较大、落座冲击力为高频激振源,且随间隙的增加,落座速度变大,缸盖振动急剧增加,故可认为 2～4k Hz的高频成分是由气门落座引起的缸盖振动。将这一反映气门间隙异常的频率段称之为气门响应的特征频带,在该频率段的振动能量及频谱峰值成为判断气门间隙异常的特征参数。

图5 不同气门间隙振动信号的频谱Fig.5 Frequency spectrum graph of cylinder cap's vibration signal in diferent valve clearances

另外,根据随着气门间隙的增大,频域总能量增加且高频分量在整个频率分量中所占比例增大这种特性,可以采用响应的高频能量 Eh和总能量 E之比γv来判断气门的间隙状况,具体的计算公式为:γv=Eh/E[5]。

本文选定 Eh为2～4k Hz内的高频能量,计算结果见表1。

由表1可知,随着气门间隙的增大,高频分量在整个频率分量中所占比例明显增大,这与前面的分析结果是一致的。但是能量比γv容易受柴油机的转速和载荷的影响,故γv不能作为判断气门间隙状态的唯一根据。

表1 不同间隙下的气缸盖振动信号能量比Tab.1 Energy ratio of cylinder cap's vibration signal in diferent valve clearances

3 结论

1)柴油机气缸盖系统的振动是由一系列具有不同的频率特征的瞬态振动组成,这些瞬态信号中包含了大量反映气门机构运动状态和柴油机工作状态的有用信息。判断气门机构间隙是否异常,应着重从气缸盖对气门落座冲击的响应信号中获取信息。本文利用柴油机气缸盖表面的振动信号可分析时域波形中的振幅大小,根据频域中在2～4k Hz范围内的能量及幅值大小,可较准确地诊断出发动机气门间隙是否发生异常,并可预见故障的程度。

2)采用缸盖振动信号时域、频域分析法比静态塞规检查法更能及时发现故障,而且不需要操作人员具备过多的信号处理知识,只需要其能识别最简单的时域图和频谱图,便能不拆卸配气机构而进行简易的诊断。利用柴油机气缸盖表面的振动信号实现柴油机气门间隙异常故障的简易诊断是可行的。

3)在柴油机全程的工作速度范围内,可利用缸盖的振动信号对气门间隙的工作状态进行在线不拆线的监测识别,从而能实现对柴油机运行状况的监测。

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[3]韩 西,廖 东,钟 厉.整周期采样法在柴油机振动测试中的应用[J].机械工艺师,1999,(4):23-24.

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[5]余成波,何怀波,石晓辉.内燃机振动控制及应用[M].北京:国防工业出版社,1997.

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Abnormal State Fault Diagnosis of Diesel Engine Valve Clearances based on Vibration Signal

WANG Chunlin,MEI Weijiang,BIAN Jinying,ZHAO Yongman,WU Jiang
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

In order to find effective methods of easily diagnosing the abnormal state of diesel engine valve clearances,an experimental study on using cylinder cap’s surface vibration signal has been shown in this paper.The vibration signals at different valve clearances are mainly tested and measured.The methods of time-domain and f requency-domain are used to analyze them.Frequency characteristics and identif ying methods of the abnormal state of engine valve clearances are brought out.The results show that vibration monitor can diagnose the troubles of abnormal state of diesel engine valve clearance without disassemblage and easy to be used in on-line monitoring.

diesel engine;vibration signal;valve clearance;fault diagnosis

TK407

A

1007-7383(2010)01-0113-05

2009-07-16

王春林(1984-),女,硕士生,专业方向为机械工程测试与故障诊断;e-mail:wangchunlin1984@163.com。

梅卫江(1968-),男,副教授,从事内燃机节能研究;e-mail:mwj㊦mac@shzu.edu.cn。