基于瞬时转速的柴油机早期弱故障诊断实验研究

孙云岭，田洪祥，王胜杰

(海军工程大学动力工程学院，湖北武汉 430033)

基于瞬时转速的柴油机早期弱故障诊断实验研究

孙云岭，田洪祥，王胜杰

(海军工程大学动力工程学院，湖北武汉 430033)

瞬时转速蕴含了大量柴油机运行状态信息，已经成功用于失火严重故障的诊断，但对于早期弱故障的诊断尚缺乏进一步的研究。针对6-135型柴油机，通过在不同程度上调整气缸喷油量、调整气阀间隙、模拟气阀泄漏等方法模拟柴油机早期故障，在不同工况下进行实验数据采集，计算柴油机瞬时转速信号，并分析其不同状态下的变化规律。发现柴油机瞬时转速信号可以用于判断多种早期故障，各缸瞬时转速升程归一化比值P是较直接的特征参数。正常状态下，各缸瞬时转速P值在0.9～1.1以内，若某缸升程P值下降超过10%，可认为该气缸存在故障。该方法对于影响缸内压力的故障如各气缸喷油量不均匀、气阀泄漏等比较敏感，对于活塞-缸套间隙过大等对缸内压力影响程度小的故障不敏感。

柴油机；瞬时转速；故障诊断

0 概述

柴油机瞬时转速信号蕴含了大量机器运行状态信息[1]，可以间接反映缸内压力，逐渐成为柴油机故障诊断的重要信息源之一[2-3]，并成功应用于失火故障的诊断[4-5]。气缸失火属于严重故障，发生率极低，并可较容易地通过其他信息源如气缸爆炸压力检测、高压油管压力测试来诊断。而柴油机早期微弱故障发生率高，例如个别气缸由于喷油量偏少、燃烧不良、轻微密封性不良而造成的做功能力下降故障经常发生，并且难以采用其他信息源如油液分析、振动监测来诊断。这些故障都是通过影响缸内压力来造成性能下降的，而瞬时转速与缸内压力有着直接的动力学关系，且具有测试方便、易于实现在线监测等优点，所以研究柴油机早期微弱故障下瞬时转速的变化规律具有极高的研究价值。由于对这些微弱故障难以建立有效、精确的数学模型来进行瞬时转速仿真，而且仿真结果与实际状况往往有着极大的差距，所以本文主要进行模拟故障实验研究。通过各种方法来实际模拟这些故障，在不同工况下进行实验数据采集，计算出不同故障下的瞬时转速信号进行分析，以探寻早期弱故障条件下柴油机瞬时转速信号的变化规律，为日后的故障诊断工作奠定实验基础。

1 柴油机早期弱故障模拟实验方案

本文以6-135G型柴油机为实验研究对象进行早期弱故障模拟。6-135G型柴油机的基本参数为：单列立式、六缸水冷、四冲程，气缸直径135 mm，活塞行程140 mm，压缩比16.5:1，额定转速1 500 r/min，额定功率88 kW，发火顺序1-5-3-6-2-4，采用水力测功器进行功率加载和测量。

在故障模拟方法上，通过多种方式来模拟柴油机早期故障。根据瞬时转速波动的机理，在理论上应能反映影响缸内压力的机器故障，在此选择有针对性的早期故障进行模拟，主要分为两类。（1）功率不平衡故障。由于喷油量不一致、油气混合不好等各种原因导致各缸做功状态均不相同，这使机件受力不匀，造成柴油机振动加剧，不能发出额定功率，更严重时可造成某缸不发火。分为以下几种状态进行模拟：不同程度单缸减油状态、单缸断油状态。（2）气缸密封性故障。由于气阀间隙异常、气阀泄漏、缸套磨损等原因会导致气缸密封性不好，致使缸内压力降低，发不出足够的功率。对此分为以下几种状态进行模拟：气阀间隙过小状态、气阀泄漏状态和活塞-缸套间隙过大状态。

各状态模拟方法如下。

（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。对实验柴油机进行各缸油量均衡试验、喷油压力测试、气阀间隙测试、气阀-缸套间隙测量等调整，从而保证机器处于良好状态，进行正常状态下的实验数据采集。

（2）单缸减油状态。拆下喷油泵，在油量调整台上调整某一气缸喷油量，使其喷油量低于正常油量，为了试验瞬时转速反映缸内压力变化的程度，调整的幅度分别为15%、20%和100%（即单缸断油状态）。

（3）气阀间隙过小状态。调小排气阀间隙模拟气阀泄漏，6-135Z型柴油机正常状态间隙应为0.35 mm，将其分别调整为0.04 mm和负值，负值调整方法为：拧调节螺钉到间隙为零之后分别再继续拧1/8圈和1/4圈。

（4）气阀泄漏状态。在排气阀边缘位置处用锉刀锉一个小缺口，缺口截面尺寸为0.6 mm× 1.5 mm，模拟气阀泄漏故障。

（5）活塞-缸套间隙过大状态。加工不同尺寸的加大缸套，与标准活塞配合，形成不同的气缸-活塞间隙，模拟气缸泄漏故障。正常间隙应该≤0.45 mm，这里分别取严重磨损间隙（0.60 mm）和临近报废间隙（0.75 mm）两种情况进行实验。

柴油机每种故障状态都按照表1工况进行测量。

表1 柴油机模拟故障实验工况表

2 瞬时转速测量和计算方法

柴油机的瞬时转速通过磁电传感器测取，采用软件计数法结合插值法进行瞬时转速计算[6]。磁电式传感器安装在飞轮齿圈附近，固定在齿圈架上。为判断故障缸位置，需要同步测量上止点信号。由于6-135柴油机冲程数为4，飞轮每转两圈是一个工作循环，所以本文采用的上止点位置确定方法如下：在供油凸轮轴相对于第一缸做功上止点处和飞轮相对于第一缸上止点刻度处各粘接一微型磁钢，各安装一个磁电传感器，结合两个上止点传感器的输出脉冲电压，可以精确确定第一缸的做功上止点。

3 各状态瞬时转速信号的对比

通过各种故障和工况下的模拟实验，获得了大量瞬时转速数据。以1 000 r/min、40 kW工况为例，各故障状态一个工作循环内的瞬时转速曲线如图1(a)～(j)所示，其中(a)～(i)分别对应正常、3#气缸减油15%、3#气缸减油20%、5#气缸断油、5#气缸排气阀间隙-1/8圈、5#气缸排气阀间隙-1/ 4圈、5#气缸排气阀泄漏、5#气缸活塞-缸套间隙0.6 mm、5#气缸活塞-缸套间隙0.75 mm状态，图(j)对应的是一个组合故障状态：3#、5#气缸减油20%且4#气缸状态排气阀间隙0.04 mm。其中每幅曲线都经过了多个工作循环的同步平均，各图横坐标为曲轴转角，单位为0CA，均以1#缸做功上止点为起点，纵坐标为瞬时转速波动值（瞬时转速值减去平均转速值），单位为r/min。

图1 各种状态下的柴油机单循环瞬时转速曲线

各状态下的瞬时转速曲线进行对比，可以发现最为明显的规律：各缸的做功冲程都对应着一段瞬时转速波峰的上升区间曲线，在不同状态下故障缸对应的波峰上升区间曲线与正常状态有着规律性的差别。正常状态下，各缸的上升幅度基本均匀一致；单缸减油15%状态下，故障缸的上升幅度将正常状态有降低；单缸减油20%状态下，故障缸的上升幅度明显降低；5#气缸断油状态下，故障缸已经完全没有了上升幅度；排气阀间隙-1/8圈状态下，故障缸的上升幅度明显降低，降低幅度大致相当于单缸减油20%状态；排气阀间隙-1/4圈状态下，故障缸的上升幅度的降低更加明显；排气阀泄漏状态下，故障缸的降低程度介于排气阀间隙-1/8圈和-1/4圈之间；活塞-缸套间隙0.6 mm、0.75 mm状态下，故障缸对应上升幅度与正常状态相比有极小的下降，区别不大；3#、5#气缸减油20%且4#气缸状态排气阀间隙0.04 mm组合故障状态下，减油故障缸上升幅度下降明显，而排气阀间隙异常故障缸则与1#、2#、6#非故障缸大致相同。

这说明很多早期故障发展到一定程度即可在瞬时转速信号中体现出来，而是否能体现关键在于该故障对缸内压力的影响程度有多大[7]。减油故障直接减少供油量，导致燃烧热量减少，缸内压力降低，实验结果表明减油达到15%即可由瞬时转速信号来诊断；气阀泄漏也会直接导致缸内压力降低，实验结果表明气阀间隙为负值或漏气截面达到0.9 mm2时可由瞬时转速信号来诊断，而气阀间隙为0.04 mm时则无法在瞬时转速信号中体现；活塞-缸套间隙偏大状态下，由于活塞环的密封作用，导致对缸内压力影响不大，该故障无法在瞬时转速信号中体现。

4 故障特征指标的提取

通过上文的分析，各气缸做功冲程对应的一段瞬时转速曲线的上升幅度是一个较直接的判断指标。根据缸内压力和瞬时转速之间的动力学关系，当某一缸处于做功冲程时，曲轴处于加速状态，该气缸状态越好，该冲程内曲轴累计加速值就越高，反之就越低，所以做功冲程内曲轴累计加速值从很大程度上反映了该气缸的状态。这里将某一缸做功冲程期间瞬时转速上升值定义为该缸的升程，如图2所示，6-135柴油机各气缸对应升程分别为S1～S6。将其进行无量纲归一化处理，把各缸升程与所有6个气缸平均升程的比值P作为反映各缸状态的指标：

其中：Sn为第n缸的升程。

图2 瞬时转速的故障特征提取

表2 不同故障下各缸瞬时转速升程归一化比值P

计算不同状态下各缸瞬时转速升程归一化比值P，结果如表2所示。正常状态下各缸P值比较均匀，分布在0.9～1.1之间，这也说明即使正常状态下各缸做功能力也略有差别；所模拟的单缸减油、排气阀泄漏的五种情况下，故障缸的P值下降明显，均超过15%；对于严重故障——单缸断油情况，故障缸的P值甚至接近零；而活塞-缸套间隙过大的磨损故障则在瞬时转速信号中不能得到有效体现，故障缸的P值几乎没有变化，这应该是活塞环的密封效果造成的；最后一个组合故障情况中，减油缸的P值下降明显，其余4个正常缸则需要多做功来抵消功率损失，导致另一个故障缸4#气缸的P值为1.12，与非故障缸大致相同，这也说明排气阀间隙略偏小的情况下无法在瞬时转速信号中得到有效体现。

经过其他不同工况各组数据的分析，虽然变化值与表2有小范围的个体差异，但始终保持一点基本规律：若某气缸P值下降超过10%，该气缸一定是模拟的故障缸。

5 结论

本文通过6-135型柴油机多种早期故障的模拟实验研究，得到了如下结论：利用柴油机瞬时转速信号可以用于判断多种早期故障，各缸瞬时转速升程归一化比值P是较直接的特征参数。正常状态下，各缸瞬时转速P值在0.9～1.1以内，若某缸升程P值下降超过10%，可认为该气缸存在故障。该方法对于影响缸内压力的故障如各气缸喷油量不均匀、气阀泄漏等比较敏感，对于活塞-缸套间隙过大等对缸内压力影响程度小的故障不敏感。

［1］William J.Swanson.Determination of diesel engine cylin⁃der gas torques from speed fluctuations with a High-Fi⁃delity crankshaft torsional model［D］.Master's degree dissertation paper of United States Navy B.S.，Califor⁃nia Institute of Technology，1998.

［2］李可顺，孙培廷，魏海军.基于瞬时转速信号的柴油机故障诊断［J］.大连海事大学学报，2011，37（2）：85-88.

［3］Chang Y，Hu Y H.Monitoring and fault diagnosis sys⁃tem for the diesel engine based on instantaneous speed［J］.Computer and Automation Engineering，2010：780-783.

［4］Wang Y，Chu F.Real time misfire detection via sliding mode observer［J］.Mechanical Systems and Signal Pro⁃cessing，2005，19（4）：9002912.

［5］马晋，江志农，高金吉.基于瞬时转速波动率的内燃机故障诊断方法研究［J］.振动与冲击，2012，31（13）：119-124.

［6］孙云岭，朴甲哲，张永祥.插值算法在内燃机瞬时转速测量中的应用研究［J］.内燃机学报，2002（4）：335-338.

［7］王维琨，江志农，张进杰.基于神经网络和瞬时转速的发动机失火故障研究［J］.机电工程，2013（7）：824-827.

The Experiment Research on Early Weak Diesel Fault Diagnosis Based on Instantaneous Speed

SUN Yun-ling，TIAN Hong-xiang，WANG Sheng-jie
（Power Eng.College，Naval Univ.of Engineering，Wuhan430033，China）

Instantaneous speed signal included much working status information of diesel，and it has been used in severe misfire fault diagnosis successfully，but there is still lack of further research on early weak fault diagnosis.In this paper，several early faults are simulated in 6-135 type diesel through adjust cylinder fuel eject quantity，adjust exhaust valve clearance，simulate exhaust valve leak in differ degree.Experiment data is acquired at different running status，and instantaneous speed signal of diesel is calculated.Through analyzing the change rule of instantaneous speed signal in different status，it is found that the diesel instantaneous speed signal could be used in several early fault diagnosis，and the instantaneous speed unitary rise amplitude ratio P of every cylinder is a direct character parameter.At normal status，P value of every cylinder are in the range of 0.9～1.1.If the P value of certain cylinder descend over 10%，then it could be think as a fault cylinder.The method is sensitive to some fault which could influence gas press in cylinder such as fuel eject quantity not uniformity and valve leaking，and it is not sensitive to some fault which couldn’t influence gas press in cylinder such as cylinder liner wear.

diesel；instantaneous speed；fault diagnosis

TK268

：A

：1009－9492(2014)10－0076－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.10.021

孙云岭，男，1976年生，山东临清人，博士后，副教授。研究领域：机械设备状态监测与故障诊断。已发表论文20篇。

(编辑：向 飞)

2014－04－29