根据瞬时转速与冲击信号诊断柴油机故障的方法

高志龙，霍柏琦，唐松林，么子云，张进杰

（1.高端机械装备健康监控与自愈化北京市重点实验室，北京化工大学，北京 100029；2.海军装备研究院 舰船所，北京 100161；　3.中石油云南石化有限公司，昆明 650300）



根据瞬时转速与冲击信号诊断柴油机故障的方法

高志龙1，霍柏琦2，唐松林3，么子云1，张进杰1

（1.高端机械装备健康监控与自愈化北京市重点实验室，北京化工大学，北京 100029；2.海军装备研究院 舰船所，北京 100161；3.中石油云南石化有限公司，昆明 650300）

建立多缸柴油机传动机构三维实体模型，理论上模拟柴油机正常以及异常发火情况下的瞬时转速波形图，分析其故障特征。以WP10.340E32型柴油机为研究对象，搭建柴油机故障模拟实验台以及柴油机运行在线监测系统，模拟、捕捉柴油机单缸不点火故障。从得到瞬时转速、特定相位缸体振动信号入手，对比正常情况下信号特征，分析失火故障与特征信号的内在联系。通过仿真和实测数据证明瞬时转速结合振动冲击相位信号可有效识别柴油机失火故障并且能准确定位故障缸所在位置，从而实现诊断过程的简化。

振动与波；柴油机；失火；瞬时转速；发火相位冲击；故障诊断

柴油机作为最常用的动力机械设备之一，在船舶、车辆、各类工程机械、农业机械行业中发挥重要作用。其部件繁多，结构复杂，一旦发生故障，往往会停工停产，造成巨大的经济损失，甚至使得关键设备受损，危及人身安全。

柴油机故障诊断一直以来都是研究的热点。目前，诊断方法主要有以下几种：通过仪表监测柴油机的油温、水温、压力等热力性能参数［1］；应用信号处理方法对设备的振动信号、温度信号、动态压力信号进行分析，通过信号特征的变化进行监测［2］；应用油液分析技术，定期对润滑油中金属微粒成分、含量及颗粒度进行测量，对机体内部磨损程度和磨损部位做出判定［3］。失火是柴油机常见故障之一，对于动力输出、扭矩传递、轴系受力平衡有严重影响。柴油机瞬时转速可反映机组输出转速的波动情况，借此可得知各个气缸燃烧做功情况［4］；缸体振动信号中蕴含着大量机器运行信息，是柴油机运行状态最直观的特征信号［5］。目前，柴油机失火故障监测方法中应用较广泛的主要有发动机瞬时转速波动方法、缸内压力监测法和火花塞离子流监测法等［6］。缸内压力监测法需要在缸内安装动态压力传感器，成本较高，安装不便，对于一般的机组无法推广使用；而火花塞离子流监测仅适用于汽油机，柴油机属压燃机，没有火花塞，无法使用该方法。瞬时转速波动方法最常用，其信号提取容易，但发动机工况复杂多变，转速波动频繁，容易造成误判。

文中通过理论分析与仿真计算相结合的方法，研究多缸柴油机正常与失火故障情况下缸体振动特定相位冲击信号以及瞬时转速波形图。并将二者进行对比，得出发动机失火故障的一般规律现象，并将该规律应用于柴油机故障在线监测实验台，取得到较好的实验效果，可对柴油发动机失火故障的诊断提供相关参考。

1　理论及数学模型分析

1.1柴油发动机的动力学模型简化

在发动机的理论模型中，曲柄连杆机构是分析其动力学性能的重要部分，其中活塞作往复直线运动，连杆作平面运动，曲轴作旋转运动。忽略活塞与缸壁之间的摩擦力，柴油发动机单缸内作用在活塞上的力主要有：往复惯性力Pj，气体作用力Pg。曲柄连杆机构受力分析如图1所示。

图1　柴油机曲柄连杆机构受力分析

1.2活塞的运动规律

设x为活塞位移（上止点位置为起点），ν为活塞速度，则有

1.3瞬时转速仿真简化模型计算原理

将式（1）、式（10）分别代入式（4）后化简可得

A为活塞燃烧室作用面积，以单缸柴油机为例，根据简化柴油机动力学模型，可以得到运动方程为［7］

式中θ为曲轴转角；TL为负载力矩；TX为总切向力矩；I0为柴油机旋转部件的转动惯量。在柴油机稳定工况下TL=-TX。由连杆、活塞机构的几何关系，多缸机的动力方程为

其中i为气缸号；n为气缸数量；pi为第i缸曲轴转角θ时的气体压力；ϕi为第i缸点火角度；m为往复质量

上式中d·θ/dθ为瞬时转速，表示柴油机在一个较小曲柄转角内的角速度平均值［8］，恒定工况下ω为常量，故瞬时转速是曲轴转角θ的函数，呈现周期性变化。通过观察瞬时转速波动大小，可初步判断柴油机缸内燃烧是否正常。

2　三维实体建模及仿真

2.1PRO/E与Adams联合仿真

以TBD620V16型号的V型16缸柴油机为建模仿真对象。首先在PRO/E中建立柴油机传动系统三维实体零件模型，主要包括：飞轮、曲轴、活塞连杆组件以及正时齿轮系。其中，正时齿轮系包括曲轴传动齿轮、凸轮轴传动齿轮、冷却水泵传动齿轮、润滑油泵传动齿轮等8个齿轮部件。然后把装配好的模型以实体格式导入到Adams软件中，按照实体运动形式在导入的模型上添加齿轮副、转动副、移动副、固定副等运动副。装配好的三维实体模型如图2所示。

图2　TBD620V16传动系统三维图

2.2单缸气体压力模拟

利用AVL BOOST建立工作过程模型，根据该柴油机主要设计参数（如表1所示）通过软件进行参数化设置，最后模拟得到额定工况下单缸气体压力随曲轴转角变化曲线［9］。

表1　TBD620柴油机主要设计参数

2.3瞬时转速及冲击信号模拟

将模拟得到的气体压力变化曲线，按照式（13）建立驱动力矩函数，并添加到Admas所建立的三维实体模型中。在上述驱动力矩作用下，模拟TBD620V16柴油机额定工况下，工作一个循环周期内瞬时转速随曲轴转角变化的波动情况以及发火相位上振动冲击随曲轴转角变化情况。模拟得到正常情况下瞬时转速及振动冲击波形如图3所示；B2缸单缸失火故障情况下，瞬时转速及振动冲击波形如图4所示。

图3　额定工况下瞬时转速波动及缸体振动波形图

图4　B2缸失火情况下瞬时转速波动及振动冲击波形图

TBD620V16柴油机按照A1—B2—A6—B5—A8—B7—A3—A7—B6—A4—B8—A2—B3—A5—B1—B4的点火顺序依次做功，且相邻两个点火缸之间相位相差45°。从图上可知：

（1）正常点火情况下，瞬时转速和相位振动冲击波形图上均能看到16个点火波峰。

（2）相比正常情况，B2缸失火时在曲轴转角为40°—100°范围内，瞬时转速波形出现凹陷（见图4中黑色圆圈部分）。

（3）相比正常情况，B2缸失火时在40—100°区域内，发火相位振动冲击波形峰值明显小于波形图上其他点火相位峰值（见图4中黑色圆圈部分）。

分析可知，波形图上每一个波峰分别代表相应气缸发火冲击。B2缸的点火相位为45°，位于40—100°相位范围，属于其做功冲程。B2缸失火可导致瞬时转速波形在其点火相位附近出现异常凹陷，且振动冲击加速度波形同样在该点火相位处发生凹陷。

3　柴油机失火故障实验研究

3.1故障模拟实验台

以WP10.340型柴油机为主体搭建发动机故障模拟实验台，进行故障模拟实验，并采集故障特征参数。实验台主要由柴油机、中冷器、涡轮增压器及其附属设备组成。柴油机实验台如图5所示，主要参数如表2所示。

图5　故障模拟实验台

表2　柴油机主要参数

3.2数据采集系统

为得到瞬时转速和缸体振动信号，搭建一个具备软硬件的数据采集、处理系统，该系统由传感器、数据采集器、数据应用管理器、显示器以及数据采集软件组成，具体配置如表3所示。实验台及传感器布置如图6所示。

表3　实验台数据采集系统配置

图6　系统测点布置图

通过电涡流传感器来实现瞬时转速的测量。具体做法是：将电涡流传感器通过螺母、垫片固定到柴油机机体上的预留孔中，使传感器探头正对着发动机同轴联接的启动飞轮齿圈。用电涡流传感器传送出转角信号，然后用计数器记录转角信号之间的时间间隔，用每一角度分辨率下的平均转速近似代替瞬时转速；通过加速度传感器来测量振动冲击相位信号。具体做法是：在柴油机每个缸的缸体上方加装一个加速度传感器，根据振动传递规律，各个传感器测得的最大振动冲击即为其所在位置缸的点火爆发冲击。结合键相信号标记的起始缸活塞上止点位置以及柴油机的点火顺序即可得到振动冲击相位信号。

传感器采集到的物理信号，通过数采器进行A/ D转换后发送到数据应用管理器上，再经过数采软件、中间软件最终显示到电脑客户端上。客户端具有数据存储、处理功能，可显示机组运行状态图、历史比较图，进行频谱、功率分析等。可实现对机组的实时在线监测，记录实验数据。

3.3故障模拟实验及结果分析

3.3.1故障模拟实验

本实验台使用的是6缸直列式柴油机，喷油泵上每个汽缸都单独对应有一个喷油孔。任选一缸，采用单缸断油法模拟其失火故障。以6号缸为例模拟失火故障，开展实验。图7为正常点火情况下瞬时转速波动图与缸体振动波形图。图8为单缸失火情况时低转速和高转速工况下瞬时转速波形图与缸体振动波形图。

3.3.2实验结果分析

六缸柴油机的点火顺序为1-5-3-6-2-4，相邻点火缸之间有120°相位差。对比分析可得：

（1）正常工作情况下，柴油机输出的瞬时转速以及缸体振动冲击均能看到间隔120°相位的6个点火冲击波。

（2）不同工况下，单缸失火对应的瞬时转速波形图都出现抖动且第四个波峰出现明显削峰现象，该位置为6号缸点火相位处。

（3）单缸失火情况下，不同缸的振动波形图中第四个冲击缺失，正对应6号缸点火相位处。

图7　正常点火情况下瞬时转速波动及6号缸振动波形图

图8　单缸失火情况下不同转速时瞬时转速波动及缸体振动图

分析可知，缺失的波峰是由于6号缸失火造成。故根据瞬时转速波形以及振动冲击相位波形图变化情况可以判断柴油机失火故障并准确定位故障缸位置。这与理论模拟结论是一致的。

4　结语

首先通过理论分析研究柴油机力学模型，推导瞬时转速表达式，从理论上证明了瞬时转速可反映缸内燃烧做功情况。然后建立复杂多缸柴油机传动机构三维模型，并对模型进行仿真计算，得出了瞬时转速以及缸体振动波形图在失火情况下的故障特征。最后，搭建故障模拟试验台，通过实验验证了上述方法对于一般多缸柴油机的有效性。得到的主要结论如下：

（1）建立复杂多缸柴油机模型，仿真模拟正常及失火故障情况下的瞬时转速及缸体振动波形图，证明了瞬时转速及缸体振动对于失火类故障诊断、准确定位的有效性。

（2）搭建的柴油机运行状态在线监测系统取得了良好的实验效果，为基于瞬时转速及缸内发火相位上振动冲击信号的柴油机失火故障诊断方法的实际应用打下了一定基础。

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Study on Fault Diagnosis Method for Diesel Engines Based on Instantaneous Speed and Impact Signal

GAO Zhi-long1，HUO Bai-qi2，TANG Song-lin3，YAO Zi-yun1，Zhang Jin-jie1

（1.Beijing Key Laboratory of Health Monitoring Control and Fault Self-recovery for High-end Machinery，Beijing University of Chemical Technology，Beijing，100029，China；2.NavalAcademy ofArmament，Beijing 100161，China；3.Petro China Yunnan Petrochemical Co.Ltd.，Yunnan 650300，China）

A three-dimensional solid model of a multi-cylinder diesel engine is established.The instantaneous speed waveform diagrams under normal and abnormal combustion situations are simulated.The fault characteristics are analyzed. With the WP10.340E32 diesel engine as the object，a test bench for diesel engine fault simulation is built，and an on-line monitoring system for monitoring the operation condition of the engine is established to simulate and capture misfire fault of the diesel engine.Comparing the normal signals with the abnormal signals of the acquired instantaneous speed and cylinder vibration signals，the internal relation between the misfire fault and the characteristics signals is analyzed.The simulation and experimental results show that the combination of the instantaneous speed with the vibration signals can effectively identify the misfire fault of the diesel engine and locate the faulty cylinder accurately.And the diagnostic process is also simplified.

vibration and wave；diesel engine；misfire；instantaneous speed；impact of firing phase；fault diagnosis

TH165+.3

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.04.033

1006-1355（2016）04-0156-05+182

2016-01-21

973计划资助项目（2012CB026005）；863计划资助项目（2014AA041806）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（JD1506）

高志龙（1989-），男，陕西省汉中市人，硕士研究生，研究方向为活塞式发动机运行状态智能在线监测及故障诊断。

张进杰，男，博士后，研究方向为往复机械故障监测诊断与节能优化关键技术。E-mail:zjj87427@163.com