二冲程柴油机瞬时转速法诊断机理研究

王　磊，向　阳，王　帅

二冲程柴油机瞬时转速法诊断机理研究

王磊1，2，向阳1，2，王帅1，2

（1.武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063；2.船舶动力系统运用技术交通行业重点实验室，武汉 430063）

为了探究瞬时转速法的诊断机理，以5S50ME型二冲程柴油机为研究对象，测得柴油机在正常状态和故障状态时不同工况下的瞬时转速信号，得到不同工况下瞬时转速的变化规律，在此基础上，通过分析各工况下的瞬时转速波形图和频谱图，提出谐波幅值比和波动率峰值两种能有效反应柴油机故障状态的特征参数。以5缸机为研究对象，若1次谐波分量和5次谐波分量的谐波幅值比大于某一阈值，则说明柴油机存在单缸故障，并且故障缸为波动率峰值最小的缸。

振动与波；二冲程柴油机；瞬时转速；故障诊断；谐波幅值比；波动率峰值

柴油机气缸内的燃烧情况直接影响柴油机的工作状况，监测气缸内的燃烧情况是柴油机故障诊断的重要环节。一般来说，直接测取气缸压力信号进行分析是了解缸内燃烧情况最有效的手段。然而，气缸压力传感器存在价格昂贵、安装需破坏柴油机结构、使用寿命较短等问题，在实际应用中受到很大限制。在稳定工况下，气缸内气体压力的波动会直接体现在瞬时转速的波动中，因此可以通过测取和分析瞬时转速信号来监测气缸内的燃烧情况。而且瞬时转速传感器安装方便，价格便宜，不会受到燃烧室高温气体的影响，使用寿命较长，相对气缸压力监测而言更具实用性［1］。

近年来，国内外许多学者都进行了柴油机瞬时转速方面的研究。余永华利用模糊逻辑推理，通过瞬时转速信号判断出功率不足的缸，再通过示功图性能参数和各缸排气温度识别引起单缸功率不足的原因［2］。程利军等对柴油机不同工况、不同转速情况下瞬时转速信号的变化规律进行分析，提取各缸相应的参数来判断各缸工作不均匀性故障［3］。彭思思以Lab VIEW软件为开发平台，综合运用热力参数监测法、瞬时转速监测法、振动监测法等多种方法对机舱的两台主推进柴油机和两台柴油发电机进行状态监测和故障诊断［4］。王金福在分析和比较不同信号处理算法的基础上，选用合适的频域分析方法，有效地提高了机械故障诊断的精度和可靠性［5］。肖小勇以内燃机扭振理论为基础，建立了瞬时转速的谐次诊断模型，提出了基于瞬时转速多谐次相位分析法的柴油机定位诊断技术［6］。Fernando Cruz-Peragon等通过曲轴瞬时转速信号和神经网络技术来反演气缸压力，进而对缸内燃烧情况进行故障诊断［7］。Roger Johnsson利用瞬时转速、机身振动信号以及径向基神经网络技术，对气缸压力信号进行了重构［8］。Charles P提出了瞬时转速极坐标图法，利用低频部分的瞬时转速时域波形来定位故障缸［9］。很多基于瞬时转速的故障诊断研究都集中在四冲程柴油机，对于二冲程柴油机的研究则较少，而二冲程柴油机由于转速较低，功率较大，在大型低速船舶上应用广泛。

本文以5S50ME型二冲程柴油机为研究对象，以测取的瞬时转速信号为基础，通过分析瞬时转速波形图和频谱图，提出了基于谐波幅值比和波动率峰值两种特征参数的诊断规则。

1　瞬时转速的测量原理和方法

瞬时转速的测量是一种间接测量方式，包括两个部分：第一是测取传感器产生的原始信号，第二是从原始信号中提取瞬时转速信号。

1.1原始信号的测取

磁电式测量法是瞬时转速测量中一种常用的方法，它是将磁电式转速传感器正对于飞轮齿安装，并利用飞轮旋转时产生的磁通不均而感应出类正弦的电压信号。图1为磁电式测量法测量系统示意图。

图1　磁电式测量法测量系统示意图

根据电磁感应原理，磁通量的交替变化将导致传感器产生类似正弦变化的电压信号E，其周期相当于飞轮齿一个分度对应的时间。若一个分度扫过磁电式传感器时，柴油机转速高，则所需时间就短，也就意味着电压信号E此时的周期短、频率高；反之，周期长、频率低。试验对象为宜昌船舶柴油机厂5S50ME型主机，飞轮齿数为121，缸数为5，齿顶和齿面较宽，实测瞬时转速在93 r/min，采样率为10 kHz下的原始电压信号见图2。

图2　二冲程柴油机瞬时转速原始电压信号

1.2瞬时转速信号的提取

根据磁电式测量机理可知，低转速下，磁通量变化较慢，感应电压小，在齿顶和齿根部通过传感器时，感应电压零点较多，但峰值较为尖锐。针对这类信号，可以根据峰值拾取法，即通过检测对应波峰或波谷的时间序列｛t1、t2、…、tn｝来求取瞬时转速，公式为：60 fs/［z（tj-tj-1）］，式中tj-tj-1为两相邻峰值的时间差，z为飞轮齿数，fs为采样率。

图3　二冲程柴油机瞬时转速时域波形

从图3中可以看出，利用峰值拾取法能很好地提取出二冲程柴油机瞬时转速信号。提取出的瞬时转速信号抗干扰能力强，信号特征明显，出现了与缸数相同的5次波动，能有效地反映缸内做功一致性情况。

2　瞬时转速法诊断机理

2.1试验测取的瞬时转速波形图及频谱图

试验以5S50ME型柴油机为研究对象，测取了柴油机在不同工况下正常状态和故障状态时的瞬时转速信号，并进行比较分析，为后续特征参数的提取提供依据。柴油机额定功率为6 050 kW，额定转速为99 r/min，发火顺序为1-4-3-2-5，柴油机曲轴通过减速齿轮箱与水力测功器相连。试验在测取曲轴瞬时转速的同时，还测取了1号缸的上止点信号，作为截取一个工作循环的标记。瞬时转速传感器正对于飞轮齿安装，而上止点传感器正对于焊在飞轮上的尖劈进行安装，对应着1号缸的上止点。实验采用NI 9205电压采集模块和NI 9172机箱组建的便携式数据采集设备，对瞬时转速原始信号和上止点信号进行同步采集。本试验选取的工况点如表1所示。

图4为不同工况下一个工作循环内的瞬时转速波形图，图中各波峰从左向右的顺序代表柴油机各缸发火顺序，对应的频谱图见图5。

图4　不同工况下一个循环的瞬时转速波形图

表1　试验所取工况点

从图4中可以看出，正常状态下各工况的一个工作循环内瞬时转速波形均具有5个明显的波峰；而在1号缸发生漏油故障时，1号缸发火产生的波峰明显下降，同样地，在4号缸和5号缸发生漏油故障时，4号缸和5号缸发火产生的波峰也明显下降。

从图5中可以看出，正常状态下各工况的瞬时转速频谱图主要表现为在5倍频（5次谐波分量）处出现较大峰值，其它倍频处峰值相对较小；而故障状态时，频谱图发生了明显变化，1倍频（1次谐波分量）处出现了较大峰值，甚至超过了5倍频处峰值。

2.2瞬时转速特征参数的提取

通过对以上不同工况时的瞬时转速波形图和频谱图进行观察比较，可以看出：正常状态下，频谱图中主要在与缸数一致的5倍频处出现明显较大的峰值，而在1倍频处几乎没有出现峰值；当某缸发生故障时，频谱图中在1倍频处出现了较大峰值，甚至超过5倍频处峰值。因此，可以通过提取频谱图中1次谐波分量和5次谐波分量的幅值比作为识别故障的特征参数。

图5　不同工况下瞬时转速的频谱图

由于在不同转速下，瞬时转速波形的峰值大小亦不同，这将给特征参数的阈值设置带来不便，而且瞬时转速的波动规律主要体现在瞬时转速与平均转速的偏差上。因此，采用瞬时转速波动率来对瞬时转速进行无量纲化处理。

表2为提取的特征参数，包括各瞬时转速波动率峰值εi（i=1、2、…、5）和频谱中1次谐波分量幅值A1与5次谐波分量幅值A5之比εf（εf=A1/A5）。

从表2中可以发现，正常状态下，各工况下的εf均小于0.2；一旦发生单缸故障时，εf值明显上升，达到1以上，甚至超过2。试验进行的是第1缸、第4缸和第5缸漏油故障，从表中可以看出，它们所对应的波动率峰值ε1、ε2和ε5相对正常状态时有明显下降，且明显小于其它缸对应的峰值。

通过对表中各工况下特征参数值的对比分析，可以确定谐波幅值比εf和波动率峰值εi是诊断单缸故障的有效参数。通过观察不同工况下的参数值，进一步可以发现，εf值的变化与柴油机的转速和负荷不存在依赖关系，主要取决于柴油机的工作状态是否正常；而波动率峰值大小虽然会随着转速或负荷的变化发生微小变化，但当某缸发生故障时，所对应的峰值会发生明显变化，并且故障越严重，峰值变化越剧烈。因此，可以将谐波幅值比作为判断柴油机是否发生单缸故障的特征参数，并结合各缸对应的波动率峰值来定位故障缸。

3　瞬时转速法诊断规则

图6为基于谐波幅值比和波动率峰值两种特征参数的诊断流程图。

4　结语

本文为研究二冲程柴油机瞬时转速法的诊断机理，以5S50ME型二冲程柴油机为研究对象，通过分析瞬时转速信号的转速波形图和频谱图，提出了谐波幅值比和波动率峰值两种特征参数，并得出基于瞬时转速的诊断规则。

表2　瞬时转速特征参数表

图6　诊断流程图

［1］范志勇.基于曲轴转速波动分析的内燃机故障诊断研究［D］.大连：大连海事大学，2006，3.

［2］余永华.船舶柴油机瞬时转速和热力参数监测诊断技术研究［D］.武汉：武汉理工大学，2007，5.

［3］程利军，张英堂，李志宁，等.基于瞬时转速的柴油机各缸工作均匀性在线监测方法研究［J］.噪声与振动控制，2011，31（6）：183-187.

［4］彭思思.海洋救助船主要动力设备监测与诊断系统的研究与设计［D］.武汉：武汉理工大学，2011，4.

［5］王金福，李富才.机械故障诊断的信号处理方法：频域分析［J］.噪声与振动控制，2013，33（1）：173-180.

［6］肖小勇.船舶柴油机智能诊断技术与应用研究［D］.武汉：武汉理工大学，2013，5.

［7］FERNANDOCRUZPERAGON，FRANCISCOJ，JIMENEZ-ESPADAFOR.Combustion faults diagnosis in internalcombustionenginesusingangularspeed measurements and artificial neural networks［J］.Energy& Fuels，2008，22（5）：2972-2980.

［8］JOHNSSON ROGER.Cylinder pressure reconstruction based on complex radial basis function networks from vibration and speed signals［J］.Mechanical Systems and Signal Proeessing，2006，20（8）：1923-1940.

［9］CHARLES P.Detecting the crankshaft torsional vibration of diesel engines for combustion related diagnosis［J］. Journal of Sound and Vibration，2009，321（3-5）：1171-1185.

Study on the Mechanism of Instantaneous Speed Diagnosis Method of Dual-stroke Diesel Engines

WANGLei1，2，XIANGYang1，2，WANGShuai1，2
（1.School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China；2.Key Laboratory of Marine Power Engineering and Technology，Ministry of Communications，Wuhan 430063，China）

Taking a 5S50ME dual-stroke diesel engine with 5 cylinders as the object，the diagnosis mechanism of the instantaneous speed method is studied.The instantaneous speed signals in normal operation state and fault operation state of the engine are measured.The variation law of the instantaneous speed in different operation conditions is obtained.On this basis，by analyzing the instantaneous speed waveform diagram and spectrum diagram，two characteristic parameters，volatility peak and harmonic amplitude ratio，are proposed which can effectively reflect the fault status of the engine.If the harmonic amplitude ratio of the 1st-order harmonic component to the 5th-order harmonic component is greater than a certain threshold，there is a single-cylinder fault in the diesel engine，and the cylinder which has the minimum volatility peak is the faulty cylinder.

vibration and wave；dual-stroke diesel engine；instantaneous speed；fault diagnosis；harmonic amplitude ratio；volatility peak

TP206+.3

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.029

1006-1355（2016）03-0142-05

2015-12-29

国家自然科学基金资助项目（51279148）

王磊（1992-），男，陕西省铜川市人，硕士生，主要研究方向为动力机械状态监测与故障诊断。E-mail：1356064917@qq.com

向阳，女，博士生导师，主要研究方向为振动噪声分析与控制、动力机械状态监测与故障诊断。E-mail：yxiang@whut.edu.cn