基于加窗和EEMD的船用柴油机拉缸故障诊断∗

王 宇 张永祥 姚晓山

（1.海军工程大学动力工程学院 武汉 430033）（2.空军预警学院军械技术系 武汉 430021）

1 引言

拉缸故障是船用柴油机极易发生的故障之一，发生严重拉缸故障时，不仅会使柴油机损坏，还会引起人员安全事故。因此柴油机拉缸故障一直引起人们的高度关注，并进行了广泛研究。早在二十世纪八十年代，国内外就对拉缸故障进行了理论分析和试验研究。近年来，许多专家学者从拉缸产生机理、拉缸的信号特征、降低拉缸的活塞环材料选配等方面进行了基础性研究。文献［1］为降低柴油机拉缸的风险，研究了不同活塞环材料对拉缸的影响，从材料的微观组织、摩擦系数上进行分析，发现了拉缸不同阶段的机理。文献［2］应用声发射技术监测拉缸故障，发现在磨损试验机上可以通过声发射信号和小波包分析监测拉缸，但在实际应用上还存在困难。文献［3］通过磨损试验机试验研究，揭示了摩擦副材料的金相组织、摩擦力、及摩擦副表面形貌对拉缸的影响。文献［4］应用三体磨粒磨损机理模拟发动机拉缸故障，对测量的发动机机体振动信号进行时域、频域以及时频域分析，发现拉缸时将激起2kHz～6kHz频率上的振动；通过分析振动信号的最大值、能量、峭度等参数，发现拉缸时会有明显变化。宋力喆［5］等对柴油机拉缸进行了动力学仿真，研究表明当发生拉缸故障时，活塞经过上、下止点其加速度信号会发生剧烈震动，产生冲击信号。Hsiao Yeh Chu［6］等通过试验研究了以金刚石纳米粒子作为润滑油添加剂的润滑油当添加剂浓度不同时其抗拉缸的能力大小。

尽管国内外已有众多学者对拉缸故障进行分析研究，但直至今日尚未见到用于现场监测柴油机拉缸故障的商业产品，其根本原因是：一柴油机是一个复杂的往复式机械设备，结构复杂、振源众多，且在时域、频域与拉缸产生的振动、声信号重叠，拉缸信号难以从强背景噪声中分离出来；二拉缸故障实机模拟困难、风险较大。本文为实现船舶柴油机拉缸故障诊断，采用已发生拉缸的6-135柴油机缸套活塞模拟拉缸故障，通过测量柴油机机体的振动信号，采用加窗［7］、EEMD［8］信号分析方法，识别诊断柴油机拉缸故障。

2 加窗和集合经验模态分解的基本原理

2.1 加窗

柴油机振动激励源众多，对拉缸故障信号影响较大的振源主要包括活塞撞击缸套、气阀开启和关闭、气缸压力等，活塞撞击主要发生在上下止点附近，由于侧压力换向而产生。对于6135柴油机，某一缸的信号不仅与自身振动激励有关，还受到其他缸振动激励的影响。图1为6135柴油机主要振源激励相位图。

图1 6135柴油机主要振源激励相位图

图中0°为压缩上止点，进气阀开启角和排气阀关闭角大小为20°，进气阀关闭角和排气阀开启角大小为50°。由图1可以看出，信号由于发生重叠而难以分离。如某缸做功冲程不仅包含自身振动源信号，还受到其他缸的气阀起落冲击和活塞撞击激励的影响。因此需要运用加窗的方法提取有效信号段进行分析。研究表明：柴油机拉缸最容易发生在做功冲程，从图1可以看出，在柴油机的压缩上止点后60°～80°这一段信号受其他缸影响较小，基本只受到自身激励信号的作用，再考虑到信号重叠干扰和拉缸信号获取的难易程度，所以选择这一段信号进行柴油机拉缸故障诊断。为了获取压缩上止点后60°～80°这一段信号，设计一矩形窗函数，保留该段信号，其他曲轴转角段信号为零。

2.2 集合经验模态分解

EEMD是在EMD［9］的基础上针对EMD的模态混叠问题做的改进，其基本原理是在EMD的分解过程中加入不同幅值的高斯白噪声，由于白噪声是随机产生，互不相关，在多次平均之后噪声就相互抵消，可以在一定程度上抑制了EMD的模态混叠问题，进而提高了信号分解的准确性。对于EEMD来说最重要的是添加的白噪声的幅值以及集合平均次数这两个参数：若是白噪声幅值过大，会大大增加计算量或者使分解信号的残余噪声过多；若是过小则不能起到抑制模态混叠的作用；集合平均次数越大也会增加计算量，文献［10］通过利用相关系数、相对均方根误差准则和信噪比分析，自适应的确定了最优的白噪声幅值系数K为0.2倍的信号标准差和集合平均次数m为50，不但能抑制模态混叠现象，而且计算量也较小。EEMD分解的算法流程如下：

1）给原始信号x（t）加上一组随机的白噪声N1（t），得到总体X1（t）：

2）对得到的新信号X1（t）进行EMD分解，得到一组基本模态分量（Intrinsic mode function，IMF）C1j（t），j=1-n。

式中C1j（t）为第一组EMD分解得到的第j个IMF，r1n为分解后的剩余分量。

3）给原始信号x（t）加上不同的白噪声Ni（t），i=2-m，组合后形成新的信号Xi（t），重复式（1）、（2）的步骤。

4）对所得到的m组IMF对应取均值，并作为最终得到的IMF。

3 试验与分析

3.1 试验过程

为了研究柴油机拉缸故障诊断方法，我们选择以6-135柴油机为研究对象，该柴油机与一台100kW的电力测功器相连，柴油机启动时由电力测功器倒拖，在柴油机工作时作为发电机改变柴油机负载。柴油机拉缸故障模拟非常困难，常用的方法有增大活塞从而减小活塞与缸套间的间隙、调节水温或者在润滑油内添加磨粒，但这些方法不易控制，且拉缸故障风险很大，难以把握，为了真实模拟柴油机拉缸故障，选用一套已经发生拉缸的活塞、缸套作为柴油机拉缸试验件，以确保柴油机工作时产生拉缸。为了避免拉缸时引起柴油机整机损坏，试验时分两个阶段并逐步加载。第一阶段为6-135柴油机各缸正常试验，测量获取柴油机在不同转速、不同负荷工况时的振动、转速、上止点等信号。第二阶段，首先是由电力测功器倒拖柴油机，测量振动等信号，然后分别在900r/min、1200r/min和1500r/min时测量空载和部分负荷工况时柴油机振动等信号。为防止柴油机产生严重拉缸，采用逐渐增加柴油机负荷，且只加载到额定负荷的20%。为了验证柴油机各试验工况是否产生拉缸，每次试验后用内窥镜检验。为了便于柴油机机体振动信号的测量，将拉缸的缸套和活塞安装于柴油机第一缸。根据6-135柴油机的结构，柴油机拉缸信号主要由缸套与机体的上凸缘传递至机体，所以在第一缸活塞上止点对应的机体位置上粘贴了加速度传感器转接块，并在垂直和平行于缸套轴线方向安装了2个加速度传感器，传感器的型号为BK4534B，频宽为0.2kHz～12.8kHz，信号采集采用的是B & K公司的3053-B-120型数据采集模块，采样频率为65536Hz。

在试验过程中我们测取了多个工况的加速度信号，由于篇幅所限，这里仅给出部分典型工况的数据。图2为6-135柴油机900r/min、空载工况正常和拉缸状态下的机体加速度信号，为了便于观察将横坐标由时间转变为角度。

从图2中可以看出多缸机加速度信号比较复杂，主要包含了活塞撞击激励信号、气阀起落激励信号以及缸内压力信号等，信号重叠严重，很难从图中直接判断出柴油机拉缸故障。根据文献［11］和文献［12］，活塞撞击信号和气阀落座信号都是高频信号，信号能量主要集中在2kHz～7kHz，最高达10kHz。

图2 正常与拉缸状态下的加速度信号

3.2 试验数据分析

利用加窗方法对各工况的加速度信号进行处理，并对加窗后的加速度信号进行能量计算和频谱分析，加窗位置在第一缸压缩上止点后60°-80°（数据点数为188），数据分析长度为50个工作周期。

图3为6-135柴油机在900r/min、空载工况时正常与拉缸状态下的加窗后加速度信号及其频谱图，表1为加窗后对应工况的能量。

图3 正常与拉缸状态下加窗后加速度信号及频谱图

表1 典型工况下拉缸与正常时加窗信号能量值

拉缸信号是高频信号，频带较宽，从图3和表1中可以发现，在同一工况下，柴油机发生拉缸故障后，其故障缸的信号在2kHz-10kHz频率段的幅值明显大于该缸在正常状态下的，能量也较正常情况时信号的能量大，大约为4倍。试验数据分析表明：对于拉缸状态下加窗后的能量比正常状态下高，高频信号能量增加突出，可以作为柴油机拉缸故障诊断的依据。

同理，我们对上述工况的加速度信号按2至6缸的压缩上止点后60°-80°分别进行加窗处理，并计算能量和频谱分析，此时曲柄转角的0°位置为各缸的压缩上止点。结果见图4和表2。

图4 900r/min、空载工况时拉缸状态下部分缸加窗后加速度信号图及频谱图

表2 典型工况下拉缸状态时各缸的加窗信号能量

试验数据分析表明：柴油机单缸发生拉缸故障时该缸加速度信号在2kHz～10kHz频率段的幅值以及信号能量都大于同一工况下其他未拉缸的信号，能量大约是未拉缸信号的10倍。所以，可以通过对加窗信号的频谱分析和能量计算初步实现故障缸的定位。

为了进一步对拉缸故障进行精确诊断，对1200r/min、100N·m工况下拉缸状态加窗后的加速度信号分别进行EMD和EEMD分解，图5（a）、（b）分别为经EMD和EEMD分解后的前三阶IMF。

图5 加窗后加速度信号EMD和EEMD的分解结果

表3 典型工况下正常和拉缸时加窗信号前3阶IMF能量

从图5可以看出，信号经EMD分解的IMF与实际的拉缸信号相比相差较大，而EEMD分解的IMF与实际拉缸信号较为一致。因为柴油机振源众多，拉缸信号受影响因素较多，导致EMD在分解时容易产生模态混叠现象，故EMD不适合处理拉缸信号。而EEMD可以克服EMD模态混叠，能够用于柴油机拉缸故障诊断。依次将加窗后的加速度信号进行EEMD分解，分解得到16个IMF分量和一个残差，分析发现对于拉缸信号影响最大的是前三阶IMF。计算前三阶IMF的能量值并对由前3阶IMF重构的信号进行频谱分析，具体结果如表3和图6。

图6 1200r/min、100N·m工况下拉缸与正常时重构信号的频谱图

从表3和图6可以发现：一旦柴油机发生拉缸故障，则故障缸加速度信号加窗后经EEMD分解的前三阶IMF能量都比同一工况下未发生拉缸时的能量大，大约为6～9倍，且由前3阶IMF重构信号的频谱图可以发现，柴油机拉缸时故障缸重构信号的高频信号明显增加，大约增加2-3倍，主要增加段为8.5kHz～11kHz和13kHz～16kHz段。所以通过对加窗后的信号进行EEMD分解，并计算前三阶IMF的能量值以及对前3阶IMF重构信号进行频谱分析，能够实现柴油机拉缸故障的诊断。

同理，我们对1缸发生拉缸时的其余2至6缸加速度信号加窗后进行EEMD分解，得到其前3阶IMF能量分布以及前3阶IMF重构信号频谱图，如表4和图7。

表4 1200r/min、100N·m工况下拉缸时加窗信号前3阶IMF能量值

试验数据分析表明：当柴油机发生拉缸故障时，故障缸的加速度信号经加窗和EEMD分解后的前三阶IMF的能量都比其他缸信号的大，大约为10-20 倍，重构信号在 8.5kHz～11kHz和 13kHz～16kHz段的幅值明显增加，大约增加2-3倍。所以在柴油机发生拉缸故障时，可以通过计算加窗和EEMD分解的前三阶IMF能量以及对重构信号频谱分析实现故障缸的定位。

图7 1200r/min、100N·m工况时拉缸状态下部分缸重构信号频谱图

综上所述，当船用柴油机发生拉缸故障时，对加窗后加速度信号进行EEMD分解，在计算前3阶IMF的能量及对重构信号进行频谱分析，能够更加准确有效地实现拉缸故障诊断。

4 结语

1）采用已产生拉缸的活塞缸套装入柴油机某缸进行拉缸试验研究，是一种行之有效的方法。

2）合理选取加窗参数，可有效提取柴油机的拉缸故障信号，减小其他振源对拉缸故障信号的影响。

3）船用柴油机发生拉缸时，其加窗段的信号能量要比不拉缸时的能量大；拉缸缸对应的加窗信号能量要比其他未发生拉缸缸对应的加窗信号能量大。拉缸缸经EEMD分解后的重构信号在8.5kHz～11kHz和13kHz～16kHz段的幅值明显增大，据此可实现船用多缸柴油机某缸拉缸故障的判别和定位。

4）与EMD相比，EEMD可以克服其模态混叠现象，而且利用前3阶模态（IMF）的能量分布以及重构信号的频谱分析可以更加有效地进行船用柴油机拉缸故障的诊断。