基于缸盖振动信号分析的柴油机工况识别

发布日期:2009/12/9 点击次数:4477

摘要：柴油机缸盖振动信号富含气阀落座、气体爆发压力等激励的响应信号。通过对缸盖振动信号的监测可及时发现燃烧异常、气阀间隙异常等状态信息。文中分别提取了气体爆发压力和气阀落座激励的缸盖振动特征信号，然后采用时间序列方法对信号进行分析，提出了相关的状态特征参数。

关键词：柴油机；缸盖振动；信号分析；故障诊断

0前言

柴油机缸盖受进、排气阀落座，喷油器针阀落座，气体爆发压力，缸盖与缸体的耦合力等激振力以及其它缸体振动的影响，使得柴油机缸盖具有振源多、形态复杂、振动类型多样等特点。而缸盖的振动信号体现了各激励源的状态信息。对柴油机缸盖的振动监测与信号分析可及时发现气阀间隙的异常，分析柴油机内部燃烧状况等功能。本文通过实时监测柴油机缸盖振动信号，分别截取气阀激励的响应信号，以及气体力激励的响应信号，然后采用时间序列分析方法对特征信号进行分析，提取相关的特征参数，用于柴油机的状态监测与故障诊断。

1实验方案

以6260ZC型增压四冲程柴油机为试验对象，该机为6缸直列式，缸径260mm，活塞行程340mm，额定转速400r/min，额定功率370kW。气阀正时（以曲柄转角计）：进气阀在上止点前73°开，下止点后37°关；排气阀于下止点前45°开，上止点后65°关。喷油提前角为上止点前8°~14°。

试验中为考察的针对性，分别在第1、2缸进气阀附近的缸盖和排气阀阀壳上布置YD系列加速度传感器。采样频率为14kHz，采样长度为16383点。信号的分析与处理在自编程序《柴油机振动信号分析与故障诊断系统》中完成。为对缸盖信号进行识别，同时对应监测了第1缸上止点信号。试验条件如表1所示。

2船舶柴油机缸盖振动特征识别与分析

根据四冲程柴油机原理，进、排气阀开启时，由于受换气机构中顶杆—摇臂机构的撞击作用，对缸盖有一个冲击力，这个冲击力相对较小，信号不太明显。进、排气阀关闭时，由于受气阀弹簧的回复力作用，气阀对阀座产生一个撞击力，且冲击力较大。由此可见，四冲程柴油机在一个工作循环中，进、排气阀各有两次瞬间激励。缸内气体爆发压力的降低有一个过程，表现在缸盖振动信号的持续时间较长。图1为推进特性，75%负荷，转速为363r/min，排气阀阀壳和进气阀侧缸盖的振动时域信号图，结合上止点信号，可以对各幅值频段进行识别。

表1 试验条件一览表

(a)排气阀阀壳盖

(b)进气阀侧缸盖

图1柴油机缸盖振动时域信号

由图1可以发现，气阀落座由于受弹簧恢复力作用直接作用于缸盖上的阀座。所以撞击力较大，激起缸盖振动的幅值较大；气体力激励缸盖及阀壳的振动信号明显呈下降的趋势，这是因为气体力在最高爆发压力之后是逐渐减小的，与实际相符。

通过对机体表面振动信号的识别和提取，然后就可对相应的特征信号进行分析。在截取时域信号过程中，可以采用中心取值的办法，即首先找到某特征信号，然后根据该特征波峰所对应的点，分别向前、向后截取一段数据，数据长度视具体对象而定，截取的信号中应尽量不要包含其它的特征信号。

2.1柴油机燃烧激励响应信号分析

由柴油机原理可知，当转速保持不变，柴油机的有效功率与平均有效压力成正比。当柴油机的负荷改变时，改变相应的循环喷油量，这就意味着缸内气体平均有效压力随之改变，而缸内气体力的变化可反映在缸盖的振动上。理论上讲，利用缸盖的振动可以监测柴油机负荷的变化。

为考察负荷变化对柴油机缸盖振动的影响，试验在额定转速下，按负荷特性进行。试验条件分别为50%负荷、75%负荷、90%负荷、100%负荷。根据气门定时，从进气阀侧柴油机缸盖的振动信号中截取对应燃烧激励响应段进行分析。为了同时运用参数法和非参数法进行功率谱估计，这里截取样本长度512点。在用参数法进行功率谱估计前，首先需对样本数据进行建模。本文采用时序AR（自回归）模型，建模中采用AIC准则函数法进行模型定阶，采用最小二乘法进行参数估计。图2为分别用非参数法和参数法估计的振动信号功率谱图，所对应的总功率如表2所示。

由图2可以看出，采用非参数法和参数法所估计的功率谱图形非常相似，而且表2显示两种方法所估计的总功率相差不大，可见所建立的AR模型是适合的。而基于参数方法所估计的功率谱图较非参数方法所得的谱线光滑，谱峰尖锐，频率定位较准确。同时在参数法估计功率谱时，不存在加窗处理问题，适用于短样本分析。而柴油机缸盖振动激励源的激励时间较短，属短样本信号。因此，本文主要采用时间序列分析方法。

(a)50%负荷

(b)75%负荷

(c)90%负荷

(d)100%负荷

图2不同载荷下缸盖振动功率谱图

表2 非参数法与参数法所估计功率对应表

另外，由图2可以看出，气体力激励缸盖响应信号的能量主要集中于1.5kHz~2.5kHz的频段范围内，中心波峰处于2kHz左右，且随着负荷的增加，该频段内的能量明显增加。图2中AR谱所对应的总功率、1.5kHz~2.5kHz频段内的带中功率及其带中功率比如表2所示。

当柴油机燃油喷射系统异常时，很容易产生后燃现象。由于后燃的燃油压力低，雾化不良。由此产生燃油不完全燃烧、排气温度高、排气冒黑烟、甚至在喷油器喷孔积炭堵塞等异常。基于柴油机缸盖振动的监测也可检测出燃烧的异常。大量试验表明，柴油机燃烧正常情况下，气体力激励缸盖振动的响应时间一般为20ms左右，由于发生了后燃，使得该响应时间变长，体现在振动时域波形中主燃烧激励波段明显变长，或在主燃烧激励波段后有一个后燃激励响应段波形，图3所示在100%负荷，转速400r/min时，进气阀侧缸盖的某次测量1.5kHz~2.5kHz的频段滤波后的信号。

通过以上的分析可见，从柴油机缸盖振动的响应信号中分离出气体力激励的响应信号，通过分析，可以对柴油机的工况进行有效的监控。以防止柴油机在超负荷或超低负荷的状况下运转，同时还可以监测因喷油器故障所导致的异常燃烧等。

图3燃烧异常时域信号图

2.2柴油机气阀敲击响应信号分析与故障诊断

气阀撞击是柴油机缸盖振动的主要激励源之一。对气阀机构进行运动学和动力学计算结果表明，当气阀间隙增大时，气阀落座速度增大，从而导致落座冲击的激励力和激励能量增大。根据这一机理，可截取气阀冲击激励段缸盖振动响应信号及其能量参数进行气阀间隙异常诊断。

试验表明，气阀落座冲击柴油机缸盖振动响应时间10ms左右，因此，这里截取对应的样本长度为140个点进行AR谱估计，图4为在负荷90%，转速386/min时，不同气阀间隙下，排气阀阀壳的振动时域信号及其时序功率谱图。

(a)气隙间隙为0.2mm

(b)气隙间隙为0.2mm

(c)气隙间隙为0.7mm

(d)气隙间隙为0.9mm

图4不同气阀间隙的缸盖振动AR谱及时域信号图

由图4的时域信号可以看出，随气阀间隙的增大，缸盖振动加速度的幅值明显加大。试验表明，正常间隙（0.4mm）时的最大幅值一般不超过400m/s2。图中时域信号的统计特征如表3所示。

由表3可以看出，随气阀间隙的增大，振动信号的“峰-峰”值、标准差、均方根都明显增大。这些参量也可作为柴油机气阀间隙异常的诊断判据。

表3 缸盖振动信号统计特征参数表

比较图4的功率谱可以看出，气阀落座冲击激励柴油机缸盖的振动信号功率谱图中功率的分布主要分为三个部分：0~2kHz频段，2kHz~5kHz频段和5Hz~7kHz频段。由图4明显可看出，随气阀间隙的增大，低频段部分越来越不明显，这部分主要是由柴油机缸盖的固有频率所引起。而2kHz以上高频率部分的能量明显增加，这部分主要是由气阀撞击所引起。可见，气阀落座冲击属高频激励源。各频率段功率分布如表4所示。

由表4可以看出，随气阀间隙的增加，缸盖振动信号的总功率、高频段振动功率都明显增加。当间隙增大到0.4mm以上时，2kHz~5kHz频段和5kHz~7kHz频段中的累计功率占总功率的85%以上。而且2kHz~5kHz频段中的功率比明显有增加的趋势。这说明，气阀间隙越大，振动功率越向该频率段内集中。由此可见，柴油机气阀间隙的变化，能较灵敏地反映在其缸盖的振动信号上。

表4 不同气阀间隙下缸盖振动功率及其功率分布

3结论

基于柴油机机体振动信号的监测，及其信号处理与分析，可有效地监测柴油机的工作状态，发现异常并及时采取措施，可大大提高柴油机的工作效率和安全性。本文通过对柴油机缸盖振动信号的分析。从中提取了燃烧激励、气阀落座激励振动响应的时域信号，然后对各信号进行数据建模、功率谱估计、滤波等分析与处理，得出以下结论：

1）时间序列分析方法对信号功率谱的估计，其谱线光滑、谱峰尖锐、频率定位准确，而且其功率谱估计不存在加窗处理和能量泄漏等问题，更适合柴油机特征信号的小样本分析。

2）气体力激励柴油机缸盖振动响应幅值随柴油机负荷的增加而增加，响应信号的功率多集中于1.5kHz~2.5kHz频段范围内，且柴油机的负荷越大，该频段内的功率越集中。另外，基于缸盖振动信号中气体力激励段响应信号的分析，还可以发现某些燃烧异常。

3）气阀撞击柴油机缸盖的振动响应幅值随气阀间隙的增大而增大，响应信号的功率多集中于2kHz~5kHz频段范围内，且随气阀间隙的增大，该频段的功率越集中。

作者：张仕海  来源：船舶工程