基于Hilbert-Huang變換的柴油機氣門漏氣故障診斷研究

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(海軍工程大學 船舶與動力學院, 武漢 430033)

在機械設(shè)備的故障診斷中,可以通過對設(shè)備振動信號的處理,提取設(shè)備的狀態(tài)信息。常用的信號處理和特征提取方法包括時域分析法和頻域分析法,一般對于平穩(wěn)隨機振動信號通過時域或者頻域分析便可提取設(shè)備的信息。但是,與普通隨機信號不同,柴油機缸蓋的振動信號是一種典型的非平穩(wěn)時變信號,具有局部沖擊的特點,用一般的時域或頻域分析都難以滿足特征提取的要求。單純采用時域或頻域分析都無法同時兼顧缸蓋振動信號的時域和頻域特性,并從中提取診斷特征參數(shù),而時頻分析方法則提供了一條新的途徑。本文通過分析缸蓋振動信號診斷氣門漏氣故障的機理,引入Hilbert-Huang變換(HHT)，對缸蓋振動信號進行時頻分析,突現(xiàn)其局部特征,實機診斷氣門漏氣故障取得了預(yù)期的效果。

1 Hilbert-Huang變換

Hilbert-Huang變換包括經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)和Hilbert變換兩個過程,其中最關(guān)鍵的部分是EMD分解[1-3]。EMD分解將復(fù)雜的信號函數(shù)分解為有限的本征模態(tài)函數(shù)(intrinsic mode function, IMF)之和,表示成：

(1)

式中：ci(t)——第i個本征模態(tài)函數(shù)；

rn(t)——剩余分量。

經(jīng)過EMD分解之后得到的每一個IMF所包含的頻率成分不僅與分析頻率有關(guān),而且最重要的是隨信號本身變化而變化,因此,EMD分解是自適應(yīng)的信號處理方法。更重要的是對信號進行EMD分解后,使得瞬時頻率具有了物理意義,從而可以計算每一個IMF分量的瞬時頻率和瞬時幅值,具體步驟如下：

對式(1)中的每個本征模態(tài)函數(shù)ci(t)作Hilbert變換得到：

(2)

構(gòu)造解析信號：

(3)

于是得到幅值函數(shù)和相位函數(shù)：

(4)

(5)

進一步可以求出瞬時頻率：

(6)

這樣,可以得到：

(7)

這里省略了殘量rn(t),RP表示取實部。展開式(7)稱為Hilbert譜,記作：

(8)

再定義Hilbert邊際能量譜:

(9)

式中：T——信號的總長度。

H(ω,t)精確地描述了信號的幅值在整個頻率段上隨時間和頻率的變化規(guī)律。需要特別指出的是,這里H(ω,t)、B(ω)中的頻率與傅里葉譜分析中的頻率意義是完全不同的，在某一頻率ω處能量的存在,僅代表在數(shù)據(jù)的整個時間長度上,很可能有這樣一個頻率的振動波在局部出現(xiàn)過。事實上,Hilbert譜是一個加權(quán)的聯(lián)合時間頻率幅度分布,在每一個時間頻率單元上的權(quán)值就是局部幅度值。于是,在邊界能量譜中某一頻率僅代表有這樣頻率的振動存在的可能性,這個振動波發(fā)生的精確時間在Hilbert譜中給出[4]。這為分析柴油機缸蓋這種典型非平穩(wěn)時變信號提供了一種新的方法。

2 診斷機理

作為燃燒室一部分的氣門,工作條件惡劣,氣門頭部底部直接與氣缸內(nèi)高溫氣體接觸,排氣門還受到高溫燃氣的沖刷作用;氣門的頻繁落座和敲擊的沖擊力相當大,氣門在氣體爆發(fā)壓力下容易產(chǎn)生變形,由于氣門配合部位過渡磨損或燒損將導(dǎo)致漏氣故障。為了從氣缸蓋表面的振動信號中獲取氣門是否漏氣的信息,必須了解缸蓋振動信號激勵源的基本特征。

缸蓋振動信號的主要激勵源有：氣體爆壓沖擊;排氣門落座沖擊;進氣門落座沖擊;排氣門開啟時氣體節(jié)流產(chǎn)生的沖擊等。氣門漏氣時,高溫高壓氣體通過很小的縫隙向外噴射從而形成對缸蓋的脈沖激勵力,引發(fā)表面的局部振動,這一脈沖激勵力的大小與缸內(nèi)壓力和漏氣程度有關(guān)。對不同的漏氣程度,激勵力的變化引起缸蓋振動特性的變化,從而使得通過對缸蓋振動信號的分析和處理來獲取有關(guān)氣門漏氣狀態(tài)的信息成為可能。

狹縫噴流的聲學特性研究表明：漏氣的聲學信號相當于一個準“白噪聲”信號,也就是說“漏氣作用力”的頻率范圍很寬。從缸蓋系統(tǒng)的響應(yīng)分析[5]可知,氣體爆壓作用是一個低頻 (<500 Hz)激勵力。這兩種作用力疊加到一起,“漏氣作用力”的低頻部分將被氣體爆壓激勵力掩蓋甚至淹沒,而高頻部分則比較明顯;另外,氣門漏氣使氣缸內(nèi)壓力降低,氣體爆壓沖擊減小,缸蓋對爆壓激勵力的響應(yīng)(低頻部分)也會相應(yīng)減小。因此,可以初步判斷,氣門漏氣使缸蓋振動信號的高頻部分能量增大而低頻部分能量減小。

因此,利用缸蓋振動信號對氣門漏氣進行診斷時,應(yīng)選擇氣缸內(nèi)外燃燒壓力差最大時的振動信號進行分析。具體來說,應(yīng)該選擇最大爆壓附近的缸蓋振動信號,分析其高頻成分,作為氣門漏氣的判斷標準。由于氣體爆壓產(chǎn)生的表面振動集中在中低頻成分,因此兩者之間并不存在沖突。

3 氣門漏氣故障診斷實例

進氣門由于受到氣流的冷卻作用,熱負荷相對較輕,發(fā)生故障的可能性較小,而排氣門的熱負荷重,發(fā)生故障的可能性大,且檢測更加困難。為了對比分析排氣門漏氣對缸蓋振動信號的影響,實驗在6135型柴油機上模擬排氣門漏氣故障。

將排氣門座密封面開兩個長2 mm、寬1 mm的缺口,測取正常與漏氣情況下缸蓋振動信號,結(jié)果見圖1。

其中信號是從柴油機工作周期中截取的最大爆壓附近缸蓋振動信號,分析點數(shù)為512個點(最高壓力點前3 ms為起始點),這段信號對氣門漏氣故障最為敏感。

a) 正常

b) 漏氣圖1 最大爆壓附近缸蓋振動信

圖2為其EMD分解結(jié)果,信號EMD分解的結(jié)果包含了從高到低不同頻率段的成分,從上述時間域上看不出兩種工況下在不同頻率段的能量分布,為了弄清各頻帶的能量隨時間分布情況,進一步求得其Hilbert譜如圖3和圖4所示。

a) 正常

b) 漏氣圖2 最大爆壓附近缸蓋振動信號EMD分解結(jié)

從Hilbert譜中可以看出,正常工況下燃燒激振能量主要集中在4～6 kHz區(qū)間,而漏氣時大于6 kHz的高頻區(qū)域能量明顯增加,這與氣門漏氣時柴油機表現(xiàn)出來的工作特性是一致的。進一步求得兩種工況下的Hilbert邊際能量譜見圖5。

圖3 正常工況下最大爆壓附近缸蓋振動信號的

圖4 漏氣工況下最大爆壓附近缸蓋振動信號的

a)

b)

從圖5中可以清晰地看出氣門漏氣時集中在4～6 kHz的燃燒激振響應(yīng)的能量減小,而大于6 kHz到12 kHz的高頻部分能量增加,這與氣門漏氣故障的原理相一致,此方法有效識別了柴油機氣門漏氣故障,與文獻[6]中采用的傅里葉譜分析方法相比更具優(yōu)越性。

4 結(jié)論

基于Hilbert-Huang變換的缸蓋振動信號處理和特征提取方法，通過對6135型柴油機氣門漏氣故障診斷表明有效,為柴油機故障診斷提供了一種很有應(yīng)用價值的方法。

[1] Huang N E, Shen Z, Long S R.The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis[J].Proceedings of the Royal Society of London Series,1998,454:903-995.

[2] Huang N E, Shen Z, Long S R.A new view of nonlinear water waves: the Hilbert spectrum[J].Annual Review of Fluid Mechanics,1999,31:417-457.

[3]于德介,程軍圣,楊 宇.機械故障診斷的Hilbert-Huang變換方法[M].北京:科學出版社,2006.

[4] 王 珍.基于局域波分析的柴油機故障診斷方法的研究及應(yīng)用[D].大連：大連理工大學，2002.

[5] 楊建國,周軼塵.內(nèi)燃機振動監(jiān)測與故障診斷[M].大連:大連海運學院出版社,1994.

[6] 劉世元,杜潤生,楊叔子.內(nèi)燃機缸蓋振動信號的特性與診斷應(yīng)用研究[J].華中理工大學學報,1999,27(7):48-50.