車用柴油機(jī)振動故障混沌診斷系統(tǒng)及其應(yīng)用

譚季秋 ，鄂加強(qiáng)，譚 青，鄧元望，鐘定清

(1. 湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭，411101；2. 湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院 湖南 長沙，410082；3. 中南大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 湖南 長沙，410083)

車用柴油機(jī)振動是衡量柴油機(jī)工作質(zhì)量的一個重要標(biāo)志[1-3]。振動過大時會加速機(jī)件的疲勞破壞，降低車用柴油機(jī)的工作壽命。車用柴油機(jī)振動還會使乘員易于疲勞并有不舒適感，同時影響儀表的精度和指示，有時還使結(jié)構(gòu)和儀器遭受損壞[4-6]。車用柴油機(jī)是一個內(nèi)部存在不確定性因素和非線性作用機(jī)制的宏觀復(fù)雜系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)具有極復(fù)雜的非線性特征，在數(shù)學(xué)上很難用各影響因素描述[7]。車用柴油機(jī)狀態(tài)監(jiān)測信息能否快速而準(zhǔn)確地被提取與及時報警，在很大程度上制約著車用柴油機(jī)的整體性能和運(yùn)行能力的提高。此外，在建立振動模型時，其參數(shù)估計工作較繁瑣且它們并不能直觀、有效地從單變量時間序列中將系統(tǒng)的動力特性描繪出來。近20年來，混沌與分形理論在氣象、地震、冶金、資源環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)上的成功預(yù)測[8-11]為該問題的解決提供了新的思路?；煦缋碚撃軓囊粋€輸出變量的時間序列有效地提取出系統(tǒng)的動力特性，找出時間序列中包含的豐富信息及參與動態(tài)的全部變量的信息，達(dá)到真正認(rèn)識該系統(tǒng)的目的。因此，如何準(zhǔn)確地判斷從車用柴油機(jī)提取的振動信號中是否含有混沌特性，已成為車用柴油機(jī)振動故障診斷中重要的基本問題。在此，本文作者采用混沌理論和計算檢測技術(shù)相結(jié)合，研究被車用柴油機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)提取的車用柴油機(jī)振動信號產(chǎn)生機(jī)制，以便為車用柴油機(jī)振動信號的識別以及故障診斷提供一種有效且實(shí)用的新技術(shù)。

1 車用柴油機(jī)振動信號故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

1.1 車用柴油機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

1.1.1 硬件構(gòu)成

以4105型四沖程柴油機(jī)為實(shí)驗(yàn)對象，分別在第1和第2缸進(jìn)氣閥附近的缸蓋和排氣閥閥殼上布置傳感器，以及第1和第2缸的缸套靠近活塞上止點(diǎn)的位置布置傳感器。測點(diǎn)布置與測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 測點(diǎn)布置與測試系統(tǒng)簡圖Fig.1 Sketch of measurement spot disposal and measurement system

振動信號用 YD系列加速度傳感器測取，配用DFH型電荷放大器。

車用柴油機(jī)狀況監(jiān)測系統(tǒng)采用上、下兩級結(jié)構(gòu)。上位機(jī)運(yùn)行于Windows NT環(huán)境下，負(fù)責(zé)從下位機(jī)調(diào)取監(jiān)測數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析以及各種報告和圖表的打印等；下位機(jī)系統(tǒng)完成的主要功能是把測試信號轉(zhuǎn)化為0~5 V或4~20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號，利用數(shù)據(jù)采集儀把標(biāo)準(zhǔn)信號變換為字節(jié)數(shù)據(jù)，通過RS485通信方式實(shí)時向上位機(jī)傳送。

1.1.2 上位機(jī)的串行通信程序設(shè)計

從經(jīng)濟(jì)實(shí)用性考慮，對于車用柴油機(jī)熱工狀況監(jiān)測系統(tǒng)，利用Visual C++就能實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的串行通信相關(guān)的功能。應(yīng)用Visual C++開發(fā)串行通信的方法很多，常用的有：

Ⅰ. 利用Windows API通信函數(shù)；

Ⅱ. 利用Visual C++的通信控件MSComm；

Ⅲ. 利用第3方編寫的C類庫。

第Ⅰ種在應(yīng)用程序開發(fā)中使用較廣，但由于 API函數(shù)較復(fù)雜，要求了解 Windows編程的各種信息機(jī)制，對使用者有較高的要求；第Ⅱ種方法看似較簡單，直接使用MSComm控件，其封裝了API函數(shù)的許多功能，只需要對串行進(jìn)行簡單設(shè)置，但由于使用了Variant類，很容易出錯，在程序調(diào)試時帶來許多異常；第Ⅲ種方法是直接使用編寫的通信類C類庫，在Internet上有較多的第3方提供的類供選擇，進(jìn)行測試后可安全使用；使用C類庫時只需要了解該類的成員函數(shù)，就可以正確使用。為此，在本監(jiān)測系統(tǒng)中使用一個編寫的C類庫，其具體結(jié)構(gòu)如下：

Class CSerial

{

public:

CSerial

CSerial

BOOL Open(int nPort=2, int nBaud=9600);

BOOL Close(void);

int ReadData(void *, int);

int SendData(const char *, int);

int ReadDataWaiting(void);

BOOL IsOpened(void)

{return(m_bOpened); }

protected:

BOOL WriteCommByte(unsigned char);

HANDLE m_hIDComDev;

OVERLAPPED

m_OverlappedRead,m_OverlappedWrite;

BOOL m_bOpened;

}

其中：CSerial( )為類構(gòu)造函數(shù)，不帶參數(shù)，初始化所有類成員變量；Open( )函數(shù)打開通信端口，第1個參數(shù)是串行號，第2個參數(shù)是數(shù)據(jù)傳輸速率，返回1個布爾值；Close( )函數(shù)關(guān)閉通信端口；SendData( )將數(shù)據(jù)從1個Buffer寫到串行端口，第1個參數(shù)是緩沖區(qū)指針，其中包含要被發(fā)送的數(shù)據(jù)；ReadData( )為從端口接收緩沖區(qū)讀入的數(shù)據(jù)；ReadDataWaiting( )為返回等待在通信端口Buffer中的數(shù)據(jù)，其中，第1個參數(shù)是Void*緩沖區(qū)指針，數(shù)據(jù)被送入該Buffer；第2個參數(shù)是INT類型，給出Buffer的值。

該類的使用非常方便，直接調(diào)用相關(guān)函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，且不易出錯，方便程序調(diào)試和系統(tǒng)維護(hù)。

上位機(jī)通信程序軟件設(shè)計包括：打開串行，設(shè)置通信格式，用查詢方式向下位機(jī)發(fā)出命令，接收數(shù)據(jù)并實(shí)時顯示報警。完成的主要操作包括：上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送通信開始標(biāo)志“1BH”，呼叫下位機(jī)的聯(lián)絡(luò)地址、指令下位機(jī)接收數(shù)據(jù)等信息。車用柴油機(jī)熱工狀況在線監(jiān)測系統(tǒng)通信流程如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)通信流程圖Fig.2 Communication flow chart of monitoring system

1.1.3 車用柴油機(jī)狀況在線監(jiān)測數(shù)據(jù)庫開發(fā)

由于車用柴油機(jī)狀況在線監(jiān)測系統(tǒng)中需要保存各種實(shí)時接收的數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)以后的數(shù)據(jù)再次回放，所以，需要建立數(shù)據(jù)文件。本系統(tǒng)將串行編程與ODBC技術(shù)相結(jié)合，將測試數(shù)據(jù)放在Access數(shù)據(jù)源文件中，通過編程接口對其進(jìn)行訪問。Microsoft的ODBC為各種類型的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的編程接口。ODBC是一種使用SQL的程序設(shè)計接口。

Visual C++的MFC提供了幾個數(shù)據(jù)庫類，在利用ODBC編程時，經(jīng)常用到 Cdatabase(數(shù)據(jù)庫類)、CrecordSet(記錄集類)和CrecordView(可視記錄類)。

值得注意的是：在Visual C++中生成應(yīng)用程序框架的視圖類(Class view)時，包含一個指向操作數(shù)據(jù)庫即Access文件的指針。該指針的目的是在視表單和記錄集間建立聯(lián)系，同時使歷史數(shù)據(jù)的查詢結(jié)果方便地在表單上顯示出來。

用Microsoft Access創(chuàng)建1個Testing.mdb數(shù)據(jù)庫，然后，在 View類中定義幾個相關(guān)的重要變量。對于采集數(shù)據(jù)的曲線顯示及報警直接采用編寫的Active控件來實(shí)現(xiàn)具體的功能。主要是在WM_TIMER的消息處理函數(shù)OnTimer( )中調(diào)用數(shù)據(jù)顯示函數(shù)以定時刷新數(shù)據(jù)。

1.1.4 軟件系統(tǒng)主要功能

(1) 車用柴油機(jī)狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測。實(shí)時檢測信號主要以狀態(tài)圖、數(shù)據(jù)表格圖等方式動態(tài)顯示測量數(shù)據(jù)，當(dāng)信號超過上限時，以紅色在界面動態(tài)顯示。該模塊同時按不同的功率和熱工狀況對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，用于車用柴油機(jī)運(yùn)行狀況分析與診斷提供標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。對各傳感器檢測點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行比較和整合，以調(diào)整到合理值。

(2) 車用柴油機(jī)振動特性分析。該程序塊利用數(shù)據(jù)庫參數(shù)對車用柴油機(jī)振動特征進(jìn)行分析與識別，這對提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、及時發(fā)現(xiàn)異常運(yùn)行情況、指導(dǎo)運(yùn)行人員操作維護(hù)很有幫助。

(3) 打印和報表。主要包括監(jiān)測報表的生成、相關(guān)的數(shù)據(jù)打印。該功能較容易實(shí)現(xiàn)。

1.2 車用柴油機(jī)振動特征信號混沌識別特征參數(shù)

1.2.1 關(guān)聯(lián)維數(shù)計算

1983年，Grassberger與 Procaccia提出了一種計算動力系統(tǒng)吸引子維數(shù)的方法，簡稱為 G-P算法[12]。此方法常用于資料點(diǎn)數(shù)不是很多的時間序列以及需計算高維行為的離散系統(tǒng)。定義相關(guān)積分函數(shù)Cm(ε)為：

式中：ε為以Xi或Xj為區(qū)域中心的半徑；‖Xi-Xj‖為Xi與Xj的歐氏距離；H為Heaviside階躍函數(shù)，即

給定ε后，Cm(ε)表示2點(diǎn)間距離小于ε的概率，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，當(dāng)ε增加時，

對式(3)兩端同時取對數(shù)后成為：

維數(shù)m的選擇一般從小到大，不斷增大其取值。針對某個m值，選取若干個不同的ε，分別計算相應(yīng)的 Cm(ε)。將這些不同的 ε和 Cm(ε)代入式(4)可得到 lnε與lnCm(ε)的關(guān)系曲線。對于隨機(jī)過程，Dm將隨m的增加而增加，并不會達(dá)到飽和。但對確定性系統(tǒng)，Dm將在某一特定的m后趨于飽和(lnε與lnCm(ε)的關(guān)系圖存在無標(biāo)度區(qū)即直線段)，表明時序分布存在分形特征，且直線段的斜率就是吸引子的維數(shù)D2，與之相對應(yīng)的嵌入維數(shù)為飽和嵌入維數(shù) m∞。m∞表征系統(tǒng)自由度數(shù)目，它和D2分別給出了系統(tǒng)包含的基本變量數(shù)目的上限與下限。

1.2.2 Lyapunov指數(shù)計算

對于一維動力學(xué)系統(tǒng)，Lyapunov指數(shù)可表示為：

對于高維動力學(xué)系統(tǒng)，Lyapunov指數(shù)可表示為：

式中：||·||表示m維空間的距離。

1.3 實(shí)例應(yīng)用

本文實(shí)驗(yàn)在4105型柴油機(jī)上進(jìn)行。在轉(zhuǎn)速為900 r/min、負(fù)荷為滿負(fù)荷的75%時以15kHz采樣頻率測取500個含噪聲的柴油機(jī)機(jī)身振動混合信號數(shù)據(jù)，通過EMD去噪聲處理得到如圖3所示的500個車用柴油機(jī)振動信號時間序列數(shù)據(jù)(其中，a為加速度，t為時間)。當(dāng)嵌入維數(shù)m不同時，柴油機(jī)振動信號lnε與ln(Cm(ε))關(guān)系見圖4。

圖3 車用柴油機(jī)振動信號時間序列Fig.3 Vehicle diesel engine vibration signals time series

為便于操作，對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，然后，通過對飽和關(guān)聯(lián)維數(shù)進(jìn)行計算。車用柴油機(jī)振動信號時間序列嵌入相空間維數(shù)m與關(guān)聯(lián)維數(shù)D2的關(guān)系見圖5。

從圖5可見：當(dāng)含噪聲振動信號時間序列嵌入相空間維數(shù)m≥8時，關(guān)聯(lián)維數(shù)(吸引子維)趨于穩(wěn)定，即達(dá)到飽和關(guān)聯(lián)維D2=0.868 62。

據(jù)混沌理論，車用柴油機(jī)振動系統(tǒng)內(nèi)部影響機(jī)身振動信號變量的因素較多，最多可達(dá)8個，最少不會少于1個，可能包括：氣體爆發(fā)壓力、排氣門開啟時氣體節(jié)流沖擊、進(jìn)氣門落座沖擊、排氣門落座沖擊、活塞換向時對缸套的沖擊、燃燒激振、轉(zhuǎn)速以及曲軸等運(yùn)動件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動等因素。因此，從這一意義上說，去噪車用發(fā)動機(jī)振動信號時間序列具有混沌特性。

圖4 柴油機(jī)振動信號lnε-ln(Cm(ε))關(guān)系曲線Fig.4 ln(ε) and ln(Cm(ε)) of vehicle diesel engine vibration signals

圖5 車用柴油機(jī)振動信號時間序列嵌入相空間維數(shù)m與關(guān)聯(lián)維數(shù)D2關(guān)系Fig.5 Relationship between embedded dimension and saturated dimension of vehicle diesel engine vibration signals time series

2 車用柴油機(jī)振動信號故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用

以4105型車用柴油機(jī)第2缸缸蓋、缸套及機(jī)身振動信號為例進(jìn)行說明。為進(jìn)行標(biāo)定，同時測量了第 2缸上止點(diǎn)信號。信號采樣頻率為25 kHz，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，負(fù)荷為滿負(fù)荷的50%，采用基于EMD和小波分析融合的車用柴油機(jī)振動信號去噪處理方法對振動信號進(jìn)行去噪聲處理。車用柴油機(jī)振動信號不但含有本缸激勵力的信息，而且其他缸對其振動也有影響。為驗(yàn)證混沌及分形理論在4105型車用柴油機(jī)故障診斷中的應(yīng)用，對第2缸排氣門設(shè)置如表1所示的不同的故障(正常間隙為0.25 mm，進(jìn)氣門正常)，采集相應(yīng)情況下的各種振動信號，計算信號的關(guān)聯(lián)維數(shù)及李雅普諾夫指數(shù)，以便為4105型車用柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)故障診斷。

圖6所示為車用柴油機(jī)正常工況(狀態(tài)2)下，缸蓋、缸套及機(jī)身振動信號的時域波形。顯然，振動信號是非平穩(wěn)的。

由于測量的位置及激勵力不同，3種振動信號的波形在時域上有一定的差別，幅值及位置差異也較大，其中包含柴油機(jī)工作狀態(tài)信息，如氣閥狀態(tài)、氣缸壓力沖擊力等。

2.1 關(guān)聯(lián)維數(shù)計算結(jié)果

對實(shí)測的經(jīng)去噪處理后的車用柴油機(jī)振動信號進(jìn)行計算，通過10次平均，求得信號的關(guān)聯(lián)維數(shù)如表2所示。

表1 排氣門狀態(tài)Table1 States of exhaust valves

表2 m∞=10時車用柴油機(jī)振動信號關(guān)聯(lián)維數(shù)D2Table2 Correction dimension number D2 of some vibration signals from vehicle diesel engine when m∞ is 10

圖6 車用柴油機(jī)振動信號Fig.6 Some vibration signals from vehicle diesel engine

從表2可以看出：3種振動信號的關(guān)聯(lián)維數(shù)均為分?jǐn)?shù)，具有一定的診斷能力，效果最好的為缸套振動信號的關(guān)聯(lián)維數(shù)，其次是缸蓋振動信號的關(guān)聯(lián)維數(shù)；機(jī)身振動信號的關(guān)聯(lián)維數(shù)的診斷能力最差。缸套振動主要由活塞橫向撞擊力引起，氣閥機(jī)構(gòu)狀態(tài)變化時氣門啟閉時刻將改變，從而導(dǎo)致氣缸工作狀況發(fā)生變化，活塞橫向撞擊力也將隨之改變，所以，在缸套振動信號中反而能較好地體現(xiàn)這一變化。本文中缸套磨損間隙為正常值，對缸套磨損嚴(yán)重等故障情況未進(jìn)行研究。機(jī)身振動由于激勵力傳遞路徑較遠(yuǎn)，所以，計算的關(guān)聯(lián)維數(shù)相差不大，導(dǎo)致診斷效果不好。本來缸蓋振動信號的關(guān)聯(lián)維數(shù)應(yīng)該是最具有診斷能力的診斷特征量，因?yàn)闅忾T狀態(tài)的變化直接會在缸蓋振動信號中體現(xiàn)出來，但由于氣缸壓力對缸蓋振動的影響較大，當(dāng)氣門處于不同狀態(tài)時導(dǎo)致計算的關(guān)聯(lián)維數(shù)差別不是很明顯。關(guān)聯(lián)維數(shù)為分?jǐn)?shù)也說明信號可能具有混沌特性。

分析缸蓋振動信號的關(guān)聯(lián)維數(shù)可以看出：當(dāng)氣門磨合良好時，缸蓋振動信號的關(guān)聯(lián)維數(shù)最大。這主要是因?yàn)檫@時“漏氣作用力”對缸蓋振動的貢獻(xiàn)較小，缸蓋的振動行為不確定因素最大，系統(tǒng)行為將在相空間趨于某一有限維吸引子或者奇異吸引子；而當(dāng)氣門處于故障狀態(tài)時，關(guān)聯(lián)維數(shù)將下降，此時，缸蓋的振動行為在相空間趨于有限維的吸引子或奇異吸引子與正常狀態(tài)時的相比是不同的。這主要是因?yàn)椤奥庾饔昧Α睂Ω咨w振動的貢獻(xiàn)明顯大于磨合良好時的貢獻(xiàn)，系統(tǒng)行為的不確定性減小，關(guān)聯(lián)維數(shù)將減小，所以，關(guān)聯(lián)維數(shù)下降意味著故障發(fā)生。這說明關(guān)聯(lián)維數(shù)可以作為判斷氣門故障的特征量。

2.2 Lyapunov指數(shù)計算結(jié)果

各種振動信號的李雅普諾夫指數(shù)計算結(jié)果如表 3所示。

表3 0＜ε＜0.001時車用柴油機(jī)振動信號李雅普諾夫指數(shù)λTable3 Lyapunov index λ of some vibration signals from vehicle diesel engine when 0＜ε＜0.001

從表3可以看到：機(jī)身、缸套振動信號的李雅普諾夫指數(shù)基本均為正；缸蓋振動信號的李雅普諾夫指數(shù)為負(fù)時的絕對值很小。從各種振動信號的李雅普諾夫指數(shù)可以看出：缸蓋振動信號較缸套、機(jī)身振動復(fù)雜，規(guī)律性不強(qiáng)，即缸蓋振動具有周期突變性，確定性與混沌特性共存，而缸套振動、機(jī)身振動可以認(rèn)為是混沌振動。

3 結(jié)論

(1) 車用柴油機(jī)振動信號時間序列是混沌序列，具有非線性混沌動力系統(tǒng)演化特征；影響車用柴油機(jī)振動的系統(tǒng)內(nèi)部因素最多可達(dá) 8個，最少不會少于1個。

(2) 車用柴油機(jī)各種振動信號具有混沌特征，但缸蓋振動不能簡單地認(rèn)為是確定性混沌振動，而是確定性與混沌特性共存，在應(yīng)用分形及混沌理論處理時需要注意。

(3) 車用柴油機(jī)振動信號的關(guān)聯(lián)維數(shù)對氣門機(jī)構(gòu)的簡易診斷具有一定的參考意義，可以作為1個診斷特征量。

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