基于瞬時轉速的柴油機早期弱故障診斷實驗研究

孫云嶺，田洪祥，王勝杰

(海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢 430033)

基于瞬時轉速的柴油機早期弱故障診斷實驗研究

孫云嶺，田洪祥，王勝杰

(海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢 430033)

瞬時轉速蘊含了大量柴油機運行狀態信息，已經成功用于失火嚴重故障的診斷，但對于早期弱故障的診斷尚缺乏進一步的研究。針對6-135型柴油機，通過在不同程度上調整氣缸噴油量、調整氣閥間隙、模擬氣閥泄漏等方法模擬柴油機早期故障，在不同工況下進行實驗數據采集，計算柴油機瞬時轉速信號，并分析其不同狀態下的變化規律。發現柴油機瞬時轉速信號可以用于判斷多種早期故障，各缸瞬時轉速升程歸一化比值P是較直接的特征參數。正常狀態下，各缸瞬時轉速P值在0.9～1.1以內，若某缸升程P值下降超過10%，可認為該氣缸存在故障。該方法對于影響缸內壓力的故障如各氣缸噴油量不均勻、氣閥泄漏等比較敏感，對于活塞-缸套間隙過大等對缸內壓力影響程度小的故障不敏感。

柴油機；瞬時轉速；故障診斷

0 概述

柴油機瞬時轉速信號蘊含了大量機器運行狀態信息[1]，可以間接反映缸內壓力，逐漸成為柴油機故障診斷的重要信息源之一[2-3]，并成功應用于失火故障的診斷[4-5]。氣缸失火屬于嚴重故障，發生率極低，并可較容易地通過其他信息源如氣缸爆炸壓力檢測、高壓油管壓力測試來診斷。而柴油機早期微弱故障發生率高，例如個別氣缸由于噴油量偏少、燃燒不良、輕微密封性不良而造成的做功能力下降故障經常發生，并且難以采用其他信息源如油液分析、振動監測來診斷。這些故障都是通過影響缸內壓力來造成性能下降的，而瞬時轉速與缸內壓力有著直接的動力學關系，且具有測試方便、易于實現在線監測等優點，所以研究柴油機早期微弱故障下瞬時轉速的變化規律具有極高的研究價值。由于對這些微弱故障難以建立有效、精確的數學模型來進行瞬時轉速仿真，而且仿真結果與實際狀況往往有著極大的差距，所以本文主要進行模擬故障實驗研究。通過各種方法來實際模擬這些故障，在不同工況下進行實驗數據采集，計算出不同故障下的瞬時轉速信號進行分析，以探尋早期弱故障條件下柴油機瞬時轉速信號的變化規律，為日后的故障診斷工作奠定實驗基礎。

1 柴油機早期弱故障模擬實驗方案

本文以6-135G型柴油機為實驗研究對象進行早期弱故障模擬。6-135G型柴油機的基本參數為：單列立式、六缸水冷、四沖程，氣缸直徑135 mm，活塞行程140 mm，壓縮比16.5:1，額定轉速1 500 r/min，額定功率88 kW，發火順序1-5-3-6-2-4，采用水力測功器進行功率加載和測量。

在故障模擬方法上，通過多種方式來模擬柴油機早期故障。根據瞬時轉速波動的機理，在理論上應能反映影響缸內壓力的機器故障，在此選擇有針對性的早期故障進行模擬，主要分為兩類。（1）功率不平衡故障。由于噴油量不一致、油氣混合不好等各種原因導致各缸做功狀態均不相同，這使機件受力不勻，造成柴油機振動加劇，不能發出額定功率，更嚴重時可造成某缸不發火。分為以下幾種狀態進行模擬：不同程度單缸減油狀態、單缸斷油狀態。（2）氣缸密封性故障。由于氣閥間隙異常、氣閥泄漏、缸套磨損等原因會導致氣缸密封性不好，致使缸內壓力降低，發不出足夠的功率。對此分為以下幾種狀態進行模擬：氣閥間隙過小狀態、氣閥泄漏狀態和活塞-缸套間隙過大狀態。

各狀態模擬方法如下。

（1）正常狀態。作為故障的對比狀態，首先要測量正常狀態的參數。對實驗柴油機進行各缸油量均衡試驗、噴油壓力測試、氣閥間隙測試、氣閥-缸套間隙測量等調整，從而保證機器處于良好狀態，進行正常狀態下的實驗數據采集。

（2）單缸減油狀態。拆下噴油泵，在油量調整臺上調整某一氣缸噴油量，使其噴油量低于正常油量，為了試驗瞬時轉速反映缸內壓力變化的程度，調整的幅度分別為15%、20%和100%（即單缸斷油狀態）。

（3）氣閥間隙過小狀態。調小排氣閥間隙模擬氣閥泄漏，6-135Z型柴油機正常狀態間隙應為0.35 mm，將其分別調整為0.04 mm和負值，負值調整方法為：擰調節螺釘到間隙為零之后分別再繼續擰1/8圈和1/4圈。

（4）氣閥泄漏狀態。在排氣閥邊緣位置處用銼刀銼一個小缺口，缺口截面尺寸為0.6 mm× 1.5 mm，模擬氣閥泄漏故障。

（5）活塞-缸套間隙過大狀態。加工不同尺寸的加大缸套，與標準活塞配合，形成不同的氣缸-活塞間隙，模擬氣缸泄漏故障。正常間隙應該≤0.45 mm，這里分別取嚴重磨損間隙（0.60 mm）和臨近報廢間隙（0.75 mm）兩種情況進行實驗。

柴油機每種故障狀態都按照表1工況進行測量。

表1 柴油機模擬故障實驗工況表

2 瞬時轉速測量和計算方法

柴油機的瞬時轉速通過磁電傳感器測取，采用軟件計數法結合插值法進行瞬時轉速計算[6]。磁電式傳感器安裝在飛輪齒圈附近，固定在齒圈架上。為判斷故障缸位置，需要同步測量上止點信號。由于6-135柴油機沖程數為4，飛輪每轉兩圈是一個工作循環，所以本文采用的上止點位置確定方法如下：在供油凸輪軸相對于第一缸做功上止點處和飛輪相對于第一缸上止點刻度處各粘接一微型磁鋼，各安裝一個磁電傳感器，結合兩個上止點傳感器的輸出脈沖電壓，可以精確確定第一缸的做功上止點。

3 各狀態瞬時轉速信號的對比

通過各種故障和工況下的模擬實驗，獲得了大量瞬時轉速數據。以1 000 r/min、40 kW工況為例，各故障狀態一個工作循環內的瞬時轉速曲線如圖1(a)～(j)所示，其中(a)～(i)分別對應正常、3#氣缸減油15%、3#氣缸減油20%、5#氣缸斷油、5#氣缸排氣閥間隙-1/8圈、5#氣缸排氣閥間隙-1/ 4圈、5#氣缸排氣閥泄漏、5#氣缸活塞-缸套間隙0.6 mm、5#氣缸活塞-缸套間隙0.75 mm狀態，圖(j)對應的是一個組合故障狀態：3#、5#氣缸減油20%且4#氣缸狀態排氣閥間隙0.04 mm。其中每幅曲線都經過了多個工作循環的同步平均，各圖橫坐標為曲軸轉角，單位為0CA，均以1#缸做功上止點為起點，縱坐標為瞬時轉速波動值（瞬時轉速值減去平均轉速值），單位為r/min。

圖1 各種狀態下的柴油機單循環瞬時轉速曲線

各狀態下的瞬時轉速曲線進行對比，可以發現最為明顯的規律：各缸的做功沖程都對應著一段瞬時轉速波峰的上升區間曲線，在不同狀態下故障缸對應的波峰上升區間曲線與正常狀態有著規律性的差別。正常狀態下，各缸的上升幅度基本均勻一致；單缸減油15%狀態下，故障缸的上升幅度將正常狀態有降低；單缸減油20%狀態下，故障缸的上升幅度明顯降低；5#氣缸斷油狀態下，故障缸已經完全沒有了上升幅度；排氣閥間隙-1/8圈狀態下，故障缸的上升幅度明顯降低，降低幅度大致相當于單缸減油20%狀態；排氣閥間隙-1/4圈狀態下，故障缸的上升幅度的降低更加明顯；排氣閥泄漏狀態下，故障缸的降低程度介于排氣閥間隙-1/8圈和-1/4圈之間；活塞-缸套間隙0.6 mm、0.75 mm狀態下，故障缸對應上升幅度與正常狀態相比有極小的下降，區別不大；3#、5#氣缸減油20%且4#氣缸狀態排氣閥間隙0.04 mm組合故障狀態下，減油故障缸上升幅度下降明顯，而排氣閥間隙異常故障缸則與1#、2#、6#非故障缸大致相同。

這說明很多早期故障發展到一定程度即可在瞬時轉速信號中體現出來，而是否能體現關鍵在于該故障對缸內壓力的影響程度有多大[7]。減油故障直接減少供油量，導致燃燒熱量減少，缸內壓力降低，實驗結果表明減油達到15%即可由瞬時轉速信號來診斷；氣閥泄漏也會直接導致缸內壓力降低，實驗結果表明氣閥間隙為負值或漏氣截面達到0.9 mm2時可由瞬時轉速信號來診斷，而氣閥間隙為0.04 mm時則無法在瞬時轉速信號中體現；活塞-缸套間隙偏大狀態下，由于活塞環的密封作用，導致對缸內壓力影響不大，該故障無法在瞬時轉速信號中體現。

4 故障特征指標的提取

通過上文的分析，各氣缸做功沖程對應的一段瞬時轉速曲線的上升幅度是一個較直接的判斷指標。根據缸內壓力和瞬時轉速之間的動力學關系，當某一缸處于做功沖程時，曲軸處于加速狀態，該氣缸狀態越好，該沖程內曲軸累計加速值就越高，反之就越低，所以做功沖程內曲軸累計加速值從很大程度上反映了該氣缸的狀態。這里將某一缸做功沖程期間瞬時轉速上升值定義為該缸的升程，如圖2所示，6-135柴油機各氣缸對應升程分別為S1～S6。將其進行無量綱歸一化處理，把各缸升程與所有6個氣缸平均升程的比值P作為反映各缸狀態的指標：

其中：Sn為第n缸的升程。

圖2 瞬時轉速的故障特征提取

表2 不同故障下各缸瞬時轉速升程歸一化比值P

計算不同狀態下各缸瞬時轉速升程歸一化比值P，結果如表2所示。正常狀態下各缸P值比較均勻，分布在0.9～1.1之間，這也說明即使正常狀態下各缸做功能力也略有差別；所模擬的單缸減油、排氣閥泄漏的五種情況下，故障缸的P值下降明顯，均超過15%；對于嚴重故障——單缸斷油情況，故障缸的P值甚至接近零；而活塞-缸套間隙過大的磨損故障則在瞬時轉速信號中不能得到有效體現，故障缸的P值幾乎沒有變化，這應該是活塞環的密封效果造成的；最后一個組合故障情況中，減油缸的P值下降明顯，其余4個正常缸則需要多做功來抵消功率損失，導致另一個故障缸4#氣缸的P值為1.12，與非故障缸大致相同，這也說明排氣閥間隙略偏小的情況下無法在瞬時轉速信號中得到有效體現。

經過其他不同工況各組數據的分析，雖然變化值與表2有小范圍的個體差異，但始終保持一點基本規律：若某氣缸P值下降超過10%，該氣缸一定是模擬的故障缸。

5 結論

本文通過6-135型柴油機多種早期故障的模擬實驗研究，得到了如下結論：利用柴油機瞬時轉速信號可以用于判斷多種早期故障，各缸瞬時轉速升程歸一化比值P是較直接的特征參數。正常狀態下，各缸瞬時轉速P值在0.9～1.1以內，若某缸升程P值下降超過10%，可認為該氣缸存在故障。該方法對于影響缸內壓力的故障如各氣缸噴油量不均勻、氣閥泄漏等比較敏感，對于活塞-缸套間隙過大等對缸內壓力影響程度小的故障不敏感。

［1］William J.Swanson.Determination of diesel engine cylin?der gas torques from speed fluctuations with a High-Fi?delity crankshaft torsional model［D］.Master's degree dissertation paper of United States Navy B.S.，Califor?nia Institute of Technology，1998.

［2］李可順，孫培廷，魏海軍.基于瞬時轉速信號的柴油機故障診斷［J］.大連海事大學學報，2011，37（2）：85-88.

［3］Chang Y，Hu Y H.Monitoring and fault diagnosis sys?tem for the diesel engine based on instantaneous speed［J］.Computer and Automation Engineering，2010：780-783.

［4］Wang Y，Chu F.Real time misfire detection via sliding mode observer［J］.Mechanical Systems and Signal Pro?cessing，2005，19（4）：9002912.

［5］馬晉，江志農，高金吉.基于瞬時轉速波動率的內燃機故障診斷方法研究［J］.振動與沖擊，2012，31（13）：119-124.

［6］孫云嶺，樸甲哲，張永祥.插值算法在內燃機瞬時轉速測量中的應用研究［J］.內燃機學報，2002（4）：335-338.

［7］王維琨，江志農，張進杰.基于神經網絡和瞬時轉速的發動機失火故障研究［J］.機電工程，2013（7）：824-827.

The Experiment Research on Early Weak Diesel Fault Diagnosis Based on Instantaneous Speed

SUN Yun-ling，TIAN Hong-xiang，WANG Sheng-jie
（Power Eng.College，Naval Univ.of Engineering，Wuhan430033，China）

Instantaneous speed signal included much working status information of diesel，and it has been used in severe misfire fault diagnosis successfully，but there is still lack of further research on early weak fault diagnosis.In this paper，several early faults are simulated in 6-135 type diesel through adjust cylinder fuel eject quantity，adjust exhaust valve clearance，simulate exhaust valve leak in differ degree.Experiment data is acquired at different running status，and instantaneous speed signal of diesel is calculated.Through analyzing the change rule of instantaneous speed signal in different status，it is found that the diesel instantaneous speed signal could be used in several early fault diagnosis，and the instantaneous speed unitary rise amplitude ratio P of every cylinder is a direct character parameter.At normal status，P value of every cylinder are in the range of 0.9～1.1.If the P value of certain cylinder descend over 10%，then it could be think as a fault cylinder.The method is sensitive to some fault which could influence gas press in cylinder such as fuel eject quantity not uniformity and valve leaking，and it is not sensitive to some fault which couldn’t influence gas press in cylinder such as cylinder liner wear.

diesel；instantaneous speed；fault diagnosis

TK268

：A

：1009－9492(2014)10－0076－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.10.021

孫云嶺，男，1976年生，山東臨清人，博士后，副教授。研究領域：機械設備狀態監測與故障診斷。已發表論文20篇。

(編輯：向 飛)

2014－04－29