基于質心廣義力監測的發動機故障診斷新方法

徐傳燕，富文軍，曹鳳萍

(山東交通學院汽車工程學院，山東濟南　250023)

?

基于質心廣義力監測的發動機故障診斷新方法

徐傳燕，富文軍，曹鳳萍

(山東交通學院汽車工程學院，山東濟南250023)

摘要：發動機的故障診斷大多只針對某一特定類型的故障，分析對象的特征與故障的映射關系不明確，且提取的特征通用性不好，導致發動機故障診斷發展緩慢，至今尚沒有一套成熟的診斷系統可應用于實際。分析了基于振動的發動機故障診斷的國內外研究動向，提出將質心廣義力作為汽車發動機故障診斷的分析對象，明確發動機故障診斷分析對象的特征與故障的映射關系，對于開辟發動機故障診斷方法的新途徑具有重要意義。

關鍵詞：內燃機工程；發動機；故障診斷；廣義力；映射關系；振動

《機械工程學科發展戰略報告(2011—2020)》將重大產品和重大設施運行的可靠性、安全性和可維護性關鍵技術列為重要的研究方向[1]，而發動機作為工程機械的心臟，其性能的好壞直接關系到工程機械整個系統運行的動力性、經濟性、可靠性和安全性。隨著發動機自動化程度的不斷提高、工作性能的不斷完善，其結構也變得越來越復雜，工作條件也十分惡劣，發生故障的可能性大大增加，診斷難度也越來越高。為確保發動機安全運行，提高其可靠性和安全運轉率，必須不斷提高對發動機的運行狀態監測和故障預測與診斷能力，在故障發生的早期就把它排除，防止其繼續發展造成更大的損失。因此，如何在不拆檢的情況下，迅速準確地判斷出故障的類型和位置，是目前發動機故障診斷研究的重點和難點。

實現發動機運行狀態監測、故障預測與診斷的前提是選取合理的監測和分析對象，以便在發動機運行動態信號中準確提取出故障征兆，因此監測對象必須對故障具有較高的敏感性、穩定性、唯一性和便易性：當故障產生時，監測對象的特征能夠隨之發生改變；環境和工況的改變不會影響其特征的變化；對應不同的故障，監測對象具有不同的特征；監測對象還應便于獲取，能夠在發動機的運轉條件下直接測試。對于發動機狀態監測來說，監測對象的測試和特征變化還應具有實時性的特點。發動機絕大部分故障的直接表現是在發動機質心廣義力的變化方面。發動機質心廣義力對故障的敏感度高，受外部環境與測試條件的影響較小，因此將發動機質心廣義力作為狀態監測與故障診斷的監測對象，對于完善發動機故障診斷方法具有重要的理論指導意義和實用價值。

1基于振動的發動機故障診斷研究現狀

雖然眾多學者對發動機機械方面的故障診斷進行了研究，其發展依然較緩慢，至今仍沒有一套通用的診斷系統可應用于實際。目前，這方面的故障診斷技術手段以性能參數分析技術、油液分析技術、噪聲分析技術以及振動診斷技術為主[2-5]，其中以振動診斷技術的研究為熱點。性能參數分析技術只能對有限的功能狀態進行監測，在故障早期預警與故障精確診斷方面存在缺陷；油液分析技術對傳感器等硬件的依賴度較高，分析結果有一定的滯后性，精確判斷故障部位的能力不足；噪聲分析技術作為一種非接觸式診斷技術，對機械設備特定部位的特定故障模式能夠實現實時監測和準確診斷，但適用范圍有限，均無法應用于發動機的實時在線監測。

振動分析法[6-10]通過測取發動機工作過程中缸蓋或缸體的振動信號，并對其進行分析處理提取故障特征，得出振動信號特征參數，根據特征參數變化規律判斷發動機的故障。

1996年，英國曼徹斯特大學GU等[11]在實驗的基礎上，得出柴油機噴油器的振動主要由針閥開啟、落座時的撞擊和高壓燃油流動引起，他們通過在噴油器頂部或座上吸附振動傳感器，采集振動信號，利用時頻分析、包絡分析，對上述參數進行估計，實現了燃油系統的故障診斷。SAMIMY等[12]利用時頻分析方法研究了內燃機爆燃敲缸故障的診斷，采用 Choi-Williams 分布以減少交叉干擾項，使得不同工況下的時頻分布區別更加明顯，故障特征顯著。1999年，劉世元等[13]利用發動機缸蓋和噴油器、氣門搖臂座、螺栓等部件的振動信號，著重分析了缸蓋振動信號的時間特性和循環波動性，并提出了消除波動性的一些措施。2002年至2003年，中國科學技術大學的研究人員應用發動機振動信號對發動機故障診斷進行了較為深入的研究[14-16]，他們對發動機常見異響故障(活塞敲缸響、活塞銷響、氣門響、氣門挺桿響、曲軸軸承響及連桿軸承響等)的產生機理進行了分析，主要采用時域法和頻域法對發動機表面振動信號進行分析，并給出了發動機常見故障信號的特征提取和識別方法。2006年，文獻[17]采用倒頻譜法基于缸蓋表面振動加速度信號對缸內壓力進行了重構，即根據已知的振動加速度信號和缸內壓力信號獲得系統的傳遞函數,基于傳遞函數實現缸內壓力的重構。趙紀元等采用實驗的方法，從缸蓋系統所受的激勵和響應兩方面進行分析，指出缸蓋系統最主要的激勵力是氣門落座沖擊和氣體壓力，利用缸蓋響應高頻部分能量的變化來檢查排氣門漏氣故障，取得了較為滿意的結果。2009年，MERKISZ等[18]指出，在活塞運動方向上的燃燒時段,機體的振動加速度信號對燃燒激勵最為敏感,發生失火故障時,燃燒時段振動加速度信號幅值明顯減小,利用活塞運動方向上的機體振動加速度信號的幅值變化可實現失火故障檢測。2012年，BARELLI等[19]直接測試缸蓋表面的振動加速度信號，利用離散小波變換和巴什瓦定理分析加速度信號的能量分布診斷缸內燃燒故障。2013年，杜燦誼等[20-21]基于缸蓋振動加速度信號的振幅波動，監測發動機失火故障，以缸蓋振動時域信號沖擊，監測配氣機構氣門間隙過大和凸輪軸承松脫等故障。2014年，SHARMA等[22]提取缸體振動加速度信號，計算信號的樣本標準差、樣本方差、峭度等統計特性，通過多種決策樹算法篩選信號特征，區分發動機正常與失火故障。

隨著信號處理技術的發展，在發動機故障特征提取方面有了很多新方法，如短時傅里葉變換、小波分析、Gabor展開、HHT變換、支持向量機等，其中應用非常廣泛的是小波分析，它是一種有效的非穩態信號分析處理方法[23-24]。夏勇等[25-26]通過對發動機缸蓋振動信號的小波包分解得到時頻圖，運用圖像處理技術對發動機的狀態進行監測，另外，小波分析在狀態預測、信噪分離、動態測試過程診斷中也有成功的應用。

基于振動分析的發動機故障診斷方法，由于分析測試設備完備、診斷結果較可靠、便于實時診斷等諸多優點，受到廣大學者的關注，但是作為基于響應信號的故障診斷方法，受發動機結構、環境、溫度等外部條件的影響和傳感器的安裝位置的影響較大，只對特定的發動機、少數的部件和故障類型比較有效，缺乏普適性[27]。2013年，王國彪等[28]指出雖然單故障診斷通常容易實現，但在推廣使用時，其精度不高、泛化能力不強和通用性較差，制約了其在工程中的應用。文獻[26]提出，可以利用氣缸壓力信號進行氣門間隙監測與故障診斷，氣缸壓力信號二進小波分解的尺度信號中包含有大量的氣門間隙狀態信息，但是直接對氣缸壓力進行監測在傳感器的安裝方面有一定的困難，而且對于與燃燒無關的一些機械故障，從氣缸內壓力信號中無法判定故障的類型與位置。

現有的各種發動機故障診斷方法都有一定的局限性，而發動機質心廣義力中包含大量的發動機運行狀態信息，既包含了機械磨損等方面的信息，也包含了各缸的燃燒狀況信息，發動機質心廣義力的變化與發動機故障之間存在一定聯系，因此，發動機質心廣義力包含的故障信息，對于提高故障診斷的可靠性具有重要意義。

2發動機質心廣義力的研究現狀

發動機質心廣義力主要通過將發動機簡化為六自由度剛體動力學模型計算得到[29]，在計算中考慮的主要因素是氣缸內氣體爆炸力、旋轉慣性力和往復慣性力所產生的激勵。2006年，聶君臣等[30]理論分析了摩托車汽油機不平衡力隨曲柄轉角的變化，并分析了各不平衡力幅值在頻域內隨轉速的變化趨勢。王輝[31]和李雙虎等[32]分別對直列四缸發動機的主要激振源進行了計算仿真分析。2008年，KIM等[33]建立CAE模型分析計算發動機的質心廣義力。以上方法均需將氣體爆炸力作為已知參數分析傾覆力矩，實際中這一參數難以精確獲得。此外，理論計算公式通常未考慮實際發動機與附件的耦合，進行模型分析時必然會造成計算結果與工程實際存在一定偏差，且在有些情況下偏差會很大。

工程應用中通常采用測試頻響函數矩陣，利用矩陣求逆法獲取發動機質心廣義力，測試不同結構位置的頻響函數構成頻響函數矩陣[34]。2007年，OTSUKA等[35]采用頻響函數矩陣求逆法識別單缸船外發動機質心廣義力。定義一組發動機運動產生的等效力，采用頻響函數求逆法識別出等效力再通過線性結構模型轉換到質心處，但頻響函數測量的準確性缺乏驗證，由于噪聲影響等原因可能存在較大誤差。由于矩陣求逆會引起病態問題[36]，導致病態誤差， SAS等[37]指出通過求逆得出的發動機質心廣義力結果對頻響函數矩陣的條件數很敏感。2007年，YUAN等[38]利用奇異值分解解決發動機質心廣義力間接估計時的病態問題。TAO等[39]測試所有懸置點的振動速度獲取發動機質心處的廣義力，由于缺乏準確的相位信息而利用相位差來代替，使得問題的求解變為復雜的非線性超定方程，文獻中只對仿真信號進行了精度分析，并沒有考慮噪聲影響，也沒有實驗驗證。2006年，宋志順[40]測試各缸體上振動加速度提取質心處廣義力，但將相位全部假設為零，導致識別結果產生較大誤差。2009年，楊志堅等[41-42]測試各懸置點的振動加速度信號提取發動機的質心處廣義力，并引入離散頻譜校正技術準確提取加速度的幅值相位信息，直接識別出發動機激勵力，但試驗驗證過程中缺乏準確參數導致驗證結果不準確。2010年，HAFIDI等[43]提出通過測試懸置兩側(減震前、后)的振動加速度經兩次積分獲取相應位移差，利用求逆法間接計算發動機質心廣義力。2013年，李淑靜等[44]在直列六缸柴油機上布置振動加速度傳感器獲取柴油機整機振動質心廣義力，并分析了測試參數誤差對廣義力識別結果的影響。利用統計直方圖法處理試驗數據，但振動信號幅值和相位的提取不夠精確，統計直方圖測試樣本不夠豐富。2015年，XU等[45]將發動機簡化為多剛體動力學模型對發動機質心廣義力識別方法進行了仿真驗證，由于模型簡化了誤差，除垂向載荷與計算結果接近，其他方向的激勵誤差較大，且質心廣義力識別的實驗驗證結果缺乏可靠性。綜上可見，以試驗法獲取發動機質心廣義力，不可避免的需要進行廣義矩陣求逆，從本質上來說，病態矩陣的形成一方面來自于測量誤差，另一方面來自于用離散頻譜分析方法提取振動響應的幅值和相位時的分析誤差。因此，從源頭上改善矩陣求逆條件的方法，即減小測量和分析誤差將是研究的重點。

為進一步提高識別精度，研究連接附件及彈性體模態對發動機質心廣義力識別方法的影響，對現有的發動機質心廣義力識別方法進行識別精度的精密試驗驗證，為識別精度提供有力證據是重要的研究方向。

3發動機故障與質心廣義力的變化

3.1故障發動機質心廣義力變化

發動機絕大部分故障的直接表現是在發動機質心廣義力的變化方面。以直列四缸四沖程發動機為例分析部分發動機故障與質心廣義力的變化關系。根據文獻[46]的分析,各氣缸的干擾力矩與第1缸同諧次的干擾力矩的相位等于簡諧次數乘以該氣缸與第1氣缸間的發火間隔角, 因此,知道了發火順序,即可畫出該發動機各氣缸v次干擾力矩的相位圖, 對于發火順序為1—4—2—3的四缸四沖程發動機各次干擾力矩相位圖如圖1所示。

圖1　四缸發動機的干擾力矩相位圖Fig.1　Four-cylinder engine interfering moment phase image

以曲軸方向為縱向，活塞運動方向為垂向，在正常穩定工作狀況下，由圖1四缸發動機的干擾力矩相位圖可見，由于各缸之間的慣性力相互抵消，發動機質心處受到的橫向質心廣義力應基本為0，垂向質心廣義力主要為2階，1階質心廣義力基本為0，但當發動機活塞或連桿不均勻磨損時，橫向和垂向質心廣義力均會出現明顯的1階激勵力。如果氣門間隙過大，垂向質心廣義力會出現明顯的1.5階次，發動機轉速較高時，其幅值甚至超過2階次。

3.2發動機質心廣義力故障診斷方法分析

由發動機質心廣義力進行故障診斷的關鍵是建立故障特征庫。從兩方面進行特征提取：一方面，從理論推導發動機出現故障時質心廣義力相對正常時的特征，并通過發動機仿真模型驗證理論推導結果；另一方面，通過故障模擬試驗識別出故障發動機的實際質心廣義力，并與正常發動機的實際質心廣義力作對比，提取出故障。從實測的質心廣義力中提取出故障特征后，初步得到診斷結果，再通過理論分析驗證診斷結果，最后通過拆檢進行驗證，驗證成功后將故障特征存入特征庫中，如果診斷失敗則由拆檢結果重新進行特征分析，得到故障特征后存入特征庫，以便下次能成功診斷出同樣的故障。發動機質心廣義力故障診斷方法流程圖如圖2所示。

4結語

總結了基于振動的發動機故障診斷方法的研究現狀，并分析了其局限性，鑒于發動機質心廣義力對故障的敏感度高，受外部環境與測試條件的影響較小等特點，提出將發動機質心廣義力作為發動機故障診斷的分析對象，建立分析對象特征與故障之間的明確映射關系，為發動機故障診斷開辟新途徑。

為實現基于質心廣義力的發動機故障診斷，還需重點進行如下兩方面的研究。

1)對發動機質心廣義力的識別精度進行實驗驗證。消除連接附件及彈性體模態對發動機質心廣義力識別方法的影響，對發動機質心廣義力識別方法進行精密的實驗驗證，是保障故障診斷可靠性的基礎。

2)對發動機出現故障時質心廣義力的特征進行理論推導，建立故障特征庫。

圖2　發動機質心廣義力故障診斷方法Fig.2　Method of engine fault diagnosis by generalized force at C.G.

參考文獻/References:

[1]國家自然科學基金委員會工程與材料科學部. 機械工程學科發展戰略報告(2011—2020)[M]. 北京：科學出版社，2010.

[2]李映穎,譚光宇,陳友龍. 基于飛行數據的航空發動機健康狀況分析[J]．哈爾濱理工大學學報,2011,16(5):43-46.

LI Yingying, TAN Guangyu, CHEN Youlong. Research on the analysis of physical condition of aero-engines with flight data[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology, 2011,16(5):43-46.

[3]嚴新平,張月雷,毛軍紅. 在線油液監測技術現狀與展望[J].潤滑與密封,2011,36(10):1-3.

YAN Xinping, ZHANG Yuelei, MAO Junhong. Development status and research spots of on-line oil monitoring technology[J].Lubrication Engineering,2011,36(10):1-3.

[4]廖世勇,米林,石曉輝, 等．基于分形理論的內燃機噪聲信號分析[J].內燃機工程,2010,31(2):59-63．

LIAO Shiyong,MI Lin, SHI Xiaohui,et al. Study on internal combustion engine noise based on fractal theory[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2010,31(2):59-63．

[5]何必海,馬向東,郎振.民用航空發動機振動監測方法研究[J].燃氣渦輪試驗與研究,2012,25(2):59-62.

HE Bihai, MA Xiangdong, LANG Zhen. Investigation of civil aero-engine vibration monitoring method[J].Gas Turbine Experiment and Research,2012,25(2):59-62.

[6]JIN Xiangyang, YANG Hanlin,WANG Heteng. Fault diagnosis for civil aviation engine test based on the vibration signal[J]. Procedia Engineering, 2012,29:3002-3006.

[7]YAN Ruqiang, GAO R X, CHEN Xuefeng. Wavelets for fault diagnosis of rotary machines: A review with applications [J]. Signal Processing, 2014,96(5):1-15.

[8]李敏通. 柴油機振動信號特征提取與故障診斷方法研究[D]. 楊凌：西北農林科技大學,2012.

LI Mintong. Research on Diesel Engine Vibration Signal Feature Extraction and Fault Diagnosis Methods[D]. Yangling: Northwest A & F University,2012.

[9]任慶霜,司景萍,梁紅波, 等.基于振動信號的發動機故障診斷方法分析[J]. 公路與汽運, 2010(3):22-25.

REN Qingshuang, SI Jingping, LIANG Hongbo,et al. Engine faulty diagnosis method analysis in the basis of vibration signal [J].Highways & Automotive Applications, 2010(3):22-25.

[10]唐娟. 基于振動信號評價柴機油機缸內燃燒狀態的研究[D].濟南:山東大學,2010.

TANG Juan. Combustion Estimation of Diesel Engines Based on Vibration Signal[D].Jinan: Shandong University,2010.

[11]GU F, BALL A D. Diesel injector dynamic modelling and estimation of injection parameters from impact response Part 2: Prediction of injection parameters from monitored vibration[J]. Proceedings of the International of Mechanical Engineerings Part D： Journal of Automobile Engineering, 1996,210(44):303-312.

[12]SAMIMY B, RIZZONI G. Mechanical signature analysis using time-frequency signal processing: Application to internal combustion engine knock detection [J]. Proceedings of the IEEE, 1996,84(9): 1330-1343.

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

LIU Shiyuan, DU Runsheng,YANG Shuzi.The characteristic analysis of vibration signal measured on engine cylinder head and its applications to fault diagnosis[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology,1999,27(7):48-50.

[14]賈繼德,孔凡讓, 姜斯平,等.應用振動信號診斷汽油機磨損故障[J].汽車工程,2002,24(2):149-151.

JIA Jide,KONG Fanrang,JIANG Siping,et al. Fault detection in gasoline engine by the vibrations analysis method [J].Automotive Engineering,2002,24(2):149-151.

[15]孔凡讓,賈繼德, 李志遠,等.連桿軸承故障的診斷研究[J].中國機械工程, 2003,14(6):494-497.

KONG Fanrang, JIA Jide,LI Zhiyuan,et al. Research on diagnosis of engine connecting rod bearing[J].China Mechanical Engineering, 2003,14(6):494-497.

[16]孔凡讓,賈繼德, 李志遠,等.活塞銷故障的診斷研究[J].振動與沖擊,2002,21(1):83-85.

KONG Fanrang, JIA Jide,LI Zhiyuan,et al. Study on diagnosis of engine piston pin bearing wear fault[J].Journal of Vibration and Shock,2002,21(1):83-85.

[17]姚建軍,向陽,周勇,等.基于倒頻譜方法的柴油機氣缸壓力識別[J].航海工程, 2006(1):37-39.

YAO Jianjun, XIANG Yang, ZHOU Yong,et al. Identification of cylinder pressure of diesel engine based on the cepstral analysis[J]. Ship & Ocean Engineering, 2006(1):37-39.

[19]BARELLI L, BARLUZZI E, BIDINI G,et al. Cylinders diagnosis system of a 1 MW internal combustion engine through vibrational signal processing using DWT technique [J]. Applied Energy, 2012,92:44-50.

[20]杜燦誼. 基于建模仿真與振動分析的發動機故障診斷方法研究[D].廣州:華南理工大學，2013.

DU Canyi. Study of Automotive Engine Fault Diagnosis Based on Model Simulation and Vibration Analysis[D].Guangzhou: South China University of Technology,2013.

[21]杜燦誼, 楊志堅,丁康.小波分析在發動機失火監測中的應用[J].振動、測試與診斷, 2011,31(3):318-322.

DU Canyi, YANG Zhijian, DING Kang. Monitoring method for engine misfire based on wavelet analysis[J].Journal of Vibration, Measurement & Diagnosis, 2011,31(3):318-322.

[22]SHARMA A, SUGUMARAN V, DEVASENAPATI S B. Misfire detection in an IC engine using vibration signal and decision tree algorithms [J].Measurement, 2014,50:370-380.

[23]ZHU K P, WONG Y S, HONG G S.Wavelet analysis of sensor signals for tool condition monitoring: A review and some new results [J].International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2009,49:537-553.

[24]WANG Xia, LIU Changwen, BI Fengrong,et al. Fault diagnosis of diesel engine based on adaptive wavelet packets and EEMD-fractal dimension [J].Mechanical Systems and Signal Processing, 2013,41(1):581-597.

[25]夏勇,商斌梁, 張振仁,等. 基于小波包與圖像處理的內燃機故障診斷研究[J].內燃機學報,2001,19(1):62-68.

XIA Yong, SHANG Binliang, ZHANG Zhenren,et al. Research on fault diagnosis for internal combust ion engines using wavelet packet and image processing[J].Transactions of Csice,2001,19(1):62-68.

[26]夏勇,張振仁,商斌梁,等.基于小波分析與氣缸壓力的氣門故障診斷[J].內燃機工程, 2001,22(1):23-27.

XIA Yong, ZHANG Zhenren, SHANG Binliang,et al. Fault diagnosis for the valve train based on wavelet analysis and cylinder pressure[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2001,22(1):23-27.

[27]余紅英.機械系統故障信號特征提取技術研究[D]. 太原:中北大學,2005.

YU Hongying. Study on Feature Extraction Technique in Fault Signal of Mechanical System[D].Taiyuan: North University of China,2005.

[28]王國彪,何正嘉, 陳雪峰, 等.機械故障診斷基礎研究“何去何從”[J].機械工程學報,2013,49(1):63-72.

WANG Guobiao, HE Zhengjia, CHEN Xuefeng, et al. Basic research on machinery fault diagnosis:What is the prescription[J].Journal of Mechanical Engineering,2013,49(1):63-72.

[29]王峰. 汽車動力總成懸置系統振動分析及優化設計[D].上海: 上海交通大學,2008.

WANG Feng.Vibration Analysis and Optimal Design of Automotive Powertrain Mounting System[D].Shanghai:Shanghai Jiaotong University,2008.

[30]聶君臣,范子杰. 摩托車汽油機不平衡力幅值的研究[J].小型內燃機與摩托車,2006,35(6):21-24.

NIE Junchen, FAN Zijie. Study on the amplitude of motorcycle engine unbalance force[J]. Small Internal Combustion Engine and Motorcycle,2006,35(6):21-24.

[31]王輝.直列四缸發動機的振源分析與仿真[J].機械工程與自動化,2009(5):53-55.

WANG Hui. Analysis and simulation of vibration source of certain inline four-cylinder engine[J]. Mechanical Enginerring & Automotion,2009(5):53-55.

[32]李雙虎, 樊文欣, 趙艷濤, 等. 用兩種軟件對比分析四缸發動機振源[J].噪聲與振動控制,2010(1):139-142.

LI Shuanghu, FAN Wenxin, ZHAO Yantao, et al. Comparative analysis of vibration source of four-cylinder engine using two commerical codes[J]. Noise and Vibration Control, 2010(1):139-142.

[33]KIM S J, KIM S G, OH K S,et al. Excitation force analysis of a powertrain based on CAE technology[J]. International Journal of Automotive Technology, 2008,9(6):703-711.

[34]VERHOEVEN J. Excitation force identification of rotating machines using operational rotor/stator amplitude data and analytical synthesized transfer functions[J]. Journal of Vibration & Acoustics, 1988,110(3): 307-314.

[35]OTSUKA T, OKADA T, IKENO T,et al. Force identification of an outboard engine by experimental means of linear structural modeling and equivalent force transformation[J]. Journal of Sound & Vibration, 2007,308(3/4/5):541-547.

[36]CHOI H G, THITE A N, THOMPSON D J. Comparison of methods for parameter selection in Tikhonov regularization with application to inverse force determination[J].Journal of Sound & Vibration, 2007, 304(s3/4/5):894-917.

[37]SAS P, WYCKAERT P. Indirect force determination based upon matrix inversion: A study on statistical and deterministic accuracy[C]// Proceedings of the International Conference on Noise and Vibration Engineering. Leuven:[s.n.], 1994:1049-1065.

[38]YUAN Chunhui, ZHU Xianming, ZHANG Guoliang,et al. Indirect engineering estimation of force excited by machinery vibration sources of ship[J]. Journal of Ship Mechanics,2007,11(6):961-973.

[39]TAO J S,LIU G R,LAM K Y. Excitation force identification of an engine with velocity data at mounting points[J]. Journal of Sound & Vibration,2001,242 (2): 321-331.

[40]宋志順. 汽車動力總成半主動懸置和懸置系統解耦穩定性設計方法[D]. 廣州:華南理工大學,2006.

SONG Zhishun.Automotive Powertrain Semi-active Suspension and Suspension System Stability of Decoupling Design Method[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2006.

[41]楊志堅. 離散頻譜校正理論研究及其在發動機振動分析中的應用[D].廣州:華南理工大學, 2009.

YANG Zhijian.Theoretical Research on Spectrum Correction and its Application in Excitation Force Identification of an Engine[D].Guangzhou:South China University of Technology, 2009.

[42]楊志堅,丁康,徐傳燕. 基于離散頻譜校正的發動機激勵力識別方法仿真研究[J].振動工程學報,2010,23(6):660-664.

YANG Zhijian, DING Kang, XU Chuanyan.Simulation of engine excitation force identification based on discrete spectrum correction[J].Journal of Vibration Engineering,2010,23(6):660-664.

[43]HAFIDI A E,MARTIN B,LOREDO A,et al. Vibration reduction on city buses: Determination of optimal position of engine mounts[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2010,24(7):2198-2209.

[44]李淑靜,閆兵,孫梅云, 等.測試參數誤差對內燃機激振力識別精度的影響[J].柴油機，2013,35(5)：16-21.

LI Shujing,YAN Bing, SUN Meiyun, et al. The effect of measurement error on the recognition accuracy of exciting forces of ICE[J].Diesel Engine,2013,35(5)：16-21.

[45]XU Chuanyan,CAO Fengping. Engine excitation force identification on the basis of discrete spectrum correction[J].Mathematical Problems in Engineering,2015(6):1-11.

[46]汪長明.車輛發動機動力學[M].北京:國防工業出版社,1990.

A new method for engine fault diagnosis based on generalized force at the center of gravity of engines

XU Chuanyan, FU Wenjun， CAO Fengping

(School of Automotive Engineering, Shandong Jiaotong University, Jinan, Shandong 250023, China)

Abstract:At present, most of the engine fault diagnosis is specific to a particular type of failure, and the mapping relationship between the analysis object features and the faults is not clear, so that the extracted features have poor universality, resulting in slow development of engine fault diagnosis, and there is no a mature diagnosis system can be used in practical application. Vibration based engine fault diagnosis research trends are analyzed both at home and abroad. The generalized force at C.G.(the center of gravity of engine) is proposed to be the analysis object for engine fault diagnosis, and clear mapping relationship between the analysis object features and the faults is achieved. It is significant for developing new engine fault diagnosis methods.

Keywords:internal combustion engine engineering； engine; fault diagnosis; generalized force; mapping relationship; vibration

中圖分類號：U464.1; TN911.7

文獻標志碼：A

作者簡介：徐傳燕(1981—)，女，山東濟南人，副教授，博士，主要從事機械設備故障診斷、工程信號處理方面的研究。

基金項目：國家自然科學基金 (51405272); 交通運輸部應用基礎研究項目(2013319817190)；長安大學重點實驗室開放基金(310822151117)

收稿日期：2015-07-25；修回日期：2016-01-16；責任編輯：陳書欣

doi:10.7535/hbkd.2016yx02005

文章編號：1008-1542(2016)02-0139-07

E-mail:xcy@sdjtu.edu.cn

徐傳燕，富文軍，曹鳳萍.基于質心廣義力監測的發動機故障診斷新方法[J].河北科技大學學報,2016,37(2):139-145.

XU Chuanyan, FU Wenjun，CAO Fengping.A new method for engine fault diagnosis based on generalized force at the center of gravity of engines[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2016,37(2):139-145.