基于扭振信號的柴油機單缸熄火故障診斷與監測

蔡鵬飛，顧 含，劉 昕，張松陽，王孝霖

(中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

基于扭振信號的柴油機單缸熄火故障診斷與監測

蔡鵬飛，顧 含，劉 昕，張松陽，王孝霖

(中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

利用曲軸扭振波形參數對柴油機熄火故障進行監測和故障定位分析，并開發故障監測系統。通過試驗模擬柴油機熄火故障，利用曲軸扭角峰峰值、各諧次幅值和峭度值可準確地監測熄火故障。對扭角時域波形進行濾波處理后，與上止點參考信號和發火間隔角結合分析，可準確定位發生熄火故障的氣缸，開發的故障監測系統可及時對熄火故障進行報警。

船舶工程；柴油機；熄火；扭振；濾波；監測；定位

柴油機廣泛應用于船舶、汽車等領域中，受工作原理影響，其曲軸在工作過程中始終受不均勻扭矩的作用。[1]單缸熄火是柴油機運行過程中常見的故障，會導致扭矩的不均勻性加劇，甚至會引發曲軸裂紋、拉缸等重大事故。因此，對單缸熄火故障進行診斷和定位對保障柴油機安全工作意義重大。

大中型柴油機普遍安裝有測量各缸排氣溫度的溫度傳感器，可用來監測各缸的燃燒情況，進而對熄火故障進行報警。[2]同時，利用瞬時轉速信號診斷熄火故障也是一種常用的方法，通過瞬時轉速信號的時域波形分析和頻域分析，可判斷出熄火故障和定位熄火氣缸。[3-4]此外，通過建立柴油機的動力學模型，根據瞬時轉速信號反演各氣缸的壓力或做功能量,也可分析熄火故障。[5-7]

軸系的扭振是受到不均勻的氣缸壓力引起的，因此軸系的扭振信號能反映氣缸的工作狀況，相關學者[8-10]已對利用軸系扭振的諧次參數和波形參數來診斷熄火故障進行研究。隨著計算機技術不斷發展，模糊理論、神經網絡和自適應識別等技術逐漸應用到柴油機的熄火故障診斷中，使得熄火故障的診斷正向著智能化方向發展。[11-12]扭振傳感器的價格低廉、安裝方便、工作可靠，因此這里利用軸系的扭振信號對柴油機的單缸熄火故障進行研究，提取扭振信號的特征參數對熄火故障進行判斷和定位，通過在柴油機上模擬熄火故障工況，對所提出方法的實用性進行驗證。此外，開發基于虛擬儀器技術的故障診斷系統，利用該系統對柴油機的扭振進行測試，進而監測單缸熄火故障。

1 扭振信號特征參數提取

1.1扭振測試原理

扭振信號測試系統由傳感器、整形電路和扭振儀組成，由扭振儀輸出時域扭角信號(見圖1)。當選用磁電傳感器時，需在被測軸系上安裝齒盤；當選用編碼器時，需將其安裝在軸系的自由端，保證編碼器的旋轉軸和被測軸系的同軸度。無源磁電傳感器輸出正弦信號，有源磁電傳感器和編碼器輸出方波信號，但受干擾等因素影響，傳感器輸出的波形可能會不規則，經整形電路變換為規則的方波信號。扭振儀將采集到的方波信號轉化為時域扭角信號，進而對信號進行頻域和幅值域分析。

圖1 扭振測試原理

若軸系在旋轉時沒有扭振，則其瞬時轉速等于平均轉速，傳感器輸出的方波信號的周期恒定。若軸系發生扭振，則其轉速會出現波動，相當于在軸系平均轉速上疊加一個扭振的波動，此時傳感器輸出的脈沖序列不再是均勻間隔(如圖1所示)。這樣的信號相當于一個載波頻率被扭振信號調制的調頻信號，可用脈沖計數法進行解調。

傳感器輸出的脈沖信號可轉化為軸系的瞬時扭角值[13]，即

(1)

式(1)中：ω為瞬時角速度；tc為軸系旋轉一周所用時間；ωc為平均角速度；N為齒盤的齒數；tn為輸出n個脈沖信號所用時間；n為脈沖個數。

1.2扭振特征信號提取

柴油機是一種往復機械，其曲軸始終受不均勻的氣缸爆發壓力的作用，當發生熄火故障時，氣缸爆發壓力的不均勻性增強，軸系的扭振會加劇，與正常工況相比，扭角的峰峰值會增大。此外，從頻域的角度看，扭角的諧次分量也會增大。

若將柴油機的氣缸爆發壓力近似看作一個脈沖激勵，峭度對沖擊脈沖類故障比較敏感，對柴油機的轉速、負荷變化不敏感，則可利用扭振波形的峭度來診斷柴油機的熄火故障。扭振波形峭度的計算式為

(2)

(3)

在以上分析中，根據扭振波形的峰峰值、各諧次幅值及峭度等參數可初步判斷熄火故障是否發生，但不能準確定位發生熄火故障的氣缸。因此，需進一步提取扭振波形特征參數進行熄火氣缸定位。

盡管軸系受不均勻激勵力的作用，但其扭振波形在柴油機工作過程中仍呈周期性變換規律。當發生熄火故障時，扭振波形會發生變化，通過對正常工況和熄火工況下的扭振時域波形進行比較，可發現比較典型的波形變化特征(見圖2)。由圖2a可知，在圓圈標注的位置處扭角值突然下降，致使扭角峰峰值θv-v明顯增大。出現這種現象的原因是在發生熄火故障時扭矩的不均勻性加劇，而這種扭矩的波動方向與正常扭角的變化方向相同，使得扭角值突然下降。由于扭角的正負代表方向，因此由扭角值突然上升也可判斷熄火故障。由圖2b可知，在圓圈標注的位置處扭角波形發生突變，即扭角曲線的斜率突然發生變化。出現這種現象的原因是在發生熄火故障時扭矩的不均勻性加劇，但這種扭矩的波動方向與正常扭角的變化方向相反，使得扭角曲線的斜率發生突變。

a)特征1b)特征2

圖2 故障工況下扭角時域信號特征示意

根據以上分析，將同一工況下測得的扭角曲線與正常工況下的軸系扭角曲線相對比可知，當扭角的峰值明顯增大或扭角曲線的斜率突變時，說明該時刻發生熄火故障。此外，結合上止點信號和發火間隔角可判斷發生熄火故障的氣缸。

2 試驗裝置與系統

2.1柴油機試驗臺架

選取16缸四沖程柴油機作為研究對象。該柴油機通過彈性聯軸器與測功機連接，額定轉速為1 050 r/min，氣缸呈V形排列，A列與B列之間的夾角為60°；各氣缸之間的發火間隔角不均勻，分別為30°和60°。由于該柴油機的氣缸較多，因此在同一作功行程中會有多個氣缸作功，曲軸受力較為復雜。

2.2測試系統

該試驗的測試系統見圖3。在柴油機的自由端安裝編碼器，該編碼器的信號分別輸入給數據采集儀和故障監測儀。為對發生熄火故障的氣缸進行準確定位，在凸輪軸處安裝磁電傳感器，在凸輪軸上安裝基準感應箍，凸輪軸每旋轉一周，磁電傳感器輸出一個脈沖信號，該脈沖信號代表該氣缸處于上止點位置，依據發火間隔角便可推算出任意氣缸在任意時刻的位置，由此進行故障氣缸定位。

圖3 測試系統

3 單缸熄火故障試驗分析

3.1熄火故障診斷分析

該試驗分別選取A1缸熄火和A7缸熄火2種故障工況。正常工況與熄火工況下的扭角和峭度值對比見表1。

表1 正常工況與熄火工況下的扭角和峭度值對比

由表1可知，熄火工況下的各諧次扭角幅值和峭度值均明顯大于正常工況，因此利用扭角和峭度可準確判斷熄火故障是否發生。

3.2熄火故障氣缸定位分析

扭角的時域信號可通過參照上止點信號和發火間隔角將各時刻的扭角與各氣缸的爆發時刻建立聯系，當在某氣缸的爆發時刻扭角波形與正常工況波形相比出現異常時，可由此定位熄火氣缸。

圖4為正常工況與A1缸熄火工況的扭角波形對比。由圖4可知，在A1缸熄火工況下，在圓圈標示的位置處，扭角值較正常工況下降明顯，峰值增大，在465°曲柄轉角處扭角達到最小值，且在該位置之后波形出現不規則波動。A1缸的爆發時刻處于435°～480°曲柄轉角，465°曲柄轉角恰好在該區間內，說明波形的異常是由A1缸的發火異常(即A1缸熄火)引起的。

圖4 正常工況與A1缸熄火工況的扭角波形對比

圖5為正常工況與A7缸熄火工況的扭角波形對比，2條曲線雖然有所差別，但并沒有明顯的熄火故障特征出現。在圓圈標示的位置處，曲線的斜率雖然有微小變化，但并不能由此判斷該位置是熄火故障發生的位置。因此，通過扭角波形對比，無法定位熄火氣缸。

圖5 正常工況與A7缸熄火工況的扭角波形對比

由圖4和圖5可知，利用扭角波形對比的方法可定位熄火氣缸，但不能完全涵蓋所有的熄火情況。這是由于柴油機是一個復雜的機械系統，扭角的時域波形中包含十分復雜的頻率成分，一些波形特征會被高頻的成分所干擾或掩蓋。

柴油機的氣體爆發激勵是扭振的一個重要激勵源，對于4沖程柴油機，一個工作循環曲軸旋轉2周，設各個氣缸間的發火間隔角為φc，柴油機的氣缸發火頻率[4]為

(4)

對于均勻發火間隔的柴油機，發火間隔角φc為定值；而對于選用的發火間隔不均勻的機型，其發火間隔角分別為30°和60°，可將這2個值分別代入到式(4)中，求得2個發火頻率，最后求平均值。這里選用發火頻率的1/2作為上限截止頻率，對扭角波形進行濾波。

圖6為濾波后A1缸熄火工況與正常工況的扭角波形對比，曲線的趨勢與圖4中曲線的趨勢基本一致，可判斷扭角曲線的異常與A1缸熄火有關，與圖4中的結論一致。

圖6 濾波后A1缸熄火工況與正常工況的扭角波形對比

圖7為濾波后A7缸熄火工況與正常工況的扭角對比。與圖5相比，在圖7中圓圈標示的位置處，扭角曲線的斜率突變現象更加明顯，這是由于濾波后扭角中不包含高頻成分的干擾。曲線斜率發生突變的位置在287°曲柄轉角處，A7缸的爆發時刻在255°～300°曲柄轉角處，突變位置恰好在該區間內，因此可判定是A7缸熄火導致曲線異常。

圖7 濾波后A7缸熄火工況與正常工況的扭角波形對比

通過對比分析圖4～圖7，對扭角信號進行濾波后，去除原波形的高頻成分干擾，有利于故障信號的發現和判斷，說明利用濾波后的扭角波形定位單缸熄火是可行、有效的。

4 結束語

通過對柴油機單缸熄火故障進行試驗模擬，進行熄火故障監測和故障氣缸定位研究，得到以下結論：

1) 利用曲軸扭角的峰峰值、各諧次幅值和峭度值可快速、準確地監測熄火故障。

2) 利用濾波后的扭振波形，結合上止點參考信號和發火間隔角，可準確定位發生熄火故障的氣缸。

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DiagnosisandMonitoringofMisfireforDieselEngineBasedonTorsionalVibration

CAIPengfei,GUHan,LIUXin,ZHANGSongyang,WANGXiaolin

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department,Jiangyin 214431,China)

A misfire detection and alarming system is developed in which misfire of a diesel engine is monitored and the fault cylinder is identified according to the parameters of the torsional vibration.Studying on the simulative diesel engine misfire phenomenon reveals that observing the peak-peak values of torsional vibration and the harmonic amplitudes/ kurtosis values of the vibration can detect the misfire.The filtered torsional vibration waveform in time domain,combined with the signal of TDC and firing angle,can be used to identify fault cylinder.

ship engineering; diesel engine; misfire; torsional vibration; filter; monitoring; identification

TK422; U664.121

A

2017-02-16

蔡鵬飛(1984—)，男，遼寧阜新人，工程師，碩士，研究方向為船舶動力機械。E-mail:dcxjcpf@sina.com

1000-4653(2017)02-0034-04