基于振動監測的應急柴油機啟動性能分析方法

江志農 茆志偉 王子嘉 包彬彬 張進杰

1.北京化工大學高端機械裝備健康監控與自愈化北京市重點實驗室，北京，100029 2.北京化工大學壓縮機技術國家重點實驗室壓縮機健康智能監控中心，北京，100029 3.中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢，430223

0 引言

應急柴油發電機組作為核電站應急設備，為核電站反應堆專設安全設施提供電源，屬于核電站一級安全設備。根據核電站應急柴油機的核安全準則［1］，要求應急柴油機在緊急情況下，能夠在10s內啟動達到額定轉速并具備加載條件，這要求應急柴油機具有很好的啟動性能。

對柴油機啟動性能的分析研究主要集中在環境因素和設計參數等對啟動性能的影響方面。樓狄明等［2］和高軒等［3］分別研究了低溫低壓環境對柴油機啟動性能的影響。李新瑞等［4］研究了配氣正時對船用柴油機低溫啟動性能的影響。杜巍等［5］研究了進氣預熱給柴油機啟動性能帶來的影響。目前針對核電站應急柴油啟動過程的研究較少，LIM等［6］對應急柴油機啟動時間延長的安全風險做了深入研究。KANˇCEV等［7］研究了應急柴油機的操作和故障分析經驗。ARROYO等［8］提出了基于振動和聲發射技術的應急柴油機故障診斷方法。

可查資料和現場考察情況顯示：目前對應急柴油機啟動性能的主要判斷依據仍是啟動時間和熱工參數，即在定期試驗中，根據檢查記錄機組啟動過程所需的時間和介質（潤滑油、冷卻水、空氣等）的溫度、壓力等參數是否在規定的范圍內，來判斷機組的健康狀態。但應急柴油機屬于復雜機械系統，在整個啟動過程中，一旦啟動時間達不到要求或出現參數異常，則很難通過熱工參數實現問題的有效排查。

本文提出了一種基于振動信號監測的應急柴油機啟動過程分析方法。進行整周期信號連續采集，采用瞬時轉速解決啟動過程中因轉速快速變化導致振動信號的相位偏差問題，完成相位校正；通過可調尺度參數的信號包絡方法對振動信號進行包絡處理，準確提取信號沖擊特征，從而對柴油機啟動特性進行分析評價。

1 可調尺度參數的信號包絡方法

1.1 方法步驟

核電應急柴油機缸蓋振動信號屬于典型的準周期非平穩信號，其中包含多個局部沖擊，直接對信號進行時域分析、頻域分析甚至時頻分析等的復雜度較大，且難以獲取直觀有效的規律特征，但振動信號整周期的包絡線具有清晰直觀的波形特征，且各周期的振動信號包絡線具有顯著的相似性，便于對異常振動沖擊的出現和沖擊特征的變化進行檢測。

本文提出了一種尺度參數可調的信號包絡線提取方法，該方法兼顧原始信號插值方法與信號解調方法提取包絡線的優點，具備通過調整尺度參數來連續控制包絡線光滑性的能力。該方法步驟如下（以上包絡線為例，下包絡線同理）：

（1）提取原信號s（i）中的極大值點（一階極大值點或多階極大值點），構成一組特征點序列y1（j），并記錄其在原信號中的位置序列為x1（j）。

（2）計算y1（j）的極小值序列y2（k），并記錄其在x1（j）中的位置序列為x2（k），則yi（j）在原信號s（i）中的位置序列為x1（x2（k）），計算點（x1（x2（k）），y2（k））處的特征值：

其中，Ca（k）表 示 點 （x2（k），y2（k））及 其 在（x1（j），y1（j））序列中與其相鄰的前后兩點，在橫坐標伸縮比例為a的情況下，通過3點作圓求得的圓心縱坐標；Da（k）表示在橫坐標伸縮比例為a的情況下，以特征點在原信號s（i）的位置序列作為橫坐標，點（x2（k），y2（k））在（x1（j），y1（j））序列中與其相鄰的前后兩點連線在x1（x2（k））處的線性插值。若chara（k）＜0，則將該點（x2（k），y2（k））從（x1（j），y1（j））序列中剔除。

（3）將序列y1（j）中滿足式（1）條件的特征點剔除后，形成新的一組序列，并重復步驟（2），循環剔除滿足條件的點，直到連續2次剔除的點數不大于Nstop。Nstop一般取1～10之間的正整數。

（4）將經步驟（2）、步驟（3）后仍保留下來的點用插值的方法連接起來，作為信號的上包絡線。

上述步驟中，Ca（k）是尺度參數a（a＞0）的函數，Da（k）與a無關。通過調整a來控制特征點的剔除，當a增大時，則Ca（k）增大，被剔除的特征點數量減少，得到的曲線更不平滑（即更接近極值點包絡線）；當a減小時，則Ca（k）減小，被剔除的特征點數量增加，得到的曲線更平滑。

1.2 數據測試效果

以真實柴油機缸蓋振動加速度信號為對象，應用本文方法進行包絡提取，如圖1所示，傳統的Hilbert包絡和一階極值包絡分別如圖2和圖3所示。可看出：與傳統包絡線提取方法相比，本文提出的包絡線提取方法簡潔靈活，僅通過修改單一的尺度參數就可以控制包絡線的平滑性，可根據求取包絡線的目的以及振動波形的波動特性優選包絡線形狀。進一步分析可知：尺度參數越大，則包絡線的緊致程度越高，越容易受到局部低噪聲的影響；尺度參數越小，則包絡線平滑程度越高，原波形的波動信息利用越不充分。本文提取包絡線的目的是計算包絡能量，通過觀察實際信號波動特點，以及各尺度參數下包絡線光滑程度，選擇尺度參數a＝1，并在各缸特征的計算中保持尺度參數不變，從而避免因a的變化而引入包絡能量的差異。

圖1 不同尺度參數的包絡線Fig.1 Envelope waveforms with different scale parameters

2 基于瞬時轉速的整周期信號相位校正

柴油機采用不同氣缸交替點火，導致實際轉速存在明顯波動，特別在升轉速過程中轉速波動特性增強。進行柴油機振動信號分析依賴對時域波形進行角域轉換，而一般方法是基于鍵相信號，通過平均轉速進行等間隔角度劃分。該方法在轉速波動劇烈的工況下極易造成相位偏差，偏差較大時會導致基于角域分析的柴油機信號處理技術無法使用。

圖2 Hilbert變換所求包絡線的波形Fig.2 The waveform of the envelope of the Hilbert transform

圖3 一階極值方法所求包絡線的波形Fig.3 The waveform of the envelope of the first order extremum method

本文采用基于柴油機瞬時轉速信號的角域轉換方法，分析柴油機轉速劇烈波動工況下的相位偏差大小，用于進行振動信號相位校正。瞬時轉速測量示意圖見圖4。

圖4 瞬時轉速測量示意圖Fig.4 A schematic diagram of instantaneousspeed measurement

柴油機瞬時轉速測量周期

其中，N 為計數器讀數；t0為傳感器采樣時間間隔，s。此時被測轉角θ內的平均轉速

因為θ通常在幾度范圍內，與所分析的宏觀角度相比數值較小，所以可將n－近似看作瞬時轉速n，即

柴油機曲軸相位的一般計算方法是基于鍵相信號和一個完整工作循環的平均轉速對該工作循環進行等間隔角度劃分。柴油機一個工作循環的時間

式中，fs為柴油機采樣頻率，Hz；Ns為一個工作循環的采樣長度。

四沖程柴油機一個完整工作循環內曲軸旋轉兩圈的平均轉速

通過平均轉速計算得到的曲軸轉角

利用測得的瞬時轉速ni對一個工作循環時間t進行積分，得到的曲軸轉角

柴油機快速啟動升速階段的瞬時轉速和平均轉速的比較如圖5所示，在一個工作周期中，曲軸瞬時轉速在不斷波動，并且有明顯的直流增量。基于不同轉速轉化的角域值如圖6所示，可以看出兩者的差距先增大后減小，曲軸瞬時轉速直流增量越大，兩種方法轉化的角域值差異越大。基于不同方法計算的角域波形和輪廓對比如圖7和圖8所示，容易看出，基于瞬時轉速得到的結果在活塞上止點位置有顯著沖擊，該沖擊為點火沖擊，說明基于瞬時轉速計算的結果更加準確。

圖5 瞬時轉速與平均轉速對比Fig.5 Collation of instantaneous speed and average speed

圖6 基于不同轉速轉化的角域值對比Fig.6 Angle domain comparison based on different rotational speeds

圖7 啟動升速階段基于不同方法計算的角域波形結果Fig.7 Angular domain waveform results calculated based on different methods at the start-up stage

圖8 啟動升速階段基于不同方法計算的角域波形輪廓Fig.8 Angular domain waveform calculated based on different methods at the start-up stage

3 機組啟動過程評價方法

3.1 測試對象與傳感器布置

本文研究對象為一臺956發電柴油機，該機組擁有20個氣缸，每個氣缸由單獨的燃油噴射泵供油。該柴油機通過聯軸器驅動發電機，采用整體式基座支撐形式。機組關鍵信息見表1。

表1 956V20應急柴油發電機組關鍵信息Tab.1 Key information of 956V20emergency diesel generator set

機組發火順序為：A1-A7-A7-B2-A2-B6-A6-B3-A3-B10-A10-B4-A4-B9-A9-B5-A5-B8-A8-B1。監測點實際布置包括以下3項：①鍵相測點1個；②瞬時轉速測點1個；③缸蓋振動測點20個。測點安裝情況如圖9所示。

3.2 特征選擇與提取

圖9 現場測試傳感器安裝圖Fig.9 Sensors installation

應急柴油機的啟動方式為氣瓶啟動，以啟動空氣源斷開為節點可以將整個啟動過程分成兩個階段。第一階段，柴油機從靜止狀態開始啟動，啟動氣瓶中的高壓空氣經過空氣分配器到達對應氣缸的缸蓋，并壓開高壓空氣進氣閥，沖入氣缸，從而推動活塞向下運動，曲軸增速，當曲軸速度增大至柴油機點火轉速后，氣缸內開始出現點火做功過程，曲軸轉速快速升高。當轉速增大到設定轉速（如350r／min）后，啟動空氣斷開，啟動過程進入第二階段，柴油機僅靠自身點火帶動曲軸繼續升速，直到達到設定運行轉速。本文重點分析啟動過程的第一階段，驗證所提方法的有效性。

啟動第一階段A7缸的一個完整工作周期的缸蓋振動波形如圖10所示。由點火順序和點火間隔角度以及鍵相安裝位置可以計算得到A7缸的上止點在72°。分析啟動第一階段中各工作過程，可以判定沖擊1為點火沖擊，沖擊2為啟動空氣進氣閥開啟沖擊。容易看出，高壓啟動空氣閥在點火上止點后被壓開，這是空氣分配器的時序控制結果，以保證高壓氣體在活塞向下運行的過程中進入氣缸。

圖10 A7缸整周期缸蓋振動波形Fig.10 Vibration waveform of cylinder head of A7cylinder

為了準確提取點火沖擊和高壓空氣進氣閥開啟沖擊的特征，降低噪聲對特征提取結果的影響，需選擇合適方法對采集的原振動信號進行降噪處理。經驗模態分解（EMD）具有自適應濾波特性，其本質可以是一組具有自適應性的帶通濾波器，能夠將信號按頻率由高到低的順序分解，相比小波等方法具有顯著優勢。考慮到點火沖擊振動和高壓空氣進氣閥開啟沖擊振動均為沖擊類高頻信號，本文選用EMD方法對信號進行分解，并選擇分解后的前2個模態之和作為降噪濾波后的信號，降噪前后的波形如圖11所示。

圖11 A7缸整周期缸蓋振動波形降噪前后對比圖Fig.11 Vibration waveforms comparison between before and after noise reduction of A7cylinder

A7缸啟動過程第一階段的振動波形（基于瞬時轉速的角域轉化）及其輪廓曲線（基于本文提出的可調參數包絡方法）如圖12所示，可以明顯看出：第1周期尚未點火，第2周期開始出現點火沖擊，并且沖擊逐漸增大；高壓空氣進氣閥開啟沖擊在前5個周期均非常顯著，在第6個周期消失，此時高壓氣源已經切斷。正常啟動過程中，啟動空氣壓開進氣閥的時間會隨著運行周期數的增加而推遲，這主要是由缸內壓力的變化導致的，即隨著運行周期數的增加，缸內點火燃燒過程逐漸劇烈，點火上止點后的缸內壓力逐漸增大，從而導致高壓氣體壓開進氣閥的時間推遲。

圖12 啟動升速階段A7缸振動波形Fig.12 Vibration waveform of A7cylinder at the rising stage

應急柴油機在啟動過程中，可能會因為高壓氣路問題、高壓空氣進氣閥卡塞問題或啟動過程中缸內點火燃燒不良等問題導致柴油機啟動失敗，即不能在設定時間達到規定轉速。高壓氣路問題和進氣閥卡塞的問題會導致壓開高壓進氣閥的時間進一步推遲，從而導致缸蓋振動信號的高壓進氣閥開啟沖擊的相位和能量發生顯著變化；缸內點火燃燒不良的問題會導致缸蓋振動信號的點火沖擊能量顯著下降。因此，本文提取高壓進氣閥開啟相位和沖擊包絡能量作為評價啟動空氣氣路狀態的指標；選擇點火沖擊的包絡能量作為評價缸內點火燃燒狀態的指標。

因本文研究的二十缸柴油機的缸數很多，為使數據對比清晰且能夠驗證方法的有效性，分別任選A列和B列的3個缸（A2、A7、A10、B4、B6、B8）作為分析對象缸。

首先針對點火做功能力，分析點火燃燒的局部沖擊振動，提取啟動第一階段中每個周期各缸點火沖擊峰值和局部包絡能量，其中局部包絡能量計算中，包絡線的尺度參數均設定為1，沖擊寬度選擇為20°（本缸點火上止點前5°，上止點后15°）。點火沖擊峰值特征和局部包絡能量特征的變化趨勢如圖13和圖14所示，可以看出各缸點火沖擊特征的變化規律基本保持一致，均隨著運行周期的增加逐漸增大。因此，缸蓋振動的沖擊峰值和局部沖擊包絡能量能夠較好地反映點火做功情況。

圖13 啟動階段點火沖擊峰值Fig.13 Ignition impact peak at the start stage

圖14 啟動階段點火沖擊包絡面積Fig.14 Ignition impact envelope area at the start stage

針對高壓空氣進氣閥開啟沖擊與點火沖擊特征類似，同樣提取沖擊峰值和沖擊包絡的局部能量表征以高壓空氣的充氣做功狀態，啟動第一階段高壓空氣進氣閥開啟沖擊峰值和沖擊包絡面積隨運行周期的變化如圖15和圖16所示。可見沖擊峰值整體呈下降趨勢，而包絡能量基本呈上升趨勢，這是由于缸內燃燒壓力增大時，啟動空氣壓開進氣閥時的開啟速度會降低，從而碰撞能量降低，又由于缸內壓力波動導致碰撞持續寬度增大，故局部包絡能量增大。同時，由于隨著缸內爆燃壓力和轉速的不斷升高，高壓空氣進氣閥開啟沖擊的相位不斷延后，如圖17所示，由于排氣門打開的相位基本不變，高壓空氣做功能力隨之下降，故沖擊相位（相對本缸上止點）也可作為高壓空氣做功能力的特征參數。

圖15 啟動階段高壓空氣進氣閥開啟沖擊峰值Fig.15 The impact peak of high-pressure air intake valve opening at the start stage

圖16 啟動階段高壓空氣進氣閥開啟沖擊包絡面積Fig.16 The impact envelope area of high-pressure air intake valve opening at the start stage

圖17 啟動階段高壓空氣進氣閥開啟相位Fig.17 The phase of high-pressure air intake valve opening at the start stage

綜上所述，本文提取點火沖擊峰值、點火沖擊包絡能量作為評價缸內點火燃燒做功狀態的特征指標，提取高壓空氣進氣閥開啟沖擊峰值、沖擊包絡能量和沖擊相位作為評價高壓空氣做功狀態的特征指標。

4 啟動性能評估方法

鑒于各缸做功能力的強弱并無明確的界限，已經提取出能夠反映各缸情況的有效特征參數，但每個特征參數的合理范圍難以明確給出，本文引入灰色評價法對各缸的啟動做功能力進行綜合監測評估。本文利用基于灰色關聯度分析的灰色綜合評價方法，進行多個氣缸做功能力的監測評價排序。

灰色評價模型中，若設被評價對象有m個，則評價結果向量R＝（r1，r2，…，rm）T可表示為R＝E×W，其中，W＝ （ω1，ω2，…，ωn）T為n個評價指標的權重分配向量；E為各指標的評價矩陣，即

其中，ξi（k）為第i個對象的第k個指標與該指標的最優值之間的關聯系數。各特征均取啟動階段前5個周期的平均值作為灰色評價模型的輸入參數，見表2。

表2 灰色評價模型的輸入參數Tab.2 Input parameters of grey evaluation model

（1）確定特征最優值集合F＊。因各缸特征參數之間存在一定差異，且難以確定各特征的最優值，因此一般首先分析特征與評價目標之間的定性關系，然后從監測數據中選擇最優值組成特征最優值集合。本文中，點火燃燒越充分，則點火沖擊峰值和包絡能量均會趨于增大。

高壓空氣進氣閥開啟越順利，則進氣閥開啟沖擊峰值和包絡能量也將增大，同時高壓空氣進氣閥開啟相位越提前，則高壓空氣做功時間越長，做功能力增加。因此，選擇表2中峰值和包絡能量特征參數的最大值和相位特征參數的最小值組成最優指標集合：

（2）構造特征集矩陣D。矩陣D的第一行是特征最優值集合，后面各行是分析對象的特征參數，即

由于上述各特征參數的量綱和數量級不同，為了保證結果的可靠性，需要對原始特征參數值進行規范化處理，得到的規范化矩陣C，即

（3）綜合評價監測結果計算。C｛＊k｝＝｛1，1，1，1，0｝為參考數列，被比較數列為

其中，［ρ∈0，1］，通常可取ρ＝0.5。則評價矩陣

權重系數矩陣

綜合評判結果矩陣

根據計算得到的最優關聯度系數，可知各缸做功能力由優到劣依次為 A2，B6，A10，B8，A7，B4。

5 結論

本文基于柴油機啟動過程中振動數據的連續密集采集，并采用基于瞬時轉速的角域轉化技術保證各物理意義的沖擊相位和沖擊寬度準確，同時提出了一種新的可調尺度參數的振動信號包絡方法，相比傳統包絡線提取方法，該方法不僅可以實現包絡線的光滑程度連續可調，而且計算簡便，用于應急柴油機振動沖擊包絡能量的提取時，可有效表征沖擊能量的大小，為分析應急柴油機啟動性能打下基礎。該方法的有效性在核電站現場使用的應急柴油機的測試試驗中得到了初步驗證。在長期的監測中，該方法不僅能夠分析單次啟動過程中各缸啟動性能的差異，也能夠分析多次啟動過程中各缸啟動性能的變化趨勢，為現場的定期大修提供檢維修意見。同時，該方法易于實現，具有較好的實際應用推廣價值。