發動機機械故障非接觸式檢測技術分析

劉 旭

（天津內燃機研究所，天津 300072）

隨著人們經濟水平的提高，摩托車、汽車及各種農機通機等機械動力悄然改變著人們的出行方式和生活方式，在人們的日常生活中扮演著越來越重要的角色。而作為機械動力器械核心部件的發動機在日常運轉使用的過程中受內部零部件磨損、雨水侵蝕、發動機進氣不凈、燃油變質不純及操作人員操作不當等因素影響易發生機械故障，導致設備無法正常運行。而在發動機的故障檢測中，傳統的檢測方式存在一定的局限性，檢測精確度不高時間周期長，不利于發動機機械故障檢修工作快速準確的進行。

1 非接觸檢測技術概述

非接觸檢測技術是基于新時期智能化運行、自動化控制以及信息化處理的 基礎上應運而生的一種現代化診斷技術，相較于傳統人工檢測技術，其具有更高的自動化檢測能力，更短的檢測周期及更準確的檢測結果，因此在現代機械動力設施檢測領域得到了高度認可[1]。而隨著我國科技的日益發展，現代非接觸式檢測技術的方法也日趨豐富，諸如激光三角法、電渦流法、超聲測量法、機器視覺測量法等，而且其技術原理也囊括了聲、光、電、磁、力等多個學科，并且隨著我國數字信息技術產業的不斷發展，作為計算機技術與數字圖像處理技術共同發展成果的數字攝影檢測技術也出現在了人們面前。

2 發動機機械故障非接觸式檢測技術的應用優勢

發動機作為機械動力設施的核心機構，是機械動力器械的動力源泉。而一旦發動機發生故障，設備將停止運行，進而影響生產效率[2]，如果是汽車發動機發生故障，甚至會導致安全事故的發生。因此在對發動機機械故障的檢測中，非接觸式檢測技術應用具有重要意義，相較于更依賴人工經驗和主觀判斷的傳統拆裝式檢測方法，也具有多方面的應用優勢：

首先，非接觸式檢測技術擁有更高的檢測效率。非接觸式檢測技術主要以光學與聲學原理為基礎，在實際檢測過程中，通過安置在傳感器周邊的設備捕捉發動機發出的聲信號，進而快速地對發動機機械故障情況加以診斷分析。相較于傳統的人工拆裝后再進行機械故障檢測的模式大大縮短了故障檢測周期，并且對 故障問題的診斷與分析也更為客觀準確。

其次，非接觸式檢測技術擁有更簡單的操作流程。在發動機機械故障檢測的過程中，只需將各個傳感器布置在發動機相應位置，再將各個傳感器與其配套的分析設備接口連接在一起，就能夠實現對發動機機械故障問題的自動化檢測與診斷分析，并不需要像傳統的人工檢測技術那樣先對發動機進行拆解后再進行故障分析，這也能夠進一步提升故障檢測與分析工作的效率和質量[3]。同時，非接觸式檢測技術在現代計算機智能系統的支持下，對采集到的故障數據的分析處理速度更快，且在一定程度上能給予后續故障處理分析工作一定的數據支撐和相關建議，對發動機機械故障的排查與解決工作具有重要意義。

再次，非接觸式檢測技術擁有更高的智能化和自動化程度。隨著電子信息技術迅速地發展，智能化與自動化技術在人們生產生活的多個領域已擁有舉足輕重的地位，各行各業對智能化與自動化的追求也愈加癡迷，在發動機機械故障檢測領域也是更加注重智能化與自動化檢測平臺的建設，以此緊跟時代的步伐。而非接觸式檢測技術本身就具有著一定的自動化及智能化檢測技術能力，在實際檢測過程中，根據不同發動機的機型規格，調試好設備靈敏度，設置好設備的采樣頻率與時間間隔便采用不同方法完成對受檢發動機的數據采集與整理工作。

最后，非接觸式檢測技術擁有更精確的檢測結果。由于在不同故障位置聲音的音調和頻率的不同，結合發動機產生噪音的異響信號的頻率與強度，便可快速準確的對機械故障位置進行定位，進而進行故障的診斷分析工作，對于發動機機械故障的維修有重要的推動意義。

3 發動機機械故障傳統檢測技術的不足及常見的發動機機械故障

傳統的發動機機械故障檢測主要是通過人工拆裝及經驗推斷輔以檢測設備進行的，雖然可以對發動機一些常見簡單的機械故障進行診斷分析，但是在故障檢測過程中會受到檢測人員主觀判斷及檢驗經驗推斷等多方面因素的影響。并且發動機內部結構精密復雜，在實際的故障檢測排查過程中傳統的人工檢測手段需要付出更多的時間和精力進行故障的診斷與分析，這就無形中增加了檢測工作的時間與難度，繁瑣的檢測流程也變向對檢測人員綜合能力提出了更高的要求，一旦檢測的技術人員能力達不到要求，就無法確保發動機故障檢測工作的順利開展，檢測結果的正確性和準確性也會受到影響，容易造成檢測誤差的產生[4]。

發動機結構復雜緊湊主要包括兩大機構和五大系統，圖1為某柴油發動機的縱橫剖面圖。

圖1 柴油發動機縱橫剖面圖

發動機故障類型比較多，如啟動系統故障、供油系統故障、潤滑系統故障等，其中常見機械故障就是發動機異響，下表1即采用非接觸式檢測技術對某汽車四沖程發動機故障異響檢測結果匯總，而導致異響產生的原因主要有以下幾方面：

表1 發動機故障異響分布統計圖

第一，曲軸軸承故障。曲軸的功用是把連桿和活塞傳來的氣體力轉變為扭矩，從而驅動傳動系統，發動機在工作過程中曲軸主軸徑軸承會承受交變載荷和高速摩擦，一旦出現磨損、腐蝕等異常情況，就會導致主軸頸軸承和曲軸主軸頸之間的配合間隙加大，或者由于合箱螺栓的松動等原因都會導致曲軸主軸頸和軸承之間的相互碰撞，從而產生異常的響聲，氣缸下部軸承座處的振動最為明顯，如果處理不及時便會加劇軸承磨損進而出現機械故障導致發動機損壞。

第二，連桿軸承故障。連桿組的功用是將活塞承受的力傳給曲軸，并將活塞的往復直線運動轉變為曲軸的旋轉運動。連桿軸承與曲軸主軸頸軸承一樣，會承受交變載荷和高速摩擦，因此連桿軸承也是發動機發生機械故障不可忽視的誘因之一。除了連桿軸承與連桿大小頭孔之間配合間隙過大和連桿螺栓松動的情況外，軸承自身是否具有足夠的抗疲勞強度以及發動機所用機油、潤滑油對軸承冷卻潤滑的情況也對連桿軸承的磨損及機械故障的產生起到至關重要的作用。

第三，氣缸漏氣故障。發動機在工作過程中氣缸內表面承受著相當大的氣體壓力和活塞側壓力，他們都是周期性變化的交變載荷，而活塞在氣缸內高速運動，氣缸表面潤滑條件較差，使氣缸磨損嚴重，進而使發動機在做功過程中更多的高壓氣體通過氣缸壁和活塞環進入曲軸箱，從而對油底殼產生強烈沖擊，產生異響，進而引發發動機機械故障。

第四，活塞銷故障。活塞銷的功用是用來連接連桿和活塞，并將活塞承受的力傳遞給連桿。活塞銷在高溫條件下會承受很大的周期性沖擊載荷的作用，且由于活塞銷在活塞銷孔及連桿小頭孔內擺動角度很小，難以形成潤滑油膜，因此潤滑條件很差極易產生磨損，進而導致活塞銷和活塞銷孔座及連桿小頭孔之間的配合間隙變大，導致活塞銷對活塞銷孔座進行敲擊，產生異響。

第五，其他零件故障。發動機作為動力機械的核心，其整體由大量零部件構成，其機械故障大部分是由于磨損導致，也有部分是由于其他零部件異常引起的，比如氣門挺柱異常等。在發動機怠速工況運行的時候，偶爾可以聽見清脆的響聲，其主要是挺柱運轉不靈活，在凸輪軸凸輪擠壓挺柱驅動進排氣門開啟或者關閉的時候發出的異常響聲。

4 發動機機械故障非接觸式檢測技術應用要點

隨著非接觸式檢測技術的日漸完善，其在發動機機械故障的檢測工作中的應用日趨廣泛，逐漸成為了發動機機械故障檢測的主要技術方式，大大提高了工作效率的同時也增加了檢測工作的精確度。而發動機機械故障非接觸式檢測技術應用要點如下：

第一，測試前準備。在發動機相應位置布置檢測所需傳感器，確保傳感器與配套分析系統每一個串口正確連接，驗證軟硬件均可正常運行，調試設備靈敏度，設置采樣頻率、采樣時間等測試參數。

第二，檢測環境控制。在應用非接觸式檢測技術對發動機機械故障進行檢測分析時，檢測環境非常重要，譬如電流干擾、閥門動作和其他機械設備運動發出的聲音等因素都容易對非接觸式檢測技術的檢測結果產生影響[5]。因此，在實際的檢測過程中，保證傳感器的合理布置，避免上述檢測環境中干擾源的存在，確保檢測環境的科學合理，才能降低檢測誤差，進而確保檢測結果的準確性。

第三，檢測系統布置及數據采集。非接觸式檢測技術在發動機機械故障檢測的實際應用中，需要注重對檢測系統設備的布置，使信號傳感器、數據線、測試用電腦及發動機故障聲測試系統相互連接，聲信號傳感器和信號收集系統通道相互對應且牢固連接，嚴格根據發動機故障聲信號數據收集系統進行布置，根據受試機型和實驗環境對故障聲信號收集系統進行參數設置，確保采集數據的一致性和準確性。

5 結束語

綜上所述，非接觸式檢測技術智能化和自動化程度高，環境適應性強、局限性小，能提升機械故障檢測工作的效率和檢測結果的精確性，對發動機機械故障檢測工作的發展起到積極的推動作用。