基于虛擬儀器的柴油機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院 武漢 430033

振動(dòng)監(jiān)測(cè)是機(jī)械故障診斷的常用方法之一，目前國(guó)內(nèi)監(jiān)測(cè)振動(dòng)的方法大致有振動(dòng)測(cè)量?jī)x、頻譜分析儀和示波器等傳統(tǒng)儀器。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步,虛擬儀器技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，將原來需要使用硬件設(shè)備完成的測(cè)試功能轉(zhuǎn)化為使用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算的方法來解決[1]。因此考慮以船用柴油機(jī)為研究對(duì)象,以測(cè)取機(jī)體表面振動(dòng)信號(hào)為分析手法,建立正常狀況下振動(dòng)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)模型與故障狀況下振動(dòng)信號(hào)的故障特征模型，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概述

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要功能包括振動(dòng)的在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析處理和故障診斷或輔助診斷等。通過對(duì)柴油機(jī)關(guān)鍵部位的振動(dòng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，根據(jù)振動(dòng)信號(hào)存在環(huán)境的多樣性和隨機(jī)性，綜合多種信息處理方法，保證了在線分析監(jiān)測(cè)結(jié)果的有效性和合理性；通過對(duì)各種測(cè)量參數(shù)的長(zhǎng)期積累，確定柴油機(jī)在各種工況下的振動(dòng)曲線的門檻值，根據(jù)這些門檻值建立起振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，從而可以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)評(píng)估、趨勢(shì)預(yù)測(cè)和故障報(bào)警等。

1.2 測(cè)點(diǎn)選擇

原始信號(hào)的獲取是對(duì)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析與故障診斷的基礎(chǔ)，測(cè)點(diǎn)的選擇關(guān)系到能否獲得需要的真實(shí)完整的狀態(tài)信息。測(cè)點(diǎn)基本上要滿足如下要求[2]：對(duì)振動(dòng)反應(yīng)敏感，信息豐富，適于傳感器的安裝，符合安全操作要求等。在信號(hào)的獲取過程中,信號(hào)的質(zhì)量除了受測(cè)量系統(tǒng)精度的影響外,主要受到測(cè)量位置和采用頻率的影響。經(jīng)過在各型柴油機(jī)上反復(fù)的實(shí)驗(yàn)和圖形分析，發(fā)現(xiàn)缸蓋、燃燒室外壁、軸承座和機(jī)身等位置動(dòng)烈度最大,且相對(duì)其他各測(cè)點(diǎn)對(duì)氣缸內(nèi)氣體壓力變化、氣門落座瞬時(shí)沖擊的變化、氣缸套及活塞環(huán)間隙的變化等也較敏感，故確定將其作為本系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)。由于柴油機(jī)工作時(shí)振動(dòng)劇烈,為改善振動(dòng)傳感器安裝的剛性條件,采用以環(huán)氧樹脂粘貼螺旋鋼座的方式安裝振動(dòng)傳感器。

1.3 基于虛擬儀器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

軟件是虛擬儀器的核心，考慮Labview軟件編程具有直觀界面、便于開發(fā)、調(diào)試輕松、易于學(xué)習(xí)和掌握的特點(diǎn)[3]，故選用該軟件作為系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了“軟件就是儀器”的功能。程序同時(shí)采集8個(gè)通道的振動(dòng)信號(hào),并在屏幕上動(dòng)態(tài)顯示其時(shí)域信號(hào)。可即時(shí)進(jìn)行快速傅立葉變換,得到振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析,并顯示在屏幕上。操作完成后系統(tǒng)還會(huì)及時(shí)存盤,記錄存盤時(shí)間、傳感器通道號(hào)及其正常運(yùn)行時(shí)可顯示一些用戶所關(guān)心的數(shù)據(jù)。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 導(dǎo)管螺旋槳坐標(biāo)

由壓電式加速度傳感器組件輸出的高頻載波信號(hào)及其經(jīng)放大、濾波、隔離和線性化等處理后取得的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳送到高精度多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI6250中，由虛擬儀器主控軟件Labview完成數(shù)據(jù)的采集控制、單位轉(zhuǎn)換、擬合計(jì)算、特征譜參數(shù)分析、數(shù)據(jù)結(jié)果顯示及狀態(tài)評(píng)估和故障診斷等多種功能。

系統(tǒng)從功能上可以分為以下幾個(gè)模塊。

1) 數(shù)據(jù)采集模塊。16路模擬量輸入，2路數(shù)字量輸出，16 bit精度,該卡有FIFO功能，可以邊采集數(shù)據(jù)邊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，而數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。由于柴油機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)振動(dòng)激勵(lì)源很多,輸入輸出不明確,故采樣頻率fs確定比較困難。若fs過低,就有可能導(dǎo)致信號(hào)混頻,反之,若fs過高,由于受信號(hào)采集系統(tǒng)性能對(duì)采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的限制,造成所采集的信號(hào)不能體現(xiàn)信號(hào)的周期性[4]。經(jīng)過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn),綜合考慮采集系統(tǒng)性能、機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)周期及信號(hào)的混頻可能性等各種因素,采用30 kHz作為振動(dòng)信號(hào)的采樣頻率。

2) 信號(hào)測(cè)試模塊。主要完成信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試功能，并可以對(duì)已經(jīng)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行回放和分析。

3) 信號(hào)處理模塊。主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所采集的信號(hào)進(jìn)行變換。通過對(duì)4135型柴油機(jī)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)和反復(fù)的比較，采用能較好地反映柴油機(jī)故障診斷的三種常用的頻譜，分別為幅值譜、自功率譜、倒頻譜。同時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)部建立了在各功況條件下“良好”狀態(tài)和常見故障時(shí)的大量的各種譜線圖，也就是所謂的“基準(zhǔn)譜”和“故障譜”數(shù)據(jù)庫(kù)。現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)與基準(zhǔn)譜和故障譜進(jìn)行對(duì)比分析。在監(jiān)測(cè)過程中，由于振動(dòng)受許多不確定性因素的影響，系統(tǒng)并不會(huì)每次都對(duì)所測(cè)點(diǎn)圖譜與故障譜相比較，而是取得每十次的平均值作為機(jī)器的狀態(tài)信息與相應(yīng)負(fù)載下柴油機(jī)的基準(zhǔn)譜和故障譜進(jìn)行比較，如此，可以很容易得出機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)狀態(tài)評(píng)估，故障診斷和趨勢(shì)預(yù)測(cè)等功能。這就大大減小了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不準(zhǔn)確性，提高了可靠性和有效性，就可以對(duì)柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效的評(píng)估和預(yù)測(cè)。

4) 數(shù)據(jù)管理模塊。系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)可以自動(dòng)進(jìn)行分類保存，按日期的方式遞增，以便查找；同時(shí)也可以手動(dòng)存儲(chǔ)，按故障方式或故障部位。

5) 系統(tǒng)幫助模塊。詳細(xì)論述系統(tǒng)的安裝和使用方法，以及傳感器的安裝和標(biāo)定等。

2 實(shí)驗(yàn)

以機(jī)身的振動(dòng)監(jiān)測(cè)為例來診斷活塞與缸套的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。實(shí)驗(yàn)在4135型柴油機(jī)上進(jìn)行，主機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,80%額定工況下，在第二缸分別模擬0.119、0.162、0.202、0.288 mm不同的間隙。得到的振動(dòng)頻譜信號(hào)分別見圖2～5。

圖2 間隙為0.119 mm的振動(dòng)信號(hào)

圖3 間隙為0.162 mm的振動(dòng)信號(hào)(1 500 r/min)

圖4 間隙為0.202 mm的振動(dòng)信號(hào)(1 500 r/min)

圖5 間隙為0.288 mm的振動(dòng)信號(hào)

可以看到,由于缸內(nèi)機(jī)件配合間隙的變化,振動(dòng)信號(hào)的頻率分布特征曲線發(fā)生了明顯的變化。隨著間隙的增加,振動(dòng)信號(hào)加強(qiáng),圖5振動(dòng)最為劇烈,能量主頻譜峰從1 103.4 Hz下移到531.8 Hz,明顯改變了原固有頻率的分布情況(注:每次運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),柴油機(jī)最大平均轉(zhuǎn)速波動(dòng)不超過1.5%)，正因?yàn)榛钊?缸套間隙與振動(dòng)信號(hào)之間存在這種關(guān)系,所以機(jī)身振動(dòng)信號(hào)可用來監(jiān)測(cè)活塞-缸套的間隙狀況。分析可知，一方面，能量主譜峰幅值下降,主要是由于氣缸與氣缸套之間配合間隙增大,導(dǎo)致氣缸密封性下降,從而引起燃?xì)庑孤?主激勵(lì)力下降；另一方面，在不同的間隙狀態(tài)下,相同的側(cè)推力將引起活塞撞擊缸套的速度發(fā)生變化, 使得撞擊次數(shù)、位置等隨之變化，從而使撞擊能量也相應(yīng)變化；激勵(lì)源的變化引起缸套和機(jī)身表面振動(dòng)響應(yīng)的改變,使得機(jī)身振動(dòng)信號(hào)功率譜分布等參數(shù)發(fā)生變化。因此根據(jù)表面振動(dòng)響應(yīng)的特征變化可以診斷活塞-氣缸套的磨損狀態(tài)。通過正常狀態(tài)與故障狀態(tài)下振動(dòng)特性曲線的比較分析,就可以對(duì)不同型號(hào)的柴油機(jī)機(jī)件建立歷經(jīng)磨損后振動(dòng)信號(hào)間的關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)狀態(tài)評(píng)估和故障診斷提供可靠的依據(jù)。

3 結(jié)論

振動(dòng)信號(hào)包含著柴油機(jī)工作過程的豐富信息,利用振動(dòng)信號(hào)對(duì)其工作過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,理論有依據(jù),實(shí)踐上可行。本實(shí)驗(yàn)既可作為振動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和在線監(jiān)測(cè)，也可對(duì)具體情況進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量和分析試驗(yàn)，并可輔助專家系統(tǒng)進(jìn)行故障的智能診斷，因此它的研究和開發(fā)有一定的實(shí)用價(jià)值。

[1] 楊建國(guó),周軼塵.內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷[M].大連:大連海運(yùn)學(xué)院出版社,1994.

[2] 易良榘.簡(jiǎn)易振動(dòng)診斷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：31-34.

[3] 石博強(qiáng).Labview編程技術(shù)實(shí)用教程[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2002：30-42.

[4] 吳正毅.測(cè)試技術(shù)與測(cè)試信號(hào)處理[M].北京:清華大學(xué)出版社,1991：90-138.