瞬時轉(zhuǎn)速在柴油機故障檢測中的應(yīng)用

姜耀華，鄧 軍，王 斌，王 靜

（鎮(zhèn)江船艇學院 內(nèi)燃機教研室，江蘇 鎮(zhèn)江212003）

在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)是保證柴油機安全高效運轉(zhuǎn)的重要手段。某些故障會導致各缸做功能力不均勻，如活塞環(huán)密封失效，氣門漏氣，噴油定時不正確，均會使柴油機的輸出轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，從而導致瞬時轉(zhuǎn)速的波動。因此柴油機瞬時轉(zhuǎn)速蘊含了豐富的機械運行狀態(tài)的有用信息，通過分析瞬時轉(zhuǎn)速的變化可以診斷柴油機故障。關(guān)于瞬時轉(zhuǎn)速的測量以及轉(zhuǎn)速信號的處理已有很多研究。現(xiàn)以康明斯NTA855-M350柴油機為例，利用瞬時轉(zhuǎn)速波動診斷柴油機故障。

1 瞬時轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)

利用瞬時轉(zhuǎn)速波動進行柴油機故障的診斷關(guān)鍵是掌握柴油機實測瞬時轉(zhuǎn)速的波形，為此，采用圖1所示的測量系統(tǒng)。

圖1 檢測系統(tǒng)框圖

通過對信號的處理計算得到各缸均勻工作時，瞬時轉(zhuǎn)速隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線見圖2。

圖2 各缸均勻工作時瞬時轉(zhuǎn)速的變化曲線

2 故障診斷

2.1 基于數(shù)值計算的故障診斷

對于N缸柴油機，將每循環(huán)采集的轉(zhuǎn)速信號等分成N組，對于每一組（某一缸）的數(shù)據(jù)定義

式中：Mn——一組數(shù)據(jù)的個數(shù)；

xi（k）——瞬時轉(zhuǎn)速采樣值；

xim、σi——xi（k）的均值和均方差；

xjm、σj——xj（k）的均值和方差。

將每個氣缸的工作狀態(tài)分為正常和故障兩種，對兩個處于正常狀態(tài)的氣缸i和j作互相關(guān)分析，則Sij應(yīng)接近1；否則Sij較小。

Ti對應(yīng)著第i缸和每缸作相關(guān)分析，但是在不同工況下直接比較Ti易形成較大的誤差。定義單缸狀態(tài)判別值ti＝，式中T為T的平均值。通過大量實驗確定ti的限值til。如果某次測試的ti≥til，則判定第i缸處于正常工作狀態(tài)，否則判定第i缸處于故障工作狀態(tài)［1］。以NTA855-M350柴油機為例，確定til為0.8時測定單缸失火故障是可靠的。

2.2 基于診斷模型的故障診斷

根據(jù)曲軸飛輪系統(tǒng)的動力學分析，有轉(zhuǎn)矩平衡方程：

式中：θ——曲軸轉(zhuǎn)角；

θ..——角加速度；

J——整個軸系運動部分的有效集中轉(zhuǎn)動慣量；

Te（θ）——整個軸系的旋轉(zhuǎn)慣性轉(zhuǎn)矩；

Te（θ）、Tr（θ）、TL（θ）——分別為所有氣缸總的氣體力轉(zhuǎn)矩、總的往復慣性轉(zhuǎn)矩、總的阻力轉(zhuǎn)矩。

將Tp（θ）、Te（θ）、Tr（θ）、TL（θ）、θ..進行傅立葉變換得到Tp（ω）、Te（ω）、Tr（ω）、TL（ω）、A（ω）；轉(zhuǎn)角頻率ω與曲軸轉(zhuǎn)角θ互為傅立葉變換對。從而有：

通過分析可知，Tp（ω）中的低階諧波分量反映了各缸氣體轉(zhuǎn)矩力的不均勻度，據(jù)此可以定義無量綱的轉(zhuǎn)矩諧波分量比R作為衡量柴油機工作不均勻性的特征參數(shù)：

式中：N——氣缸數(shù)；

Tp（nωc）——循環(huán)內(nèi)氣體力轉(zhuǎn)矩的n階諧波分量；

ωc——內(nèi)燃機工作循環(huán)頻率；

Nωc——內(nèi)燃機發(fā)火頻率。

利用R設(shè)定一個簡單的閾檻值，即可識別和診斷出柴油機的失火或工作的不均勻性［2］。

2.3 基于波形的故障診斷

若柴油機正常工作，則每缸的瞬時轉(zhuǎn)速波動間隔和幅度大致相同，如果某缸發(fā)生故障就會影響瞬時轉(zhuǎn)速，從而在轉(zhuǎn)速波形上有所反應(yīng)。可取故障特征比較明顯的參數(shù)作為特征參數(shù)，如一個工作循環(huán)內(nèi)第i缸作功行程對應(yīng)的瞬時轉(zhuǎn)速波動的峰值nit與前一個谷值nib之差，即

Δni越小，說明第i缸作功越少或密封性越差［3］。為了盡可能減小循環(huán)轉(zhuǎn)速和負荷變化對診斷的影響，定義第i缸作功行程對應(yīng)的瞬時轉(zhuǎn)速波動Δni與循環(huán)內(nèi)所有缸對應(yīng)的瞬時轉(zhuǎn)速波動的平均值之比為第i缸的瞬時轉(zhuǎn)速波動率fi，則有：

fi越小說明第i缸作功越少；各缸瞬時轉(zhuǎn)速波動率差值越小說明發(fā)動機各缸工作均勻性越好。

圖3為NTA855-M350柴油機在4號缸斷油時瞬時轉(zhuǎn)速波形圖。顯然4號缸的轉(zhuǎn)速的最大波動值相對于其它缸而言最為明顯，即Δn4最小，即可判定4號缸發(fā)生故障。

圖3 4號缸斷油時瞬時轉(zhuǎn)速波形圖

3 結(jié)論

通過測量柴油機瞬時轉(zhuǎn)速的波動可以監(jiān)測和診斷其運行故障。相比而言基于計算和模型的故障診斷計算量大，但是對故障判斷的可靠性高。基于波形的故障診斷計算量小、通用性較好，能滿足在線監(jiān)測和實時診斷。

［1］于明進，孟祥錄.瞬時轉(zhuǎn)速在發(fā)動機性能與故障檢測中的應(yīng)用［J］.山東交通學院學報，2004（2）：18-21.

［2］郭文勇，樸甲哲.基于瞬時轉(zhuǎn)速的內(nèi)燃機故障診斷方法［J］.海軍工程大學學報，2001（6）：55-58.

［3］濮立俊，楊建國.利用發(fā)動機瞬時轉(zhuǎn)速波動診斷氣門漏氣故障［J］.武漢交通科技大學學報，2000（1）：59-63.