基于振動(dòng)分析的內(nèi)燃機(jī)故障診斷分析

摘要：鑒于內(nèi)燃機(jī)在結(jié)構(gòu)和工作原理上比較的復(fù)雜，而且激勵(lì)源和零部件也非常的多，因此，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)出現(xiàn)了故障的時(shí)候，一般癥狀都比較復(fù)雜，故障信號(hào)也比較難檢測(cè)，在進(jìn)行診斷的時(shí)候便非常的困難。本文主要是從振動(dòng)的角度對(duì)內(nèi)燃機(jī)的故障進(jìn)行了分析，首先，分析了內(nèi)燃機(jī)的振動(dòng)結(jié)構(gòu)和振動(dòng)特性，然后從振動(dòng)分析的角度，探討了如何對(duì)內(nèi)燃機(jī)發(fā)生的故障進(jìn)行診斷的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)；振動(dòng)特性；故障診斷

內(nèi)燃機(jī)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等所需的機(jī)械設(shè)備中，屬于比較重要的機(jī)械之一，尤其是在船舶、石油鉆井、鐵路、汽車以及農(nóng)業(yè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。從某種意義上來(lái)說(shuō)，內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)劣，直接的關(guān)系著整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。所以，提高對(duì)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)水平和故障診斷率，對(duì)于系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行來(lái)說(shuō)，意義重大。下面就從振動(dòng)分析的角度，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)和振動(dòng)特性以及故障的診斷問(wèn)題等進(jìn)行分析。

1.內(nèi)燃機(jī)的振動(dòng)結(jié)構(gòu)和振動(dòng)特性

由于內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)行的時(shí)候，在各種力的激勵(lì)下，很容易產(chǎn)生振動(dòng)的現(xiàn)象，再經(jīng)過(guò)不同的傳遞路徑傳遞到內(nèi)燃機(jī)的表面。因此，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)的零件產(chǎn)生變化的時(shí)候，內(nèi)燃機(jī)的表面振動(dòng)現(xiàn)象也會(huì)呈現(xiàn)出不同的振動(dòng)特性。在此基礎(chǔ)上，專家們研究出了在從內(nèi)燃機(jī)的振動(dòng)特性進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)故障的診斷。

內(nèi)燃機(jī)屬于熱能動(dòng)力機(jī)械范疇，在人們長(zhǎng)期的實(shí)踐和創(chuàng)新中，內(nèi)燃機(jī)的主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)形成了由連桿、活塞和曲軸組成的結(jié)構(gòu)可靠、生命力強(qiáng)的曲柄連桿結(jié)構(gòu)為主的系統(tǒng)。再加上其他的輔助系統(tǒng)，便組成了內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)。按照氣缸的排列形式，內(nèi)燃機(jī)主要有V型內(nèi)燃機(jī)和直列式內(nèi)燃機(jī)兩種。通常情況下，內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)一般由八大系統(tǒng)、四大結(jié)構(gòu)組成。八大系統(tǒng)指的是啟動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)潤(rùn)滑系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)。四大結(jié)構(gòu)指的是曲柄連桿機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)和鏈條鏈輪的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。

在內(nèi)燃機(jī)里，由曲柄、連桿、活塞所組成的主動(dòng)力結(jié)構(gòu)，是內(nèi)燃機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，其作用力的來(lái)源主要有兩方面，一方面是汽缸里氣體的壓力，另一方面是曲柄連桿的主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力。慣性力主要包括離心的慣性力、往復(fù)的慣性力和連桿的慣性力等三個(gè)方面。從動(dòng)力學(xué)來(lái)看，內(nèi)燃機(jī)的激振源非常的多，主要有燃燒激振源、活塞敲擊激振、氣門落座沖擊、進(jìn)排氣閥在開(kāi)啟和節(jié)流時(shí)的沖擊等。研究表明，內(nèi)燃機(jī)的表面振動(dòng)的時(shí)候，其特征首先表現(xiàn)在具有時(shí)域性和頻域性的特征，其次，具有循環(huán)的周期性和循環(huán)間具有波動(dòng)性，再次，在振動(dòng)的時(shí)候還表現(xiàn)出非平穩(wěn)時(shí)變的特征。

2.基于振動(dòng)分析，進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)故障的診斷

從振動(dòng)特性的角度來(lái)看，在進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)故障診斷的時(shí)候，具體的信號(hào)分析的方法主要有時(shí)域分析法、頻域分析法以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。

首先，時(shí)域分析法指的是通過(guò)對(duì)檢測(cè)到的時(shí)間歷程上的信號(hào)，在進(jìn)行運(yùn)算的基礎(chǔ)上，其運(yùn)算的結(jié)果仍在時(shí)域的范疇。一般來(lái)說(shuō)，時(shí)域分析法主要包括時(shí)域的統(tǒng)計(jì)分析法、相關(guān)分析法以及包絡(luò)分析法等。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域統(tǒng)計(jì)的時(shí)候，可以得到振動(dòng)信號(hào)在時(shí)域上的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，該參數(shù)獲得的方法主要有方差標(biāo)準(zhǔn)差法、均值法、最小值和最大值法、偏斜度法以及峰-峰值法等。通過(guò)這種方法，我們可以總結(jié)出內(nèi)燃機(jī)在整個(gè)循環(huán)中的正常信號(hào)，當(dāng)點(diǎn)火過(guò)早和失火的時(shí)候發(fā)出的故障信號(hào)以及進(jìn)氣閥發(fā)生泄漏時(shí)的故障信號(hào)等。通過(guò)對(duì)各時(shí)域參數(shù)進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，正常時(shí)候的均方值較故障的時(shí)候大，正常時(shí)候的最大值較失火故障或點(diǎn)火過(guò)早的故障時(shí)較大，但是會(huì)比進(jìn)氣閥泄漏時(shí)候的最大值偏小，正常時(shí)候的最小值會(huì)比失火故障或點(diǎn)火過(guò)早的故障時(shí)偏小，但是會(huì)比進(jìn)氣閥泄漏的時(shí)候的最小值偏大。

其次，頻域分析法指的是將時(shí)間定義為橫坐標(biāo)，當(dāng)橫坐標(biāo)上的時(shí)域信號(hào)經(jīng)過(guò)傅立葉轉(zhuǎn)換成可以分解的頻率信號(hào)的時(shí)候，我們可以從中得到關(guān)于原時(shí)域的信號(hào)頻率的幅值以及相位信息等的一種分析法。對(duì)內(nèi)燃機(jī)來(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)信號(hào)中的每個(gè)頻率成分分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)出內(nèi)燃機(jī)的零件在正常運(yùn)行時(shí)候的頻率特征，然后再通過(guò)頻率成分上的變化，來(lái)診斷內(nèi)燃機(jī)是否出現(xiàn)了故障。當(dāng)氣門出現(xiàn)漏氣故障的時(shí)候，燃爆段缸蓋的表面振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域參數(shù)呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的變化，而且沒(méi)有明顯規(guī)律，但是，高頻帶功率譜和總功率譜在比值上呈穩(wěn)定增大狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，頻率分析的方法主要有功率譜的分析法、幅度譜的分析法等。

再次，人工神經(jīng)的網(wǎng)絡(luò)方法。由于內(nèi)燃機(jī)是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，因此，從振動(dòng)信號(hào)分析出的振動(dòng)特征有可能會(huì)包含著多種故障，也有可能一個(gè)故障表現(xiàn)在多個(gè)的故障特征中。因此，在對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行故障診斷的時(shí)候，很難建立起比較準(zhǔn)確的模型。針對(duì)這一問(wèn)題，人們研制出了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法。這種方法具有自組織、自學(xué)習(xí)和聯(lián)想記憶等功能，可以很好的處理振動(dòng)信號(hào)中反應(yīng)出的不確定的信息，為內(nèi)燃機(jī)故障的診斷提供一條準(zhǔn)確而便捷的方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法中運(yùn)用較為廣泛的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法，其具體算法和特征見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]。

3.結(jié)語(yǔ)

綜述所述，由于內(nèi)燃機(jī)在故障診斷的時(shí)候，涉及的學(xué)科非常的多，而且技術(shù)較為復(fù)雜，內(nèi)容偏多，這就要求相關(guān)技術(shù)人員加大對(duì)內(nèi)燃機(jī)的振動(dòng)信號(hào)特征的研究力度，提高對(duì)內(nèi)燃機(jī)故障機(jī)理的研究技術(shù)，及時(shí)、準(zhǔn)確的診斷出內(nèi)燃機(jī)的故障，為解決故障做好充分的準(zhǔn)備。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈繼德，孔凡讓，李志遠(yuǎn)等.基于時(shí)頻分析的內(nèi)燃機(jī)曲軸軸承磨損故障的診斷研究[J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào).2013（06）

[2]胡以懷，楊叔子，劉永長(zhǎng)等.柴油機(jī)磨損故障振動(dòng)診斷機(jī)理的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào).2013（02）

[3]曹龍漢，曹長(zhǎng)修，孫穎楷等. 柴油機(jī)故障診斷技術(shù)的現(xiàn)狀及展望[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）. 2012（06）

[4]彭恒義. 基于振動(dòng)分析的內(nèi)燃機(jī)故障診斷研究[D]. 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位 論文.2012（03）