基于Hilbert-Huang變換的發動機氣門間隙故障診斷研究*

宋　越，孫　濤，賈　然，王立勇

(1.北京信息科技大學 機電工程學院 現代測控技術教育部重點實驗室，北京　100192；2.長春工程技術學院 機械工程系，長春　130117)

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基于Hilbert-Huang變換的發動機氣門間隙故障診斷研究*

宋越1，孫濤2，賈然1，王立勇1

(1.北京信息科技大學 機電工程學院 現代測控技術教育部重點實驗室，北京100192；2.長春工程技術學院 機械工程系，長春130117)

摘要：以發動機氣門間隙為研究對象，針對其狀態監測與故障診斷中存在的問題，利用Hilbert-Huang方法對系統進行分析。通過提取振動信號并進行試驗分析實現對系統的故障診斷。結果表明，氣門間隙變小故障體現在信號中氣門打開位置處的低頻IMF分量振幅增加和10kHz～15kHz的局部邊際能量增加。HHT方法在發動機氣門間隙故障診斷中取得了較好的效果。

關鍵詞：發動機；配氣機構；故障診斷

0引言

發動機是一種復雜的機、電、液一體化系統，作為動力輸出設備，已經被廣泛的應用到多種重要的場合。其運行狀態的好壞直接影響到系統的動力輸出能力，嚴重時會造成整體設備的癱瘓，而造成巨大的經濟損失和人員傷亡。發動機工作環境惡劣，運行過程中會產生多種強烈的沖擊，致使發動機本身容易出現故障，因此需要采取一定技術手段對發動機進行狀態監測及時了解發動機的運行狀態[1-3]。本文以491Q-ME型發動機為研究對象，基于發動機氣缸表面振動信號對氣門間隙故障診斷進行了深入研究。

1發動機氣門故障機理分析

配氣機構是發動機重要的組成部分，其發生故障會使得發動機的動力性能大幅下降。且配氣機構在運動過程中會產生多種沖擊振動，因此采用振動信號對發動機配氣機構進行故障診斷是非常有效的手段[4-5]。

1.1發動機故障診斷一般過程

發動機是一種能夠將其他形式的能量轉化為機械能的裝置，主要包括內燃機和外燃機，通常作為其他設備的動力源。發動機故障診斷即通過研究發動機運行過程中各種信息的變化識別其運行狀態及故障狀態的技術，發動機故障診斷的一般過程如圖1所示。

圖1　發動機故障診斷流程

發動機故障診斷的一般過程為：首先對發動機故障機理進行研究、其次對發動機運行狀態信號進行采集，并結合發動機故障機理提取故障特征信息、最后對發動機故障進行分析診斷并指導維護維修[6]。

1.2配氣機構動力學分析

發動機配氣機構是發動機重要的組成部分，其主要功能為：按照發動機點火順序和各個缸所進行的工作沖程，定時的打開和關閉各缸的進氣門、排氣門[7]。使得足量的新鮮空氣能夠進入氣缸，同時保證燃燒完成后的廢氣能夠順利排出氣缸。發動機氣門機構主要分為氣門組和氣門傳動組兩部分。其中氣門組主要包括：氣門、氣門導管、氣門座、彈簧座、氣門彈簧等；氣門傳動組主要包括：搖臂、推桿、挺柱、凸輪軸等。發動機氣門機構結構如圖2所示。

圖2　發動機氣門機構結構圖

對配氣機構進行動力學分析，首先將發動機配氣機構簡化為一個彈簧-質量系統，將氣門、挺柱、推桿、搖臂等零件等效為一個集中質量為M的物體。運動中所有部件的變形被表示為具有一定剛度和阻尼的彈簧，氣門彈簧則被簡化為一個沒有質量的彈簧，配氣機構動力學模型如圖3所示。

圖3　發動機配氣機構動力學模型

挺柱、推桿、搖臂的結構被簡化合成為彈簧阻尼系統，該系統剛度為K1，阻尼系數為D1。其運動由凸輪控制。發動機氣門組、挺柱、推桿、搖臂的當量質量為M。M一端通過剛度為K2的氣門彈簧連接到發動機機體上，另一端連接至、挺柱、推桿、搖臂合成的彈簧阻尼系統上。發動機氣門關閉時，氣門會與氣門座相接觸，Kz與Dz分別為此時氣門座對氣門的剛度及阻尼系數，兩參數只在氣門與氣門座接觸時才有。該建模方法結構簡單，待定參數少，能夠描述氣門的運動規律。

2基于Hilbert-Huang變換的特征信息提取

方法

Hilbert-Huang變換(HHT)是近年發展起來的一種新的時頻分析方法。該方法可根據信號的局部時變特征對信號進行自適應的時頻分解，消除人為因素對信號處理過程的影響，克服了傳統信號處理方法中采用無意義的諧波分量表示非線性、非平穩信號的缺陷，可得到極高的時頻分辨率[8-9]。

2.1Hilbert-Huang變換

Hilbert-Huang變換由經驗模態分解(Empricial Mode Decomposicon,EMD)和Hilbert變換兩部分組成。首先采用EMD分解方法將信號分解為若干個包含不同尺度的信息IMF(Intrinsic mode function)分量之和，然后對每個IMF分量進行Hilbert變換，得到信號瞬時頻率和瞬時幅值進而得到信號的Hilbert譜和Hilbert邊際譜。

2.2EMD分解中IMF分量判據研究

EMD方法能夠產生有限個IMF分量，且每個IMF分量均對應著一定的物理過程。但若在分解過程中對于IMF分量的判別出現錯誤，容易造成各IMF分量之間發生頻率混跌，即不同分量中包含了部分相同時間尺度的信息，使得各IMF分量不能真實的描述物理過程。因此在EMD分解過程中必須對IMF分量做出正確的判定，合理的限制篩分次數。

一般情況下，EMD分解選用前后兩次篩分結果的標準差作為IMF分量的判定依據，即：

(1)

經實踐證明SD取0.2~0.3時篩分效果恰當。大量計算表明該閾值的選取對篩分結果影響很大，若閾值選取過小，將會導致篩分要求過于嚴格，計算量大大增加，得到的IMF分量將趨于定常幅值，只能反映信號的頻率調制，不能描述信號的幅值調制。若閾值選取過大將造成無法得到滿足條件的IMF分量。

3發動機故障診斷數據采集

數據采集系統是一種能從各類傳感器中獲取對象信息的自動化系統。能夠實現現場記錄、分析或現場記錄，離線分析功能。數據采集是故障診斷中的重要組成部分。能否正確的采集對象各方面的信息會直接影響到故障診斷過程。

3.1發動機數據采集系統設計

圖4　發動機故障診斷系統框圖

發動機故障診斷系統方案如圖4所示。根據各模塊功能的不同，系統分為：監測對象、傳感器組、信號調理模塊、信號采集模塊和數據分析模塊。

其中信號調理模塊主要實現傳感器激勵信號的輸出，以及對傳感器輸出信號的濾波、放大、隔離等功能。數據采集模塊主要實現信號的A/D轉換、數據緩存、數據傳輸等功能。數據分析模塊主要依托上位機軟件實現，主要完成信號的保存、處理、分析等功能。發動機故障診斷數據采集系統框圖如圖5所示。

由圖可見數據采集系統分為觸發模塊、振動信號采集模塊、點火電壓采集模塊、溫度采集模塊及壓力采集模塊。

圖5　發動機故障診斷數據采集系統框圖

3.2A/D接口電路設計

數據采集系統使用了A/D7656芯片。圖6為A/D7656與核心控制器接口電路。其中ZD_IN1~ZD_IN6為6個輸入通道，用于模擬信號的輸入。DB0~DB15與控制器的I/O口相連，進行數據并行傳輸。A/D7656的CONVST(A、B、C)三個端口同時連接到控制器，以實現對多路振動信號的同步采集。RESET引腳用于控制A/D芯片重啟。

圖6　A/D7656接口電路

3.3發動機振動信號采集

振動信號調理電路框圖如圖7所示。振動傳感器正常工作時，首先要為其提供一個穩定的4mA恒流電流源。傳感器輸出的信號幅值比較微弱，不能滿足AD采樣的要求，因此在振動信號調理電路中設計放大電路，以提高信號采集的精度。濾波電路是振動調理電路中的重要組成部分，可以實現去偏置、抗混疊和提高信噪比的作用，因此稱之為抗混濾波。同時50Hz工頻干擾是數據采集中不可避免的嚴重干擾，因此需要設計陷波器來處理。

圖7　振動信號調理電路

4基于HHT發動機氣門間隙故障診斷

4.1氣門間隙故障數據Hilbert譜分析

Hilbert譜能夠描述信號幅值、頻率與時間三者的聯合分布，通過對發動機表面超聲信號的Hilbert譜分析，可以直觀的觀察信號中異常信號的分布位置，結合發動機沖擊事件的理論分布圖可對發動機故障進行初步診斷。異常信號主要包括：幅值異常變化和頻率帶異常分布。計算發動機各種狀態時信號的Hilbert譜。發動機正常運行時超聲信號的Hilbert如圖8所示，可見，四個集中振動區域的信號分布情況基本一致，整體表現為0~10kHz處信號振幅較小，在25k~30kHz處信號幅值大。

對氣門間隙變大故障信號進行分析，其Hilbert譜如圖9所示。對比圖9可知，Hilbert譜中曲軸轉角0°附近振動的高頻成分明顯增強。其余各部分信號變化則不明顯。因此可表征在0°附近產生了異常沖擊，使得信號中出現了高頻的大幅振動且高頻故障特征信號出現在故障缸氣缸的氣門關閉事件位置。對比各沖擊事件理論分布圖可至發動機出現了四缸排氣門氣門間隙變大故障。

對發動機氣門間隙變小時的超聲信號進行分析，其Hilbert譜如圖10所示。對比圖8可知，圖中并沒有明顯的幅值變大的特征信號，但仔細觀察可發現，在540°區域的信號0~10kHz的信號密度明顯加強。因此說明發動機四缸排氣門間隙變小使得540°處的振動的低頻信號得到了明顯的加強。

因此，采用EMD方法對發動機氣缸表面超聲信號進行處理，能夠有效的對氣門間隙故障進行診斷。若氣門間隙偏大，則會造成故障氣缸的氣門關閉事件位置處信號的高頻成分以及低頻成分的振幅增強。若氣門間隙過小，則會故障缸的氣門打開事件位置處信號的中低頻成分及低頻成分的振幅明顯增強。

圖8　發動機正常運行時信號的Hilbert譜

圖9　發動機氣門間隙變大時信號的Hilbert譜

圖10　發動機氣門間隙變小時信號的Hilbert譜

5總結

配氣機構是發動機重要的組成部分，其發生故障會使得發動機的動力性能大幅下降。介紹了發動機故障診斷中的一般內容、診斷流程及現行的故障診斷方

法。研究了發動機振動信號的構成及特點，建立了發動機配氣機構的動力學模型。研究了基于Hilbert-Huang變換的特征信息提取方法。設計構建了發動機故障診斷數據采集系統，對系統的結構方案和主要功能模塊進行了詳細分析。

分析了發動機氣門間隙故障診斷的實驗過程，并基于Hilbert-Huang變換方法對發動機氣門間隙正常、氣門間隙變小和氣門間隙變大三種狀況進行了診斷分析。提出發動機氣門間隙變大故障會造成信號中氣門關閉事件位置處的高頻IMF分量及低頻IMF分量振幅增加和37kHz~42kHz的局部邊際能量增加。氣門間隙變小故障則體現在信號中氣門打開位置處的低頻IMF分量振幅增加和10kHz~15kHz的局部邊際能量增加。HHT方法在發動機氣門間隙故障診斷中取得了較好的效果。

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(編輯李秀敏)

Study on Fault Diagnosis of Engine Valve Clearance Based on Hilbert-Huang Transform

SONG Yue1,SUN Tao2,JIA Ran1,WANG Li-yong1

(1.Key Laboratory of Modern Measurement & Control Technology of Ministry of Education,School of Electromechanical Engineering,Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100192,China;2.Department of Mechanical Engineering,School of Engineering Technology Changchun,Changchun 130117,China)

Abstract：The study takes engine valve clearance as research object and focuses on the issues of condition monitoring and fault diagnosis, using the method of Hilbert-Huang transform to analysis this system. By the means of taking the vibration signal of the experiment table and test analysis can realize the fault diagnosis system. The results show that the local marginal energy reflected low frequency IMF componentsamplitude open position in the signal in the 10kHz ~ 15kHz and the increase of smallfault of valve clearance increases. HHT method is effective in fault diagnosis of enginevalve clearance.

Key words：engine;gas distribution mechanism;fault diagnosis

中圖分類號：TH166;TG506

文獻標識碼：A

作者簡介：宋越(1988—)，男，黑龍江雙鴨山人，北京信息科技大學碩士研究生，研究方向為往復機械故障診斷及預測，(E-mail)songyue597@163.com。

*基金項目：國家自然科學基金資助項目資助(51105041,51275052)；教育部科學技術研究重點項目資助(212002)；北京市青年拔尖人才項目資助(CIT&TCD201404112)

收稿日期：2015-02-09；修回日期：2015-03-11

文章編號：1001-2265(2016)01-0074-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.021