二沖程柴油機瞬時轉速法診斷機理研究

王　磊，向　陽，王　帥

二沖程柴油機瞬時轉速法診斷機理研究

王磊1，2，向陽1，2，王帥1，2

（1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063；2.船舶動力系統運用技術交通行業重點實驗室，武漢 430063）

為了探究瞬時轉速法的診斷機理，以5S50ME型二沖程柴油機為研究對象，測得柴油機在正常狀態和故障狀態時不同工況下的瞬時轉速信號，得到不同工況下瞬時轉速的變化規律，在此基礎上，通過分析各工況下的瞬時轉速波形圖和頻譜圖，提出諧波幅值比和波動率峰值兩種能有效反應柴油機故障狀態的特征參數。以5缸機為研究對象，若1次諧波分量和5次諧波分量的諧波幅值比大于某一閾值，則說明柴油機存在單缸故障，并且故障缸為波動率峰值最小的缸。

振動與波；二沖程柴油機；瞬時轉速；故障診斷；諧波幅值比；波動率峰值

柴油機氣缸內的燃燒情況直接影響柴油機的工作狀況，監測氣缸內的燃燒情況是柴油機故障診斷的重要環節。一般來說，直接測取氣缸壓力信號進行分析是了解缸內燃燒情況最有效的手段。然而，氣缸壓力傳感器存在價格昂貴、安裝需破壞柴油機結構、使用壽命較短等問題，在實際應用中受到很大限制。在穩定工況下，氣缸內氣體壓力的波動會直接體現在瞬時轉速的波動中，因此可以通過測取和分析瞬時轉速信號來監測氣缸內的燃燒情況。而且瞬時轉速傳感器安裝方便，價格便宜，不會受到燃燒室高溫氣體的影響，使用壽命較長，相對氣缸壓力監測而言更具實用性［1］。

近年來，國內外許多學者都進行了柴油機瞬時轉速方面的研究。余永華利用模糊邏輯推理，通過瞬時轉速信號判斷出功率不足的缸，再通過示功圖性能參數和各缸排氣溫度識別引起單缸功率不足的原因［2］。程利軍等對柴油機不同工況、不同轉速情況下瞬時轉速信號的變化規律進行分析，提取各缸相應的參數來判斷各缸工作不均勻性故障［3］。彭思思以Lab VIEW軟件為開發平臺，綜合運用熱力參數監測法、瞬時轉速監測法、振動監測法等多種方法對機艙的兩臺主推進柴油機和兩臺柴油發電機進行狀態監測和故障診斷［4］。王金福在分析和比較不同信號處理算法的基礎上，選用合適的頻域分析方法，有效地提高了機械故障診斷的精度和可靠性［5］。肖小勇以內燃機扭振理論為基礎，建立了瞬時轉速的諧次診斷模型，提出了基于瞬時轉速多諧次相位分析法的柴油機定位診斷技術［6］。Fernando Cruz-Peragon等通過曲軸瞬時轉速信號和神經網絡技術來反演氣缸壓力，進而對缸內燃燒情況進行故障診斷［7］。Roger Johnsson利用瞬時轉速、機身振動信號以及徑向基神經網絡技術，對氣缸壓力信號進行了重構［8］。Charles P提出了瞬時轉速極坐標圖法，利用低頻部分的瞬時轉速時域波形來定位故障缸［9］。很多基于瞬時轉速的故障診斷研究都集中在四沖程柴油機，對于二沖程柴油機的研究則較少，而二沖程柴油機由于轉速較低，功率較大，在大型低速船舶上應用廣泛。

本文以5S50ME型二沖程柴油機為研究對象，以測取的瞬時轉速信號為基礎，通過分析瞬時轉速波形圖和頻譜圖，提出了基于諧波幅值比和波動率峰值兩種特征參數的診斷規則。

1　瞬時轉速的測量原理和方法

瞬時轉速的測量是一種間接測量方式，包括兩個部分：第一是測取傳感器產生的原始信號，第二是從原始信號中提取瞬時轉速信號。

1.1原始信號的測取

磁電式測量法是瞬時轉速測量中一種常用的方法，它是將磁電式轉速傳感器正對于飛輪齒安裝，并利用飛輪旋轉時產生的磁通不均而感應出類正弦的電壓信號。圖1為磁電式測量法測量系統示意圖。

圖1　磁電式測量法測量系統示意圖

根據電磁感應原理，磁通量的交替變化將導致傳感器產生類似正弦變化的電壓信號E，其周期相當于飛輪齒一個分度對應的時間。若一個分度掃過磁電式傳感器時，柴油機轉速高，則所需時間就短，也就意味著電壓信號E此時的周期短、頻率高；反之，周期長、頻率低。試驗對象為宜昌船舶柴油機廠5S50ME型主機，飛輪齒數為121，缸數為5，齒頂和齒面較寬，實測瞬時轉速在93 r/min，采樣率為10 kHz下的原始電壓信號見圖2。

圖2　二沖程柴油機瞬時轉速原始電壓信號

1.2瞬時轉速信號的提取

根據磁電式測量機理可知，低轉速下，磁通量變化較慢，感應電壓小，在齒頂和齒根部通過傳感器時，感應電壓零點較多，但峰值較為尖銳。針對這類信號，可以根據峰值拾取法，即通過檢測對應波峰或波谷的時間序列｛t1、t2、…、tn｝來求取瞬時轉速，公式為：60 fs/［z（tj-tj-1）］，式中tj-tj-1為兩相鄰峰值的時間差，z為飛輪齒數，fs為采樣率。

圖3　二沖程柴油機瞬時轉速時域波形

從圖3中可以看出，利用峰值拾取法能很好地提取出二沖程柴油機瞬時轉速信號。提取出的瞬時轉速信號抗干擾能力強，信號特征明顯，出現了與缸數相同的5次波動，能有效地反映缸內做功一致性情況。

2　瞬時轉速法診斷機理

2.1試驗測取的瞬時轉速波形圖及頻譜圖

試驗以5S50ME型柴油機為研究對象，測取了柴油機在不同工況下正常狀態和故障狀態時的瞬時轉速信號，并進行比較分析，為后續特征參數的提取提供依據。柴油機額定功率為6 050 kW，額定轉速為99 r/min，發火順序為1-4-3-2-5，柴油機曲軸通過減速齒輪箱與水力測功器相連。試驗在測取曲軸瞬時轉速的同時，還測取了1號缸的上止點信號，作為截取一個工作循環的標記。瞬時轉速傳感器正對于飛輪齒安裝，而上止點傳感器正對于焊在飛輪上的尖劈進行安裝，對應著1號缸的上止點。實驗采用NI 9205電壓采集模塊和NI 9172機箱組建的便攜式數據采集設備，對瞬時轉速原始信號和上止點信號進行同步采集。本試驗選取的工況點如表1所示。

圖4為不同工況下一個工作循環內的瞬時轉速波形圖，圖中各波峰從左向右的順序代表柴油機各缸發火順序，對應的頻譜圖見圖5。

圖4　不同工況下一個循環的瞬時轉速波形圖

表1　試驗所取工況點

從圖4中可以看出，正常狀態下各工況的一個工作循環內瞬時轉速波形均具有5個明顯的波峰；而在1號缸發生漏油故障時，1號缸發火產生的波峰明顯下降，同樣地，在4號缸和5號缸發生漏油故障時，4號缸和5號缸發火產生的波峰也明顯下降。

從圖5中可以看出，正常狀態下各工況的瞬時轉速頻譜圖主要表現為在5倍頻（5次諧波分量）處出現較大峰值，其它倍頻處峰值相對較小；而故障狀態時，頻譜圖發生了明顯變化，1倍頻（1次諧波分量）處出現了較大峰值，甚至超過了5倍頻處峰值。

2.2瞬時轉速特征參數的提取

通過對以上不同工況時的瞬時轉速波形圖和頻譜圖進行觀察比較，可以看出：正常狀態下，頻譜圖中主要在與缸數一致的5倍頻處出現明顯較大的峰值，而在1倍頻處幾乎沒有出現峰值；當某缸發生故障時，頻譜圖中在1倍頻處出現了較大峰值，甚至超過5倍頻處峰值。因此，可以通過提取頻譜圖中1次諧波分量和5次諧波分量的幅值比作為識別故障的特征參數。

圖5　不同工況下瞬時轉速的頻譜圖

由于在不同轉速下，瞬時轉速波形的峰值大小亦不同，這將給特征參數的閾值設置帶來不便，而且瞬時轉速的波動規律主要體現在瞬時轉速與平均轉速的偏差上。因此，采用瞬時轉速波動率來對瞬時轉速進行無量綱化處理。

表2為提取的特征參數，包括各瞬時轉速波動率峰值εi（i=1、2、…、5）和頻譜中1次諧波分量幅值A1與5次諧波分量幅值A5之比εf（εf=A1/A5）。

從表2中可以發現，正常狀態下，各工況下的εf均小于0.2；一旦發生單缸故障時，εf值明顯上升，達到1以上，甚至超過2。試驗進行的是第1缸、第4缸和第5缸漏油故障，從表中可以看出，它們所對應的波動率峰值ε1、ε2和ε5相對正常狀態時有明顯下降，且明顯小于其它缸對應的峰值。

通過對表中各工況下特征參數值的對比分析，可以確定諧波幅值比εf和波動率峰值εi是診斷單缸故障的有效參數。通過觀察不同工況下的參數值，進一步可以發現，εf值的變化與柴油機的轉速和負荷不存在依賴關系，主要取決于柴油機的工作狀態是否正常；而波動率峰值大小雖然會隨著轉速或負荷的變化發生微小變化，但當某缸發生故障時，所對應的峰值會發生明顯變化，并且故障越嚴重，峰值變化越劇烈。因此，可以將諧波幅值比作為判斷柴油機是否發生單缸故障的特征參數，并結合各缸對應的波動率峰值來定位故障缸。

3　瞬時轉速法診斷規則

圖6為基于諧波幅值比和波動率峰值兩種特征參數的診斷流程圖。

4　結語

本文為研究二沖程柴油機瞬時轉速法的診斷機理，以5S50ME型二沖程柴油機為研究對象，通過分析瞬時轉速信號的轉速波形圖和頻譜圖，提出了諧波幅值比和波動率峰值兩種特征參數，并得出基于瞬時轉速的診斷規則。

表2　瞬時轉速特征參數表

圖6　診斷流程圖

［1］范志勇.基于曲軸轉速波動分析的內燃機故障診斷研究［D］.大連：大連海事大學，2006，3.

［2］余永華.船舶柴油機瞬時轉速和熱力參數監測診斷技術研究［D］.武漢：武漢理工大學，2007，5.

［3］程利軍，張英堂，李志寧，等.基于瞬時轉速的柴油機各缸工作均勻性在線監測方法研究［J］.噪聲與振動控制，2011，31（6）：183-187.

［4］彭思思.海洋救助船主要動力設備監測與診斷系統的研究與設計［D］.武漢：武漢理工大學，2011，4.

［5］王金福，李富才.機械故障診斷的信號處理方法：頻域分析［J］.噪聲與振動控制，2013，33（1）：173-180.

［6］肖小勇.船舶柴油機智能診斷技術與應用研究［D］.武漢：武漢理工大學，2013，5.

［7］FERNANDOCRUZPERAGON，FRANCISCOJ，JIMENEZ-ESPADAFOR.Combustion faults diagnosis in internalcombustionenginesusingangularspeed measurements and artificial neural networks［J］.Energy& Fuels，2008，22（5）：2972-2980.

［8］JOHNSSON ROGER.Cylinder pressure reconstruction based on complex radial basis function networks from vibration and speed signals［J］.Mechanical Systems and Signal Proeessing，2006，20（8）：1923-1940.

［9］CHARLES P.Detecting the crankshaft torsional vibration of diesel engines for combustion related diagnosis［J］. Journal of Sound and Vibration，2009，321（3-5）：1171-1185.

Study on the Mechanism of Instantaneous Speed Diagnosis Method of Dual-stroke Diesel Engines

WANGLei1，2，XIANGYang1，2，WANGShuai1，2
（1.School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China；2.Key Laboratory of Marine Power Engineering and Technology，Ministry of Communications，Wuhan 430063，China）

Taking a 5S50ME dual-stroke diesel engine with 5 cylinders as the object，the diagnosis mechanism of the instantaneous speed method is studied.The instantaneous speed signals in normal operation state and fault operation state of the engine are measured.The variation law of the instantaneous speed in different operation conditions is obtained.On this basis，by analyzing the instantaneous speed waveform diagram and spectrum diagram，two characteristic parameters，volatility peak and harmonic amplitude ratio，are proposed which can effectively reflect the fault status of the engine.If the harmonic amplitude ratio of the 1st-order harmonic component to the 5th-order harmonic component is greater than a certain threshold，there is a single-cylinder fault in the diesel engine，and the cylinder which has the minimum volatility peak is the faulty cylinder.

vibration and wave；dual-stroke diesel engine；instantaneous speed；fault diagnosis；harmonic amplitude ratio；volatility peak

TP206+.3

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.029

1006-1355（2016）03-0142-05

2015-12-29

國家自然科學基金資助項目（51279148）

王磊（1992-），男，陜西省銅川市人，碩士生，主要研究方向為動力機械狀態監測與故障診斷。E-mail：1356064917@qq.com

向陽，女，博士生導師，主要研究方向為振動噪聲分析與控制、動力機械狀態監測與故障診斷。E-mail：yxiang@whut.edu.cn