基于高頻沖擊信號(hào)的柴油機(jī)敲缸故障診斷

高洪濱，孫 斌，胡義國

(1.92601部隊(duì)，廣東 湛江 524009； 2.91526部隊(duì)，廣東 湛江 524064)

基于高頻沖擊信號(hào)的柴油機(jī)敲缸故障診斷

高洪濱1，孫 斌1，胡義國2

(1.92601部隊(duì)，廣東 湛江 524009； 2.91526部隊(duì)，廣東 湛江 524064)

振動(dòng)速度頻譜在設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷中應(yīng)用很多。某柴油機(jī)低速時(shí)A1缸附近存在強(qiáng)烈敲擊聲。通過對(duì)柴油機(jī)缸蓋和高壓油管的異常高頻沖擊加速度信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和分析，準(zhǔn)確判斷出故障原因是供油不良導(dǎo)致敲缸,更換噴油器后敲缸現(xiàn)象消失。

柴油機(jī)；振動(dòng)；故障診斷；沖擊；敲缸

在對(duì)艦船設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷時(shí)，常常將設(shè)備按照運(yùn)轉(zhuǎn)方式分為回轉(zhuǎn)設(shè)備和往復(fù)設(shè)備2大類，它們的振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和故障診斷方法明顯不同。回轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)信號(hào)頻譜簡(jiǎn)單，不同故障時(shí)頻譜相差明顯，多數(shù)情況下對(duì)振動(dòng)速度的頻譜和時(shí)間信號(hào)進(jìn)行分析可以準(zhǔn)確判斷故障。但是往復(fù)設(shè)備特別是柴油機(jī)振動(dòng)故障診斷復(fù)雜得多，這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)振動(dòng)激勵(lì)源多，振動(dòng)信號(hào)成分復(fù)雜[1]。柴油機(jī)振動(dòng)的中低頻信號(hào)(1 kHz以下)主要來源于汽缸壓力的周期性變化、運(yùn)動(dòng)部件的慣性力和不平衡力，其振動(dòng)頻率成分主要是單缸發(fā)火頻率及其高次諧頻，是相對(duì)穩(wěn)定的振動(dòng)信號(hào)。而其高頻信號(hào)主要來源于各種沖擊，例如燃燒沖擊、氣閥敲擊、齒輪嚙合等，沖擊激發(fā)零部件的固有頻率振動(dòng)，頻率高達(dá)數(shù)千赫茲或者數(shù)萬赫茲，持續(xù)時(shí)間短。根據(jù)波動(dòng)理論，高頻沖擊信號(hào)在結(jié)構(gòu)中以波動(dòng)形式傳播，隨著距離的增加，信號(hào)衰減很快。這使得異常的高頻沖擊信號(hào)對(duì)于故障定位很有意義，振源一定在高頻信號(hào)最強(qiáng)烈的測(cè)點(diǎn)附近[2]。在振動(dòng)位移、速度和加速度信號(hào)中，加速度信號(hào)更能突出高頻信號(hào)，因此，高頻沖擊加速度信號(hào)是柴油機(jī)振動(dòng)故障診斷的一個(gè)重要參數(shù)。但是柴油機(jī)高頻沖擊加速度信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大，頻帶寬，因此對(duì)信號(hào)的采集頻率范圍敏感，對(duì)測(cè)點(diǎn)位置敏感，這需要監(jiān)測(cè)人員有豐富的經(jīng)驗(yàn)，合理選擇測(cè)點(diǎn)和設(shè)置測(cè)量參數(shù)。

某艦主機(jī)是4沖程廢氣渦輪增壓柴油機(jī)，額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)1臺(tái)主機(jī)在較低轉(zhuǎn)速時(shí)(小于或者等于600 r/min)A1汽缸附近存在強(qiáng)烈的敲擊聲，但是爆壓正常，排氣溫度正常。為了判斷敲擊聲的來源，對(duì)該主機(jī)進(jìn)行了振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷。

1 信號(hào)采集與分析

測(cè)量該主機(jī)各缸蓋垂向和橫向的振動(dòng)信號(hào)。測(cè)量A1缸蓋以外的其它缸蓋是為了類比分析。同時(shí)測(cè)量振動(dòng)加速度、速度和位移的時(shí)間和頻譜信號(hào)，首次測(cè)量參數(shù)如下：振動(dòng)加速度時(shí)間信號(hào)濾波頻率1 Hz～10 kHz，加速度頻譜濾波頻率2 Hz～12.8 kHz，速度時(shí)間信號(hào)濾波頻率2 Hz～1 kHz，速度頻譜濾波頻率2 Hz～1.6 kHz，位移時(shí)間信號(hào)濾波頻率2 Hz～1 kHz，位移頻譜濾波頻率2 Hz～800 Hz。這樣的采集參數(shù)設(shè)置在多數(shù)情況下是合適的，既能分析判斷故障，又能合理控制數(shù)據(jù)量。但是，采用該設(shè)置測(cè)量柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)后，發(fā)現(xiàn)故障汽缸振動(dòng)信號(hào)與其它汽缸差別不明顯。無法判斷故障的原因和部位。

敲擊應(yīng)該能激發(fā)出缸蓋或者機(jī)體的高頻固有頻率振動(dòng)，高頻沖擊加速度應(yīng)該有明顯的不同。為此，調(diào)整加速度時(shí)間信號(hào)的采樣頻率和濾波頻率重新測(cè)量，加速度時(shí)間信號(hào)采樣頻率131 072 Hz，濾波頻率10 Hz～40 kHz，此時(shí)A1缸蓋振動(dòng)加速度存在明顯不同于其它缸蓋的強(qiáng)烈的高頻沖擊。調(diào)整參數(shù)后，測(cè)量得到的A1缸蓋和A2缸蓋橫向高頻加速度時(shí)間波形如圖1、圖2所示，A1缸蓋高頻沖擊加速度明顯強(qiáng)烈得多，而且峰值不穩(wěn)定。而A2缸蓋高頻沖擊加速度峰值小得多，進(jìn)排氣閥敲擊信號(hào)與燃燒沖擊相差不大。根據(jù)高頻加速度信號(hào)的區(qū)別，可以判斷A1缸蓋振動(dòng)存在問題，而高頻振動(dòng)在結(jié)構(gòu)中衰減很快，因此，振源一定在缸蓋附近，燃燒沖擊或者是氣閥敲擊是最可能的原因。

圖1 敲缸時(shí)A1缸蓋橫向振動(dòng)加速度

圖2 A2缸蓋橫向振動(dòng)加速度

2 故障診斷

由于沒有相位信號(hào)，不好判斷異常是燃燒造成的，還是氣閥沖擊造成的。為此，進(jìn)行單缸斷油試驗(yàn)，A1缸單缸斷油后的振動(dòng)加速度信號(hào)如圖3，最大沖擊加速度明顯下降，因此燃燒是異常振動(dòng)的主要激勵(lì)源，異響就是敲缸。但是敲缸可能是燃油霧化不良、供油定時(shí)不對(duì)、進(jìn)氣不足或者是活塞環(huán)損壞，需要進(jìn)一步判斷故障原因。

圖3 斷油時(shí)A1缸蓋橫向振動(dòng)加速度

在測(cè)量了各個(gè)汽缸的高壓油管振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)A1缸高壓油管供油脈沖明顯沒有其它缸強(qiáng)烈和短促，如圖4，可以判斷該缸供油有問題。

圖4 A1缸和A2缸高壓油管橫向振動(dòng)加速度信號(hào)比較

更換新的噴油器后多次跟蹤監(jiān)測(cè)，敲擊聲消失，A1缸蓋高頻沖擊振動(dòng)明顯下降，如圖5。

圖5 修理后A1缸蓋橫向振動(dòng)加速度

檢查發(fā)現(xiàn)原來的噴油器啟噴壓力低，導(dǎo)致噴油提前。這一故障診斷過程中，首先根據(jù)A1缸高頻加速度的異常判斷出振源在缸蓋附近，根據(jù)單缸斷油后的監(jiān)測(cè)結(jié)果判斷出異常燃燒是故障源，再根據(jù)高壓油管的沖擊脈沖異常判斷出是供油問題。合理選擇監(jiān)測(cè)量標(biāo)和數(shù)據(jù)采集參數(shù)，逐漸縮小范圍，快速確定了故障原因和部位。根據(jù)振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行有針對(duì)性的維修工作，縮短了檢修的時(shí)間，提高了維修工作的效率。

3 結(jié)束語

1)由于柴油機(jī)自身振動(dòng)信號(hào)復(fù)雜，激勵(lì)源多，在對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷時(shí)，不能簡(jiǎn)單的以振動(dòng)烈度值和振動(dòng)速度頻譜判斷設(shè)備狀態(tài)和診斷故障。高頻沖擊信號(hào)在結(jié)構(gòu)中衰減快，高頻沖擊信號(hào)較大的點(diǎn)離振源近，對(duì)故障定位意義更大。

2)高壓油管的高頻沖擊信號(hào)能夠反映供油問題，在對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷時(shí)應(yīng)該引起關(guān)注。

3)由于高頻加速度信號(hào)對(duì)測(cè)點(diǎn)位置敏感，對(duì)測(cè)量頻率范圍敏感，需要合理選擇測(cè)點(diǎn)和測(cè)量參數(shù)才能準(zhǔn)確判斷故障。

[1] 趙慧敏.柴油機(jī)非穩(wěn)態(tài)振動(dòng)信號(hào)分析與智能故障診斷研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[2] Cyril M.Harris.Allan G.Piersol.沖擊與振動(dòng)手冊(cè)[M]. 劉樹林，王金東，李鳳明，等譯.北京：中國石化出版社，2008.

Vibration velocity spectra are frequently used in vibration fault diagnosis for equipment, such as diesel engine. Strong knocking noise was heard nearby A1 cylinder of a diesel engine. High frequency vibration acceleration signal on cylinder heads and high pressure oil pipes was measured and analyzed，which was abnormal with weak impulse on oil injector. Knocking noise disappeaed when new oil injector was installed.

diesel engine; vibration; fault diagnosis; shock; piston knock

高洪濱(1978-)，男，遼寧葫蘆島人，工程師，博士，研究方向?yàn)樵肼暸c振動(dòng)控制。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.01.007

2016-09-12