基于異常聲發射信號的柴油機早期故障診斷

張虎 谷豐收 王鐵 王歡歡 黨軒 李國興 魏娜莎

摘要：為診斷某新型單缸柴油機缸體表面異常聲發射信號，將聲發射傳感器布置在柴油機不同部位進行定位分析，通過對比不同位置及不同機油壓力下聲發射信號的峰值響應，結合限壓閥的工作原理，最終確定異常聲發射信號來源于機油壓力的異常，并通過倒拖試驗進行驗證，實現柴油機早期故障的診斷。診斷結果表明：該型單缸柴油機預設機油壓力偏高。當機油壓力設置過高時，限壓閥回位力隨之增大，閥芯落座時，對閥體的沖擊力變強，從而產生尖銳的異常聲發射信號，與此同時，證明聲發射監測技術對柴油機早期故障診斷的有效性，具有較好的推廣應用價值。

關鍵詞：柴油機；故障診斷；聲發射；機油壓力

0引言

聲發射（acoustic emission，AE），是指材料、結構受到內力或者外力從而產生形變或是破壞.并以彈性波形式釋放應變能的現象。聲發射檢測技術作為一種新的無損檢測手段，具有高靈敏度，能夠對極其微弱的信號進行在線無損檢測。

柴油機故障類型繁多，早期故障信號極其微弱、信噪比低、不易檢測和識別。聲發射檢測技術因其具有診斷速度快、準確率高、故障定位性強、適用范圍廣、能夠實現早期預測和在線診斷等特點，受到了國內外故障診斷工作者的重視，朱奧輝通過建立的Elman神經網絡對提取的聲發射特征進行識別，可以很好地識別機械密封在工作過程中所處的摩擦狀態，實現了潤滑狀態的實時監測；龍小江等通過動態彎曲疲勞實驗獲得材料疲勞裂紋萌生、擴展和斷裂全過程的聲發射檢測信號，為材料的損傷以及壽命預測提供了參考：張宇等基于聲發射的衰減特性實現了故障行星輪的定位分析，證明了信號幅值隨傳播距離增加而呈指數衰減，而且該方法相對簡單，準確度也較高。

在發動機研究領域，史強等通過對缸套一活塞環模型建立與實驗驗證，證明了聲發射技術對缸內潤滑狀態診斷的有效性，為本文的研究提供了一定的基礎。Nivesrangsan和Steel等研究了典型的機械復雜結構中多源信號的信號源定位技術，但是基于速度或者是能量的定位都具有一定的局限性：Elamin闡述了采用聲發射技術診斷JC B444-T2型柴油機的噴油器故障法，從頻率角度出發，實現了在線檢測，但由于發動機工作過程中事件較多，頻率分辨難度較大。胡磊等將經驗模態分解應用于處理柴油機氣閥的聲發射信號，提高了聲發射應用于柴油機氣閥漏氣診斷方法的靈敏度，但工作量較大。本文通過對比不同位置聲發射信號的峰值響應，實現了故障的準確定位，與此同時，為了排除工作過程中的其他干擾因素，利用倒拖試驗對結果進行了驗證，證實了結論的準確性。

1缸體表面正常聲發射信號

發動機正常工作情況下，單位工作循環中聲發射信號能量偏大部分多集中在排氣門關閉（EVC）、進氣門關閉（IVC）和燃燒做功（Power）等位置，將采集到的聲發射信號，轉換到720°曲軸轉角（crankangle，CA）的角域中如圖1所示。

在試驗臺架調試運行的過程中，缸體表面測得的聲發射信號中出現了一系列具有周期性特征的異常信號，在90°CA及其整數倍角度處均出現未知的異常聲發射信號，嚴重影響摩擦潤滑狀態相關的聲發射特征提取與分析工作。

為確定具體的異常聲發射源，本文根據聲發射定位分析，展開試驗研究。

2試驗設備和試驗方案

2.1試驗設備

試驗中采用測控系統和DW40型電渦流測功機，曲軸轉角信號與上止點信號由曲軸位置傳感器測得，聲發射信號由SR 800型聲發射傳感器（采樣頻率50～800 kHz）測得并由其配套的SEAU2S-1016-08型的聲發射檢測儀采集記錄，發動機的上止點（TDC）和曲軸轉角信號由YE6232B型16通道數據采集儀采集記錄。倒拖試驗所用設備包括：Y 160M-4型電機，DH600型變頻器，L4700型機油壓力傳感器。柴油機技術參數如表1所示。

2.2試驗方案

為了診斷這些異常的聲發射源，將聲發射傳感器布置于表2所示不同測點位置，進行對比分析，試驗轉速為1 400 r/min，驗證試驗采用倒拖法進行驗證，倒拖轉速同樣恒定在1 400 r/min。

3數據分析與討論

由圖2可知，缸蓋和缸體的EVC、IVC和Power處的峰值響應較大，而飛輪側和主油道較小，這是因為缸蓋和缸體兩個位置與進、排氣閥和燃燒室距離較近，而飛輪側和主油道與其距離較遠。此外，在90°CA及其整數倍位置均出現異常聲發射信號，且主油道附近的聲發射相應明顯大于其他3種測點，說明異常聲發射位于主油道附近，且應該是規律的機械事件所致。

3.1機油泵

柴油機的機械事件眾多，根據異常聲發射信號的特征推測可能是轉子式機油泵異常所致，試驗用柴油機的機油泵外轉子齒數為5，內轉子齒數為4，并且曲軸與機油泵的內轉子轉速相同，機油泵每隔90°CA向外擠壓一次機油，這與異常聲發射信號峰值響應的曲軸轉角位置高度吻合。基于以上分析，推測缸體表面測得異常AE信號的產生可能與泵油系統運行異常有關，因而在機油泵附近又測量了相應的AE信號。

從圖3可知，機油泵附近的AE信號峰值響應小于主油道附近的AE信號峰值響應，這說明異常的聲發射并非由機油泵直接引起。觀察異常AE信號發現：該信號與EVC、IVC、Power等信號相似，均屬于突發型AE信號，此類型信號呈脈沖波形，信號峰值較大，且衰減速度快。柴油機的突發型AE信號多為一些瞬態激勵（比如沖擊、碰撞等）所造成的，由于機油泵的泵油周期也是90°CA，推測這些異常AE信號的產生可能與機油泵所在的潤滑系統有關。

潤滑系統中各個閥的落座均為瞬態事件，且均可產生突發型聲發射信號，潤滑系統中各個閥的落座都是瞬態事件，此類瞬態事件也可以產生突發型聲發射信號。據此推測，可能是潤滑系統中某個閥的閥芯落座，產生了尖銳且規律分布的異常AE信號。

3.2閥事件

由圖4可知，聲發射傳感器周圍有限壓閥和內置于機油濾清器的旁通閥以及止回閥。因為止回閥只有在停機時起作用，所以排除止回閥造成異常聲發射信號的可能性。

旁通閥安裝在機油濾清器里面，目的是防止機油濾清器的濾芯被堵時，機油無法輸送到主油道，從而出現發動機斷油而不能潤滑的現象。如果濾芯嚴重被堵，機油無法通過濾芯，那么濾清器進口壓力就會上升，當達到規定的壓力值時，旁通閥開啟，經旁通閥將機油送進主油道。限壓閥的作用是保證機油油路的壓力穩定并且保護機油泵。本機型上的限壓閥兼有調壓的功能。現將聲發射傳感器同時布置在機油濾清器和限壓閥上，采集一組同工況的數據和測點4的信號進行對比分析。

如圖5所示，AE信號的峰值響應由大到小依次是：限壓閥、主油道和旁通閥。可知旁通閥的可能性被排除。限壓閥處的AE信號的峰值響應最大，即限壓閥處AE傳感器離AE信號源最近，此外，主油道和限壓閥處的異常AE信號特征一致，為同一AE信號源所致，所以疑似限壓閥閥芯落座造成了所有測點的異常AE信號。正常機油壓力的限壓閥閥芯落座事件，通常不會出現在柴油機AE信號中，但當機油壓力偏高，限壓閥閥芯落座沖擊力變強，便會引起異常AE信號。

本機型采用的是柱塞閥芯結構的限壓閥，閥中彈簧的回位力直接決定了潤滑系統油壓的高低，發動機一個工作循環內，限壓閥伴隨著機油泵的8次供油，產生8次脈動式開閉，如果機油壓力偏高，則限壓閥閥芯落座時，對閥體產生8次沖擊力會變強。

基于以上分析，推測機油壓力偏高可能是造成異常AE信號的主要原因。

3.3機油壓力故障診斷

3.3.1機油壓力

本文所診斷的發動機正常的油壓范圍應在（0.08-0.4MPa）區間內。但怠速時實測油壓高達0.4MPa，顯然油壓高于正常壓力范圍。因此將機油壓力調整到正常壓力范圍后，再次以同樣工況采集限壓閥處的聲發射信號，進行對比。

如圖6所示，機油壓力調節到正常范圍后，間隔90°CA出現的異常聲發射信號徹底消失。

3.3.2試驗驗證

由于柴油機的聲發射源眾多，為進一步驗證異常聲發射信號源，現采用發動機倒拖試驗來驗證上述的推論。將聲發射傳感器置于燃燒室外的缸體上，即測點2的位置。

由圖7可知異常聲發射信號發生在機油壓力0.75 MPa附近，且均處于機油壓力變化率曲線的波谷處。說明該限壓閥的限制壓力閾值即為0.75 MPa。

如圖8所示，順時針轉動調壓螺桿，限壓閥的開啟壓力增大，與此同時，也縮短彈簧的壓縮行程，柱塞的運動距離也變短，泄壓時，柱塞停留的位置阻礙了泄油口流通面積，造成泄壓能力不足，加之轉子式機油泵造成的迅速上升的壓力波動.最終達到機油壓力峰值，此時柱塞并未與閥體產生碰撞，因此壓力最大時并無明顯的聲發射信號。

機油壓力峰值過后，在轉子式機油泵造成的迅速下降的壓力波動和泄油孔泄油雙重作用下，承受了高油壓彈簧的回位力大于柱塞面上的油壓作用力，導致柱塞撞擊在閥體上的沖擊力變強，在機油壓力變化率最大處，產生沖擊，因此限壓閥在機油壓力變化率曲線的波谷處落座，并產生聲發射信號。

發動機潤滑系統通常是低速時供油不足，高速時供油過量，本文所診斷的發動機為了滿足低速時的供油需求，提高了限壓閥的開啟壓力。根據統計經驗，熱負荷較高的高速柴油機所需的機油泵的泵油量為

此型號柴油機的標定功率是20.5 kW，帶入式（1）得出額定機油泵流量為13.94～16.195 L/min。而本機的機油泵實測流量為20 L/min.顯然機油泵的流量高于柴油機所需要的流量。由此，在供大于需的情況下，限壓閥伴隨機油泵的泵油周期脈動式的開閉，會造成潤滑系統壓力大幅波動，在這種情況下會損傷潤滑系統中的液壓元件，同時，也造成了不必要的能量浪費。

4結束語

本文通過對柴油機機體表面不同位置異常聲發射信號的峰值響應進行對比分析，確定了異常聲發射信號來源于機油壓力異常所導致的限壓閥閥芯落座事件，在調節油壓后使得聲發射信號恢復正常，并通過倒拖試驗驗證了結論的準確性。

1）單缸柴油機機油壓力異常并未直接影響到整機的使用性能，但過高的機油壓力必然會對設備的日常維護與使用壽命產生負面的影響。本文的診斷結論為該型柴油機的優化設計提供了堅實的理論依據與明晰的改進方向。

2）聲發射檢測技術針對機油壓力異常而引起的限壓閥閥芯落座等微弱異常事件具有優異的檢測識別能力，是一種研究分析柴油機早期故障的有效技術手段。