一種履帶車輛發(fā)動機振動采集裝置設(shè)計與研究

康辰龍，張永鋒

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一種履帶車輛發(fā)動機振動采集裝置設(shè)計與研究

康辰龍，張永鋒

（陸軍工程大學(xué)軍械士官學(xué)校，武漢 430075）

發(fā)動機故障診斷分析方法的發(fā)展十分迅速，每建立一套發(fā)動機故障診斷模型都需要耗費大量時間、人力和物力采集龐大體量的狀態(tài)樣本，此過程中存在嚴(yán)重的樣本流失、資源浪費的現(xiàn)象，同時也延長了診斷模型的訓(xùn)練周期。本文提出一種履帶車輛發(fā)動機狀態(tài)采集裝置，通過以STM32F407為核心的嵌入式平臺以及AD模塊和壓電薄膜加速度傳感器對發(fā)動機外表面的振動信號進(jìn)行測量、信號調(diào)理并寫入外部存儲單元形成一個發(fā)動機狀態(tài)樣本。通過這種方式為發(fā)動機故障診斷技術(shù)的研究提供全面的訓(xùn)練樣本既保證了樣本的全面性、同時也大大縮短了模型的訓(xùn)練周期。

狀態(tài)采集 發(fā)動機 STM32

0 引言

利用發(fā)動機振動信息對其進(jìn)行狀態(tài)跟蹤檢測，是現(xiàn)有的發(fā)動機狀態(tài)采集檢測設(shè)備的常用方法之一。通過檢測發(fā)動機振動頻率強度值的差異來判斷發(fā)動機的狀態(tài)，并通過長期觀察記錄分類，形成有效的故障診斷數(shù)據(jù)庫。但是這種狀態(tài)跟蹤檢測是存在局限性的，我國自上個世紀(jì)八十年代開始研究發(fā)動機故障診斷，主流診斷方式先后涉及了時域分析、頻域分析（比如：功率譜分析、倒譜分析）、時頻域分析（比如短時傅里葉分析、小波變換）以及智能化診斷（比如專家系統(tǒng)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）[1]，不同的診斷方法會形成不同的診斷數(shù)據(jù)庫，而且此類數(shù)據(jù)庫內(nèi)的發(fā)動機狀態(tài)模型形式各異沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。通過長期觀察記錄，耗費大量資源建立的故障診斷數(shù)據(jù)庫，往往對以后進(jìn)一步研究智能化發(fā)動機故障診斷技術(shù)的借鑒意義并不大。

履帶式底盤發(fā)動機是一個復(fù)雜而極為完善的機械設(shè)備。該類發(fā)動機的主要特點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、干擾激勵源多樣。本文以某型履帶車輛發(fā)動機為目標(biāo)發(fā)動機，設(shè)計了一套便攜易用的振動采集裝置，將目標(biāo)發(fā)動機的外表面的振動樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，結(jié)合目標(biāo)發(fā)動機的對應(yīng)狀態(tài)信息一起存儲。該裝置旨在為發(fā)動機故障診斷技術(shù)的研究提供全面的訓(xùn)練樣本既保證樣本的全面性、同時也大大縮短診斷模型的訓(xùn)練周期。

1 履帶車輛發(fā)動機振動分析

1.1 振動激勵源分析

引起履帶式底盤發(fā)動機表面振動的激勵源一般包括三種，一是曲軸和飛輪等旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心慣性力；二是連桿機構(gòu)的往復(fù)運動產(chǎn)生的往復(fù)式慣性力；三是缸體內(nèi)的氣體燃爆產(chǎn)生的沖擊壓力。作用于機體表面上的激勵源主要有以下幾種1）開啟時排氣門的氣體沖擊力；2）開啟時進(jìn)氣門氣體沖擊力；3）進(jìn)氣門落座沖擊力；4）排氣門落座沖擊力；5）燃燒氣體壓力；6）噴油器針閥落座沖擊力；7）各種隨機激勵力。綜合以上激勵，使得發(fā)動機缸體表面振動信號既存在周期性同時也存在時變非線性。

1.2 測點選定

在該采集裝置的設(shè)計中，為了使獲取的樣本數(shù)據(jù)對不同工作狀態(tài)更具表達(dá)力，測點位置的選擇很重要。根據(jù)理論分析，發(fā)動機的曲軸箱側(cè)壁、缸體以及缸蓋罩附近振動信號的表達(dá)力較強，而且這些地方比較方便設(shè)置測點[4]。表1列出測點分布。

表1 測點分布

2 裝置工作原理

振動采集裝置主要由壓電薄膜加速度傳感器、前置電荷放大電路、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理芯片MCU和負(fù)責(zé)人機交互的串口HMI等器件組成，原理圖如圖1所示。之所以摒棄以往采用計算機作為中樞控制單元而采用嵌入式系統(tǒng)是為了在保證采集工作正常進(jìn)行的前提下使采集裝置盡可能的小，便于攜帶，便于展開使用。不管采用什么算法建立發(fā)動機故障診斷模型，對所需的訓(xùn)練樣本要求發(fā)動機故障狀態(tài)全覆蓋，然而實際上發(fā)動機的大部分故障是不方便人為設(shè)置的，所以需要操作人員攜帶該采集裝置前往各故障發(fā)動機所在地實施故障采集工作。因此采集裝置得小型化設(shè)計是必要的。

圖1 發(fā)動機振動采集裝置原理圖

該裝置采用LDT0-028K型壓電薄膜加速度傳感器來采集發(fā)動機振動信號。整個實驗將傳感器布置在各測點后，啟動發(fā)動機至測試轉(zhuǎn)速，傳感器將采集到的振動信號經(jīng)過前置電荷放大后傳遞給數(shù)據(jù)采集模塊，隨后由MCU對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，打包存儲。

2.1 振動信號采集電路設(shè)計

2.1.1信號調(diào)理電路

LDT0-028K型壓電薄膜加速度傳感器是一種典型的無源傳感器，輸出信號也比較微弱，較難直接采集，需要對其先進(jìn)行電荷放大轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛢?nèi)阻電壓信號。此類傳感器具有很高的輸入阻抗，要求電荷放大器中運算放大器具有非常高的輸入阻抗，使微弱的輸入信號不致泄漏掉[2,3]。所以本設(shè)計選用的Intersil公司CA3140高阻運放，其輸入阻抗為1.5 T，輸入電容為4 pF，增益帶寬為4.5 MHz，寬帶等效輸入噪聲電壓為48 μV，轉(zhuǎn)換速率為9 V/μS，供電電壓為±12 V。經(jīng)過電荷放大后，再通過調(diào)理放大得到0-10 V的模擬信號，之后通過AD采集電路采集。信號調(diào)理電路圖如圖2所示。

2.1.2 AD采集電路

系統(tǒng)采用STM32F407ZGT6作為主控MCU，采用AD7606作為數(shù)據(jù)采集核心，兩者使用30PIN排線以FSMC方式連接。AD7606是一款集成式8通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)16位同步采樣，同步采樣速率可達(dá)到200 kSPS。AD7606配置起來比較簡單，它自身沒有內(nèi)部寄存器，量程范圍±5、±10可選，可通過外部IO控制過采樣參數(shù)。采樣速率由MCU提供的脈沖頻率控制。除此之外通過控制片選CS，還可以多塊并用實現(xiàn)16通道、24通道甚至32通道的信號采集。采集電路原理圖如圖3所示。

圖2 電荷放大原理圖

圖 3 采集電路原理圖

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

采集裝置通過STM32+AD7606實現(xiàn)8通道振動信號采集，并生成振動樣本存儲。信號采集流程圖如圖4所示，該過程細(xì)化成7個步驟：

1）發(fā)動機準(zhǔn)備就緒后，操作人員通過交互界面HMI下達(dá)采集指令；

2）初始化時鐘以及端口，采樣頻率，PWM等；

3）打開PWM時鐘中斷，開始8個通道同時采集振動信號；

4）對一個采樣周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行去均值處理，然后通過巴特沃斯數(shù)字陷波器剔除工頻干擾；

5）通過限定振幅，篩查數(shù)據(jù)，通過重復(fù)采樣的方式直至得到合格樣本；

6）操作人員通過交互界面為樣本添加狀態(tài)標(biāo)簽，例如正常、偶件卡死、供油提前角偏大等；

7）將帶標(biāo)簽的樣本數(shù)據(jù)以文件形式寫入內(nèi)存卡。

3 狀態(tài)采集

將振動信號采集裝置的8個壓電薄膜加速度傳感器牢固貼附于發(fā)動機缸蓋等部位設(shè)定的8個測點處。啟動發(fā)動機后，使其怠速穩(wěn)定運行，通過串口HMI觸摸控制進(jìn)行信號采集。振動信號通過AD轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過去均值、數(shù)字工頻陷波之后，此時通過交互界面為振動數(shù)據(jù)添加狀態(tài)標(biāo)簽后以文件形式寫入存儲卡作為訓(xùn)練樣本保存，同時也可以通過串口將樣本數(shù)據(jù)上傳至上位機算機實時查看振動采集信號曲線。

圖4 信號采集流程圖

圖5為發(fā)動機正常運行時，8個測點的振動樣本數(shù)據(jù)。

從8個測點的振動信號波形圖可以看出，本文設(shè)計的采集裝置可以很好的實現(xiàn)對發(fā)動機表面振動信號的采集，通過多次試驗，統(tǒng)計測試數(shù)據(jù)表明，相同狀態(tài)下的樣本數(shù)據(jù)有效值誤差、裕度誤差均在0.2% 以內(nèi)，峭度誤差在0.15%內(nèi)，具有良好的性能。

4 結(jié)語

本項目結(jié)合履帶車輛發(fā)動機的結(jié)構(gòu)特點與工作原理，對發(fā)動機振動信號激勵源的周期性、不平穩(wěn)性進(jìn)行分析及研究。首先，建立以STM32F407處理器+AD7606為核心的履帶車輛發(fā)動機振動信號的采集裝置，在發(fā)動機不解體的情況下，采集發(fā)動機機體表面的振動信號，對信號進(jìn)行調(diào)理放大、降噪濾波以及AD采集生成樣本，為樣本添加狀態(tài)標(biāo)簽，并寫入外部存儲單元形成一個發(fā)動機狀態(tài)樣本。通過這種累加的方式收集目標(biāo)發(fā)動機的不同狀態(tài)的樣本數(shù)據(jù)，保證了樣本量的充足和樣本。這些樣本將為發(fā)動機故障診斷技術(shù)的研究提供有力的數(shù)據(jù)支持。

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Design and Research on Vibration Acquisition Device for Tracked Vehicle Engine

Kang Chenlong, Zhang Yongfeng

(Ordnance Sergeant school, Army Engineering University, Wuhan 430075, China)

TJ306+.2

A

1003-4862（2018）12-0044-05

2018-09-05

康辰龍（1988-），男，助理講師。研究方向：軍用履帶車輛故障診斷。E-mail：kcl21@163.com