渦輪增壓器性能檢測(cè)與故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)的研制

肖曉華 曾國(guó)衛(wèi) 李文軍

摘? 要：渦輪增壓器再提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能方面的作用，如何再提升渦輪增壓器性能的同時(shí)有效實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)成為目前渦輪增壓器研究的熱點(diǎn)。該文將從渦輪增壓器結(jié)構(gòu)及工作原理出發(fā)，對(duì)增壓器相關(guān)性能及常見(jiàn)故障進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，研究利用LabVIEW與MATLAB實(shí)現(xiàn)渦輪增壓器性能檢測(cè)與故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)的研制與開(kāi)發(fā)，以期能為渦輪增壓器研究發(fā)展帶來(lái)一些啟發(fā)和幫助。

關(guān)鍵詞：渦輪增壓器;性能檢測(cè);故障預(yù)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：U464? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 渦輪增壓器理論基礎(chǔ)

渦輪增壓器（廢氣渦輪增壓）通常可以根據(jù)渦輪形式的區(qū)別分為徑流式、軸流式以及混流式3種，其中徑流式渦輪增壓器中廢氣是沿著渦輪徑向流動(dòng)、軸流式渦輪增壓器中廢氣沿渦輪軸向流動(dòng)，而混流式則是介于二者之間的斜向流動(dòng)。渦輪增壓器主要包括壓氣機(jī)以及渦輪機(jī)2個(gè)部分，其余還有相關(guān)潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、密封系統(tǒng)以及支承系統(tǒng)等。

渦輪增壓器工作原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是利用發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣，在慣性作用下來(lái)驅(qū)動(dòng)增壓器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)增壓作用。

1.1 渦輪增壓器性能參數(shù)

1.1.1 渦輪機(jī)性能參數(shù)

渦輪機(jī)中主要性能參數(shù)包括廢氣流量、膨脹比、渦輪轉(zhuǎn)速以及渦輪機(jī)效率。其中廢氣流量指每秒流過(guò)廢氣量，膨脹比指廢氣進(jìn)入渦輪機(jī)前后壓力比。變工況運(yùn)行時(shí)這4項(xiàng)參數(shù)間的相互關(guān)系即為渦輪機(jī)工作特性。

1.1.2 壓氣機(jī)性能參數(shù)

通常研究的壓氣機(jī)性能參數(shù)包括增壓比、絕熱效率、折合流量以及折合轉(zhuǎn)速。其中增壓比作為壓氣機(jī)主要研究的工作指標(biāo)指的是壓氣機(jī)進(jìn)出口壓力之比。壓氣機(jī)特性曲線描述的是增壓比與效率在空氣流量發(fā)生變化時(shí)的關(guān)系曲線，可以通過(guò)壓氣機(jī)特性曲線圖選擇合適壓氣機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行匹配，因此有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

2 渦輪增壓器常見(jiàn)故障

2.1 轉(zhuǎn)子故障

渦輪增壓器發(fā)生轉(zhuǎn)子故障的概率很高，常見(jiàn)的有葉片故障、轉(zhuǎn)子摩擦、不平衡、轉(zhuǎn)子彎曲等，當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)子故障時(shí)會(huì)對(duì)渦輪增壓器工作產(chǎn)生巨大影響。

2.2 漏油

渦輪增壓器漏油會(huì)造成燃燒惡化、油壓不足、積碳等不良影響，主要原因在于回油管路堵塞等現(xiàn)象的發(fā)生，從而造成回油不暢、密封失效等問(wèn)題。

2.3 喘振

喘振故障的發(fā)生包括很多因素，通常可以從發(fā)動(dòng)機(jī)、中冷器、增壓器以及環(huán)境方面找原因。

2.3 增壓壓力下降或上升

增壓壓力異常變化會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生很大的影響。增壓壓力異常上升通常是由于渦輪轉(zhuǎn)速增加的緣故，常見(jiàn)的是由于增壓壓力調(diào)節(jié)閥故障、噴嘴環(huán)故障、發(fā)動(dòng)機(jī)后燃故障以及漏氣故障所造成的。而增壓壓力異常下降會(huì)造成充氣量減少、功率下降、耗油增加等問(wèn)題，常見(jiàn)原因包括空氣濾清器堵塞、壓氣機(jī)故障、中冷器堵塞、排氣管堵塞、渦輪故障、葉片變形等。

3 渦輪增壓器性能檢測(cè)與故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)研制

3.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

該文主要基于LabVIEW與MATLAB進(jìn)行聯(lián)合開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪增壓器的性能檢測(cè)以及故障預(yù)測(cè)。LabVIEW是一款功能強(qiáng)大、處理靈活的分析軟件系統(tǒng)，能夠結(jié)合多平臺(tái)儀器，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理功能從而創(chuàng)造出更多功能儀器，但由于其數(shù)學(xué)算法有限，因此可以結(jié)合MATLAB實(shí)現(xiàn)聯(lián)合開(kāi)發(fā)，充分發(fā)揮2種軟件的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

3.2 總體方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)渦輪增壓器性能檢測(cè)與故障預(yù)測(cè)目的，在進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)需要滿(mǎn)足以下3點(diǎn)要求。1）系統(tǒng)需要具備數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、參數(shù)顯示、繪制圖表曲線等功能。2）系統(tǒng)需要能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的有效檢測(cè)且保證數(shù)據(jù)精確度要求。3）系統(tǒng)需要具備抗干擾能力，確保運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定可靠。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要包括了測(cè)試與控制2個(gè)板塊，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)增壓器各性能參數(shù)的有效檢測(cè)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以利用傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)、壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速等信號(hào)的有效檢測(cè)與收集，在進(jìn)行相關(guān)信號(hào)預(yù)處理之后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳處理和存儲(chǔ)。

3.2.1 性能參數(shù)檢測(cè)

溫度檢測(cè)主要包括了對(duì)渦輪機(jī)進(jìn)出口、壓氣機(jī)進(jìn)出口、潤(rùn)滑油進(jìn)出口、冷卻水進(jìn)出口等溫度的檢測(cè)。

壓力檢測(cè)包括了對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)出口、渦輪進(jìn)出口、潤(rùn)滑油進(jìn)出口以及冷卻水浸出口的壓力檢測(cè)。這些壓力數(shù)據(jù)可以在一定程度上反映增壓器性能，且對(duì)于其他性能參數(shù)計(jì)算以及特性曲線繪制都有著非常重要的意義。

振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)也是參數(shù)檢測(cè)中非常重要的一環(huán)，關(guān)鍵部位振動(dòng)信號(hào)能夠有效反映增壓器性能，且對(duì)于增壓器故障預(yù)測(cè)可以起到非常重要的作用。此外還需要進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)試與流量測(cè)試。轉(zhuǎn)速測(cè)試通常會(huì)選擇磁電方法實(shí)現(xiàn)，流量檢測(cè)包括了對(duì)壓氣機(jī)、渦輪機(jī)廢氣、潤(rùn)滑油以及冷卻水的流量檢測(cè)。

3.2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)搭建

該文選用的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)是SQL Server，有著非常強(qiáng)大全面的數(shù)據(jù)管理和分析功能。其結(jié)構(gòu)包括了用戶(hù)信息表、試驗(yàn)記錄表、采集參數(shù)表、參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)表以及故障信號(hào)表和專(zhuān)家?guī)臁?/p>

第三部分則是根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，主要是基于MGM（1，n）-SVM故障預(yù)測(cè)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用多變量綜合描述渦輪增壓器運(yùn)行狀態(tài)，從而推斷故障原因以及發(fā)展趨勢(shì)。

該文以轉(zhuǎn)子故障為例進(jìn)行故障分析說(shuō)明，前文提到在渦輪增壓器中，常見(jiàn)轉(zhuǎn)子故障有軸彎曲、不平衡、油膜渦動(dòng)等。根據(jù)在增壓器外殼處安裝的振動(dòng)傳感器測(cè)出的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行收集。之后要進(jìn)行特征變量的提取，收集振動(dòng)峰峰值、均方根值以及其他的時(shí)域參數(shù)，這些參數(shù)的獲取可以大致判斷出是否存在故障，但是無(wú)法進(jìn)行故障定位。對(duì)于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)而言，需要了解0.38～0.48倍頻、0.5倍頻、基頻、葉片等其中的故障信息，對(duì)比分析正常狀態(tài)與故障狀態(tài)下的信號(hào)特征變量，對(duì)其進(jìn)行判別。該文選擇的判斷故障的特征變量為：

X=（RMS，峰峰值，0.38-0.48×最大幅值，0.5×幅值，1×幅值，2×幅值，18×幅值）

接下來(lái)是灰色關(guān)聯(lián)度分析，以RMS時(shí)間序列為參考數(shù)列，得出與比較數(shù)列之間灰色關(guān)聯(lián)度。之后需要建立MGM（1，n）模型，將得到的擬合值與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，合格模型可以用來(lái)故障預(yù)測(cè)。擬合精度越高，結(jié)果更準(zhǔn)確，能夠更好地幫助增壓器實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)。之后需要進(jìn)行支持向量機(jī)步驟，可以按照故障分類(lèi)選每類(lèi)故障30類(lèi)型，對(duì)這些特征向量進(jìn)行歸一處理，得到訓(xùn)練測(cè)試樣本。例如得到葉片故障訓(xùn)練樣本歸一化處理后得到xi=[0.264? 1? 0.008? 0? 0.145]，同樣步驟得到訓(xùn)練集，其中yi，當(dāng)yi=1表示該樣點(diǎn)無(wú)故障，則有葉片故障。故障預(yù)測(cè)階段，需要將得到的歸一化樣本輸入SVM樹(shù)狀流程中，若得到y(tǒng)i=-1，表示預(yù)測(cè)故障在葉片上。其他故障預(yù)測(cè)方法同上。

最后一個(gè)板塊是歷史查詢(xún)，包括了對(duì)試驗(yàn)記錄表、故障信息表以及專(zhuān)家?guī)斓牟樵?xún)。需要注意的是數(shù)據(jù)收集過(guò)程中，需要將采集參數(shù)進(jìn)行提前設(shè)置，才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的有效采集

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)渦輪增壓器基本結(jié)構(gòu)、工作原理、相關(guān)性能參數(shù)、特性曲線以及常見(jiàn)故障等進(jìn)行分析，可以為后續(xù)研制渦輪增壓器性能檢測(cè)與故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)提供有效依據(jù)。該文基于LabVIEW與MATLAB聯(lián)合開(kāi)發(fā)，有效實(shí)現(xiàn)了相關(guān)性能檢測(cè)與故障預(yù)測(cè)需求，具有拓展性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、抗干擾性強(qiáng)、性能良好等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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