船用柴油機非穩態振動信號分析系統

戴魏魏，蔣倩，鮑海波，權國政

（1.江蘇省船舶動力系統零件先進制造工程技術研究中心，江蘇 南京 211121；2.南京中遠海運船舶設備配件有限公司，江蘇 南京 211121；3.重慶大學，重慶 400044）

船舶柴油機是多運動部件、多層次組合，在不確定邊界、不穩定運行工況的影響下，會產生非穩態振動信號。機體上任何一點的振動都是柴油機內部激勵的反映，然而由于振動信號的不確定性，即使是同一柴油機、相同工況、相同測量點時得到的振動信號也不完全相同。因此振動信號分析具有一定的困難。但是，柴油機的運行情況具有一定的周期性，把握住信號的規律性，有利于診斷柴油機故障狀態[1，2，3]。

本文將基于時域、頻域特征信號分析原理，利用分析軟件MATLAB 建立船用柴油機非穩態振動信號分析系統。系統對非穩態信號進行一系列特征分析，為后續故障診斷、運行狀態判斷提供基礎。

1 船用柴油機缸蓋振動信號特征提取

系統對柴油機缸蓋模擬振動信號進行特征分析，缸蓋振動信號受排氣閥撞擊、缸內燃爆影響，具有一定周期性（圖1）。一個周期內，缸蓋振動信號可依據運行特征，分成排氣閥開啟、排氣閥撞擊、缸內燃爆三個特征峰。系統特征分析包括時域特征值提取、頻域特征值提取、信息熵提取功能，具體如下。

圖1 柴油機缸蓋振動時域信號

（1）時域特征提取包括最大值、最小值、峰峰值、均值、方差、標準差、均方值等有綱量特征值，以及峰值因子、脈沖因子、裕度因子等無綱量特征值。時域信號清楚地描述出時間和頻率的相互變化關系。

（2）信號功率譜估計表示了信號功率隨著頻率的變化關系，系統采用WELCH 法、AR 譜估計（自相關法、Burg 法、協方差法）。

（3）頻率特征指標根據信號的功率譜求得，包括重心頻率、均方頻率、均方根頻率、頻率方差等。與時域特征值一起共同用于表示柴油機運行狀態。

（4）時頻域上信息熵特征指標，信息熵包括能量熵、功率譜熵和奇異譜熵。三個信息熵分別表示信號能量的復雜程度、信號不同狀態下在頻域上的變化、信號的信息量評估[4，5，6]。

2 船用柴油機非穩態振動信號分析系統

本文基于MATLAB 系統GUI 平臺構建振動信號分析系統。圖2 為構建的時域、頻域分析界面，此界面主要對一個周期的振動信號進行分析。圖中，1區為數據導入及保存板材；2 區為時域分析板塊；3區為頻域分析及信息熵板塊。

圖2 系統信號分析界面-時域、頻域

圖3 單峰信號分析界面-時域、頻域

通過檢索框輸入相應的振動信號信息，如曲柄轉速、采樣頻率等，導入采集信號，點擊運算，就可以得到該信號的一系列特征值；界面還提供數據保存功能，點擊相應保存按鈕即可實現功能。

通過圖2 右下角按鈕進入單峰分析界面。對圖2界面分析的一個周期信號進行分段，周期中不同峰值被特征識別為排開信號、閉氣信號、撞擊信號和燃爆信號。同樣單獨對每個信號波段進行時域、頻域分析，提取零部件工作狀態特征信息并推測系統狀態變化。圖中，1 區為時域圖及功率譜估計板塊；2 區為時域特征值及頻域特征值板塊；3 區為數據保存板塊。

3 船用柴油機缸蓋振動信號特征分析

柴油機缸蓋傳遞氣體壓力激勵至機體表面，同時氣閥撞擊、開啟都會通過閥座傳遞至缸蓋。所以，在氣閥有磨損時，會引起缸蓋振動特征的明顯變化。通過缸蓋振動檢測氣閥磨損狀態是可行的。

通過系統分別對5 種不同氣閥磨損故障狀態下的柴油機缸蓋振動信號進行特征值分析。狀態1 表示氣閥正常，狀態2、3 表示氣閥輕微磨損，但3 的磨損程度要大于2。狀態4、5 表示氣閥嚴重磨損，但5的磨損程度要大于4。表1 為分析這5 種狀態下，一個周期振動信號的特征指標。

表1 缸蓋振動信號統計特征參數表

分析不同氣閥磨損狀態下，缸蓋振動信號的變化規律可以得到，隨氣閥磨損增大，缸蓋振動信號時域特征值、重心頻率、均方頻率是先增大后減小。當磨損量達到一定值時，具有轉折點。振動信號的頻率標準差、奇異譜熵隨著氣閥磨損間隙增大先減小后增大，當磨損量達到一定值時，同樣出現極值點。圖4為峰峰值以及頻率標準差隨氣閥磨損量的變化趨勢，變化轉折點均在9mm 處。

圖4 特征值變化規律

通過以上分析可知，可以通過對信號進行特征提取，對柴油機的氣閥磨損情況進行有效的監控，以防止柴油機在氣閥嚴重的狀況下運轉。

4 總結

（1）借用MATLAB 語言編寫船用柴油機非穩態振動信號分析系統。系統實現功能包括：振動信號時域分析、頻域分析、信息熵計算、數據保存等。通過特征提取準確的表達系統運行狀態，為后續進一步系統故障診斷提供基礎。

（2）通過系統對不同氣閥磨損狀態下缸蓋振動信號分析，得出特征值符合一定的變化規律，在一定的磨損間隙內，峰峰值遞增后減小，頻率標準差值遞減后增大，均出現轉折點。