某柴油機異常敲擊故障分析

目前大型柴油機故障診斷主要利用各種在線采集的熱工參數，由于柴油機故障類型多、故障原因多樣，有時也需要采用離線傳感器采集其他參數進行輔助判斷。便攜式振動采集器和傳感器尺寸小、重量輕、攜帶方便，可以發現的故障類型多，在柴油機離線故障診斷中使用廣泛。柴油機運轉時不可避免會產生較大的振動，這是由其結構特點和工作性質決定的。柴油機結構復雜，故障產生的原因有時模糊不清；柴油機振動激勵源多，傳遞路徑復雜，柴油機各類故障所對應的振動頻率較難確定。目前振動監測主要用于對柴油機燃燒過程和部分運動部件的監測和故障診斷，如敲缸、失火及配氣機構的故障等。現有柴油機故障的振動診斷主要是利用振動信號的時域和頻域信息來監測機器的運轉狀況，實際上是一種模式識別的分類過程，但這些信息也同時受柴油機轉速、負荷、結構振動特性的影響。因此，使用振動監測技術診斷柴油機故障，需要根據不同的故障原因采集不同類型的參數。例如對于異常聲響故障診斷，高頻振動加速度的波形和頻譜有更好的效果。

1 故障現象

某船主機是低速二沖程柴油機，主機轉速為101 r/min 時，2#氣缸附近存在明顯的、有規律的敲擊聲。對1#、2#、3#氣缸振動信號進行了測量和分析。如果敲擊響應的頻率較高，主要測量振動加速度信號，以突出高頻響應，力求能在時域信號中直接看出間斷性的沖擊信號。但是有時這種間斷性的沖擊可能會被其它信號掩蓋，所以應設定合適的濾波頻率和分析頻率。如果敲擊響應的頻率在中低頻，則主要測量振動速度信號。如果不了解敲擊響應的大致頻率特性，就要不斷改變濾波頻率和分析頻率多次測量，直到在時域波形中直接看到沖擊響應。敲擊聲是否具有規律性對故障診斷也十分重要，對于規律性敲擊，要分析敲擊出現的頻率，這個頻率可用于故障判斷和定位。敲擊聲頻率較高，高頻信號在結構中衰減快，因此測量范圍控制在敲擊聲比較大的點附近即可（對中低頻振動問題不適用）。由于這種高頻振動沒有評價標準，相對分析（不同時間或者不同工況）和類比分析（不同設備或者不同測點）是重要的分析手段。

2 振動信號測量和分析

使用VIBEXPERTⅡ振動分析儀對該柴油機進行了振動測量。為了檢查敲擊響應信號的重復性，采樣時間長度要足夠。本例中設定采樣時間長度為5 s，柴油機在5 s 內平均發火8.5 次。為了分析加速度信號，采樣頻率要足夠高，設定采樣頻率為32 768 Hz。頻率下限選10 Hz，盡量減少低頻干擾。敲擊聲具有間斷性，對敲擊響應進行分析時，時域信號比頻域信號更有優勢，因此重點對振動加速度波形進行分析。

2#缸為疑似故障缸，主機2#缸缸蓋橫向振動加速度波形如圖1 所示。主機1#缸缸蓋橫向振動加速度波形如圖2 所示，主機3#缸缸蓋橫向振動加速度波形如圖3 所示。由圖1 知，2#缸缸蓋存在明顯異常的沖擊信號，由于高頻沖擊信號在結構中傳遞時會很快衰減，沖擊響應最大的點離振源更近。1#缸缸蓋和3#缸缸蓋的沖擊明顯比2#缸缸蓋小。因此問題肯定出在2#缸，與聽到的異常敲擊聲位置對應。

圖1 主機2#缸缸蓋橫向振動加速度波形

圖2 主機1#缸缸蓋橫向振動加速度波形

圖3 主機3#缸缸蓋橫向振動加速度波形

主機2#缸缸蓋橫向振動加速度沖擊解調譜如圖4 所示，沖擊每秒出現1.7 次，與轉頻1.7 Hz 一致，對應于該柴油機單缸發火頻率。缸蓋振動信號存在多個沖擊源，如燃燒沖擊、氣閥沖擊。這種敲擊聲一般是燃燒沖擊或者氣閥敲擊造成的。由圖1知，每個工作循環存在2個明顯大的沖擊信號，最大的在后，次大的在前。較小的沖擊幅值雖小，但是持續時間相對長，應該是燃燒沖擊。最大沖擊持續時間相對短，且時間順序在后，應該是排氣閥敲擊。

圖4 主機2#缸缸蓋橫向振動加速度沖擊解調譜

該柴油機是低速二沖程柴油機，帶有液壓驅動排氣閥，該排氣閥的液壓驅動系統發生故障的概率也較高。一旦液壓排氣閥出現故障，會造成氣閥不能及時啟閉，影響柴油機的工作特性，建議檢查2#缸排氣閥及其液壓驅動系統。檢查結果表明2#缸排氣閥控制油路存在問題，修理后敲擊聲消失。

3 結束語

1）柴油機中沖擊源較多，其中燃燒沖擊和氣閥敲擊在缸蓋處響應較大。缸蓋剛度較大，因此沖擊響應中高頻振動加速度較大，且頻率分布較廣。因此分析缸蓋處的振動時，必須采集高頻加速度時域波形并進行詳細分析。

2）雖然柴油機缸蓋沖擊源主要是燃燒沖擊和氣閥敲擊，但是不同柴油機的敲擊響應波形特點和出現的規律都不相同，特別是二沖程和四沖程柴油機明顯不同。要詳細了解被測設備的詳細結構和工作原理，才能更精準分析故障原因。