内燃机实时无损故障诊断.pdf
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1、内燃机实时无损故障诊断 李登元 高海峰 谢桂海 (军械工程学院,河北石家庄 050003) 摘 要 主要叙述在内燃机不停机的情况下,通过选择恰当的传感器,改进传感器的安装方法 和合理选择测点来提取机器特征信号。 还对提取出的某信号进行具体计算分析,并提出相应的故障 诊断判据。 主题词 内燃机 故障诊断 传感器 信息处理 NONDESTRUCTIVE REAL-TI M E FAULTD IAGNOSISOF INTERNAL COM BUSTI ON ENGINES L iDengyuan Gao Haifeng Xie Guihai (O rdnance Engineering Colleg
2、e, Shijiazhuang) Abstract The character signals of an internal combustion engine in operation were extracted by choosing appropriate sensor, i mproving the mounting method for the sensor and selecting test point reasonably. A specific signal extracted was calculated and analysed and a corresponding
3、criterion for fault diagnosiswas set up. Keywords Internal combustion engine Fault diagnosis Sensor Signal processing 内燃机是目前我国使用较为广泛的动力机,是 任何一个完整机械系统必不可少的部分,内燃机工 作状态的正常与否直接关系到整个系统工作的安全 性和可靠性。 为了保证系统能稳定而可靠地工作,对 其进行实时无损故障诊断和先期预测就非常必要。 1 测试原理 在不影响内燃机正常工作的情况下对其进行实 时检测,其基本原理就在于通过选择内燃机的合适 部位,提取其特征信号,并加以分析
4、,从而对内燃机 工作状态作出相应判断,并采取有效的处理措施。 由于系统的特性,所提取的特征谱必需是反应 整机各部件配合工作下的运行状态,发动机运行过 程中,许多部件都是运动的,它们的状态无法直接测 量,只能间接测量。又由于要求对系统脱机检测,不 允许在机器上打孔、 钻眼来加装测试器件,而状态信 号提取的正确与否会直接影响分析的结果,因此,恰 当地选择测试部位,合理地配置测试器件就显得十 分关键。 测试部位选取的总原则是: (1)保证提取信号的真实性和完整性 若测量 某振动源的信号,测点应选择在尽量靠近振源、 信号 传递路径最短、 传递界面最少的位置。 (2)保证传感器的安装、 调试不影响机器的
5、正 常运行 测试点应在机器的外表,为不影响测试精 度和机器的正常工作,测试部件的质量与传感器的 质量之比至少应在两个数量级以上1。 (3)保证机器的安全性 在重要和故障多发的 部位应多设检测点。 内燃机是一种时序性很强的机械,正常工作时, 各部件间的运作有着严格的时间顺序。在机器运行 的一个周期中,某一点的振动信号是由多个振源按 一定的时序叠加生成。 对信号进行处理时,首先必须 分清时间序列数据中,各振动源产生哪些不同数据, 这样的数据处理才有意义。 否则,含混处理就无法辨 别故障部位,所做的工作将毫无意义。例如,由缸盖 提取的振动信号中,既有进气门开启关闭引起的,也 有排气门开启关闭引起的,
6、还有其它部件碰撞传来 的,要分析排气关闭时的振动情况,就要按发动机工 作中的时间顺序,从该时间序列中把排气门关闭期 间的振动信号提取出来加以分析,而其它信号则应 滤出,不予考虑。 2 信号采集 601 第22卷第3期 2 0 0 0年3月 无损检测 NDT Vol . 22 No. 3 M arch 2000 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 信号采集部分的结构框图如图1所示。 图1 信号采集系统框图 在信号提取过程中,传感器的选择和安装是十
7、 分重要的一环。如果不能正确且实时地提取出原始 数据,则以后的一切处理都是徒劳无益的。 本系统中 提取的是发动机工作中的活塞运动位置基准信号、 发动机机体振动信号及油泵供油压力信号。因此选 用了光电位置传感器、 振动加速度传感器和夹持式 压力传感器来采集信号。 光电位置传感器选用E10662型反射式光电位 置传感器,来检测发动机工作中的活塞运动位置基 准信号,其输出为电压脉冲信号。 为了得到正的脉冲 信号,且使该信号的电压值与A?D板要求的输入电 压相匹配,需对传感器输出降压。 夹持式压力传感器是根据被测发动机油管直径 来选取的,用于检测发动机机体振动信号及油泵供 油压力信号。本测试系统采用K
8、G7H型传感器,质 量较好,这种传感器安装方便、 用法简单,可以定性 地测量油管内油压的变化,判断油泵工作状况,为整 机故障诊断提供参考。 从前人研究的各类文献中2可知,一般内燃机 的振动频率都在30kHz之内,振动加速度在10 000 m?s之内。因此,本系统选用了YD2523型压电加速 度传感器,并根据检测要求,对不同部位选择不同灵 敏度的传感器。 安装加速度传感器的传统方法是用螺栓连接或 粘接固定。但用螺栓连接必须在发动机上打孔才能 安装螺栓,而完好的发动机是不允许随意打孔的,因 为打孔对机器的正常运作毕竟是有影响的,所测的 数据也就不够准确。 此外,我们的测试系统要测量多 个部位,需频
9、繁变换传感器的位置,粘接法显然不现 实。另外一种办法就是用磁吸合,经反复实验证明, 传统的磁吸合方法会使传感器的测试频率降低,这 主要是由于传统的磁座磁力不够大,吸合不牢,当振 动频率和振动加速度足够大时,传感器与物体会有 瞬时脱离,从而无法测得此时的振动加速度。 根据这 一情况,我们在材料选择和安装设计上作了相应的 改进。通过比较,我们选用高磁性铝铁硼磁铁,并重 新设计了安装座,改进了磁路,其结构如图2所示。 信号从传感器中提取出来后,需经电荷放大器 进行加强。电荷放大器是一种输出电压与输入电量 成正比的前置放大器,实际上是一个具有电容反馈 图2 磁座结构剖面图 的输入阻抗极高的高增益运算放
10、大器。传感器将采 来的信号通过电缆传到电荷放大器,由于电荷放大 器内部结构的特点,电缆长度的变化对传感器的灵 敏度影响不大,不会带来明显的测量误差,这是电荷 放大器的一个突出优点。但是,电缆长度的增加,会 使电缆噪声增大,降低测量信噪比。为解决这一问 题,不仅要用屏蔽电缆,还要使用价格较贵的低噪声 电缆。在测量中还需紧固电缆,以避免电缆的运动。 电荷放大器的噪声和其它放大器一样,主要来 自场效应管。 由于电荷放大器的输入阻抗很高,因此 对噪声的干扰极敏感,干扰主要来源是50Hz的交 流电耦合至输入端,及电缆引入的线路噪声。所以, 电荷放大器的输入端一定要很好地屏蔽。电荷放大 器的漂移也较敏感,
11、它主要来源于输入电路的失调 电压和电流。 要使漂移小,必需使运算放大器的开环 输入阻抗和电缆的绝缘电阻高,输入端按钮和插头 要保持清洁,以保持一定的绝缘电阻。 在数据采集中,我们使用了GK2MAD?DA数 据采集卡和GK2TM S320C302A数字信号处理板。 3 特征谱分析 实验中采样的数据较多,而且这些数据都是在 不同的机况下取得的,限于篇幅,不一一分析。下面 仅就某台4135型柴油机电站,在发动机转速为 1 500r?m in、 空载、 采样频率为50kHz时,对实测的 供油提前角数据进行处理与特征提取分析。 首先,我们来看一下供油提前角的计算。 根据以 往的资料及实验3,供油压力与活
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