柴油機(jī)氣門故障的四階累積量切片譜特征提取

沈 虹，肖云魁，趙紅東，李良洪，楊青樂

(1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津300161;2.河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津300401;3.軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部，天津300161)

柴油機(jī)正常工作過程中，會(huì)因配氣機(jī)構(gòu)零件 的磨損而影響正常的氣門間隙。氣門間隙過大或過小，不僅會(huì)產(chǎn)生不正常的工作噪聲，而且還會(huì)導(dǎo)致氣門開啟高度過小、引起充氣不足和排氣不暢，從而導(dǎo)致柴油機(jī)功率下降、運(yùn)轉(zhuǎn)不良，影響柴油機(jī)的工況和壽命。氣門故障特征微弱，容易被發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜的其他分量和強(qiáng)噪聲淹沒，難以提取。如何準(zhǔn)確提取柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)中的特征信息，是基于振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行故障診斷的關(guān)鍵。

高階累積量技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的新技術(shù)，作為處理非高斯、非線性信號(hào)以及盲信號(hào)的重要工具而日益受到重視［1-3］。目前，高階譜已逐步在海洋波和地震波分析、經(jīng)濟(jì)時(shí)間序列分析、工業(yè)檢測(cè)、醫(yī)學(xué)信號(hào)分析及無線電信號(hào)處理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外將高階譜應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障診斷領(lǐng)域的研究較少。肖云魁等［4］將雙譜應(yīng)用于柴油機(jī)曲軸軸承的磨損故障診斷，有效提取出了能夠反映曲軸軸承技術(shù)狀況的故障特征參數(shù);孫云嶺等［5］通過分析發(fā)動(dòng)機(jī)正常和故障時(shí)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)波形的雙譜圖，確定單缸斷油時(shí)的故障缸的位置，取得了較好的效果。高階譜具有較強(qiáng)的高斯噪聲抑制能力，理論上可以完全抑制高斯噪聲和非高斯有色噪聲，同時(shí)又能保持非線性系統(tǒng)的相位信息［6］，但高階譜計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算量較大，在線應(yīng)用時(shí)受限。

為了從穩(wěn)態(tài)振動(dòng)信號(hào)中有效提取出氣門微弱故障特征，本文采用高階累積量理論，分析氣門不同配合間隙下振動(dòng)信號(hào)的四階累積量切片譜，從四階累積量切片譜中提取能夠反映氣門磨損故障的特征，取得了較好效果。

1 四階累積量切片譜分析原理

1.1 四階累積量及其切片譜

零均值的高斯隨機(jī)過程的三階以上高階累積量恒等于零。因此，如果一個(gè)測(cè)量信號(hào)中含加性高斯噪聲，高階累積量理論上可以完全抑制高斯噪聲的影響［7］，提取出有用的信號(hào)。

根據(jù)高階累積量的定義［8］，對(duì)于離散零均值平穩(wěn)隨機(jī)過程x(n)，其四階累積量為

式中:cum［·］為累積量;τ1、τ2、τ3均為時(shí)延;E［·］為數(shù)學(xué)期望;Rx(τ)為{x(n)}的二階矩，Rx(τ)=E［x(n)x(n+ τ)］。

根據(jù)τ1、τ2和τ3取值的不同，x(n)的四階累積量的一維切片共有3 種:

(1)當(dāng)τ1=τ2=τ3=τ 時(shí)

(2)當(dāng)τ1=τ2=τ，τ3=0 或τ1=τ3=τ，τ2=0或τ2=τ3=τ，τ1=0 時(shí)

(3)當(dāng)τ1=τ，τ2=τ3=0 或τ2=τ，τ1=τ3=0或τ3=τ，τ1=τ2=0 時(shí)

對(duì)四階累積量的一維切片進(jìn)行傅里葉變換，得到四階累積量切片譜:

這些譜都是三譜在不同方向的一維投影。相比于高階譜的定義:

可以看出，高階譜是由高階累積量經(jīng)過多維傅氏變換得到的，計(jì)算量大且耗時(shí)長(zhǎng);四階累積量切片譜比三譜明顯簡(jiǎn)化了計(jì)算的復(fù)雜度，但保留了其抑制高斯噪聲的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 四階累積量切片譜分析方法

本文利用四階累積量切片譜提取氣門磨損故障特征，既能抑制高斯噪聲干擾，又能簡(jiǎn)化計(jì)算量，提高處理速度。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:

(1)對(duì)柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)信號(hào)，計(jì)算其四階累積量對(duì)角切片。

(2)對(duì)四階累積量的一維對(duì)角切片進(jìn)行離散傅里葉變換，得到四階累積量切片譜為

(3)計(jì)算四階累積量切片譜不同頻帶的累加能量和峰值，進(jìn)行特征提取。

2 柴油機(jī)氣門磨損故障的四階累積量切片譜特征提取

2.1 穩(wěn)態(tài)振動(dòng)信號(hào)采集

柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)頻率成分復(fù)雜，帶寬較寬，高頻成分較多，因此需要采集系統(tǒng)的采樣頻率較高;此外，柴油機(jī)振型復(fù)雜，隨機(jī)性較大，必須保證采樣信號(hào)具有重復(fù)性。為了解決上述問題，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)(如圖1 所示)，包括轉(zhuǎn)速傳感器、振動(dòng)加速度傳感器、轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊等部分。其工作原理:下位機(jī)加電后，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)模塊開始工作，監(jiān)測(cè)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)先設(shè)置的起始轉(zhuǎn)速時(shí)，開始根據(jù)預(yù)設(shè)的采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)采集柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)，并將振動(dòng)信號(hào)保存到上位機(jī)中。由于采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，只有當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速并保持穩(wěn)定狀態(tài)后，才開始采集信號(hào)，因此保證了信號(hào)具有較好的重復(fù)性。

圖1 柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

以實(shí)車WD615 型柴油機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象，它的進(jìn)氣門正常配合間隙為0.3 mm，設(shè)置第2 缸進(jìn)氣門為故障氣門，試驗(yàn)時(shí)盡量不改變其他條件，僅改變第2 缸進(jìn)氣門的配合間隙。本試驗(yàn)中進(jìn)氣門正常和故障的配合間隙參數(shù)見表1。

表1 氣門磨損故障參數(shù)設(shè)置 mm

為了比較不同的測(cè)點(diǎn)位置對(duì)信號(hào)特征提取的影響，試驗(yàn)中設(shè)置了多個(gè)測(cè)試點(diǎn)(如圖2 所示)。將加速度傳感器分別放置在第2 缸對(duì)應(yīng)的缸蓋頂部(位置A)、缸體上部右側(cè)(位置B)、左側(cè)(位置C)。圖3 為安裝于柴油機(jī)缸蓋和上部左側(cè)位置的振動(dòng)傳感器，圖4 為用于轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)安裝在皮帶輪外殼處的霍爾傳感器。

分別采集前述3 種技術(shù)狀況下轉(zhuǎn)速為800、1 000、1 300、1 500 r/min 的柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)信號(hào)，采樣頻率為20 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)為40 000。圖5 為轉(zhuǎn)速1 000 r/min 采集到的柴油機(jī)進(jìn)氣門不同間隙狀態(tài)下，位置B 處的振動(dòng)信號(hào)。

圖2 測(cè)點(diǎn)位置示意

圖3 柴油機(jī)缸蓋和上部左側(cè)位置振動(dòng)傳感器

圖4 用于轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)安裝在皮帶輪外殼處的霍爾傳感器

圖5 轉(zhuǎn)速1 000 r/min、B 處柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)信號(hào)

2.2 柴油機(jī)氣門磨損故障的四階累積量切片譜特征提取

為了分析不同轉(zhuǎn)速、不同測(cè)試位置對(duì)不同程度故障特征提取的影響，對(duì)4 種轉(zhuǎn)速、3 個(gè)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行四階累積量切片譜分析，并進(jìn)行對(duì)比，確定氣門故障特征提取的敏感測(cè)試位置、敏感轉(zhuǎn)速和有效特征參數(shù)。

2.2.1 四階累積量切片譜有效性檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)四階累積量切片譜的有效性，先對(duì)位置B 處轉(zhuǎn)速為1 000 r/min 的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行四階累積量切片譜分析。位置B 處配合間隙正常、間隙過大、嚴(yán)重漏氣的頻譜如圖6 所示?？梢钥闯觯鞣N工況的頻譜中，峰值比較雜亂，隨著故障程度增大，頻譜能量并沒有明顯增強(qiáng)，很難提取出故障特征。

圖6 振動(dòng)信號(hào)頻譜

對(duì)圖6 進(jìn)行四階累積量切片譜分析，結(jié)果如圖7 所示?？梢钥闯觯浜祥g隙正常、間隙過大的信號(hào)能量主要集中在小于6 kHz 的區(qū)域，氣門嚴(yán)重漏氣時(shí)，能量在整個(gè)坐標(biāo)軸上分布相對(duì)均勻，隨著配合間隙的增加，能量劇烈增加。配合間隙正常時(shí)，頻率4 kHz 處的振幅峰值為0.013 4 V2，能量為0.178 2 V2;配合間隙增加至0.6 mm 時(shí)，頻率4 kHz 的峰值達(dá)到0.066 8 V2，能量為0.599 9 V2;配合間隙增加至1 mm 時(shí)，頻率4 kHz 的峰值達(dá)到0.154 5 V2，能量增至2.965 5 V2。可見，變化特別明顯，能清楚分辨正常、間隙過大和嚴(yán)重漏氣故障技術(shù)狀態(tài)，說明四階累積量切片譜有效提取出了氣門故障特征，證明了四階累積量切片譜的有效性。

圖7 進(jìn)氣門3 種配合間隙下的四階累積量切片譜

2.2.2 不同轉(zhuǎn)速、不同測(cè)試位置的四階累積量切片譜分析

為了檢驗(yàn)不同轉(zhuǎn)速、不同測(cè)試位置對(duì)氣門故障特征提取的影響，采用角域四階累積量切片譜對(duì)4 種轉(zhuǎn)速、3 個(gè)測(cè)試點(diǎn)位置的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，并統(tǒng)計(jì)切片譜能量和峰值，結(jié)果見表2。

表2 進(jìn)氣門不同技術(shù)狀態(tài)下能量和峰值比較

續(xù)表

可以看出，800、1 000 r/min 時(shí)，不同測(cè)試位置的信號(hào)四階累積量切片譜能量和峰值增幅明顯，能正確識(shí)別氣門間隙狀態(tài)，可以以此作為提取氣門磨損故障特征的參數(shù);同時(shí)可以看出，不同轉(zhuǎn)速對(duì)特征提取影響較大，隨著轉(zhuǎn)速的升高，1 300 r/min時(shí)缸體上部左側(cè)位置的峰值、1 500 r/min 時(shí)缸體上部左右兩側(cè)的峰值、缸體上部左側(cè)的能量值對(duì)氣門磨損故障不敏感，不能作為提取氣門磨損故障的特征參數(shù)。其中，位置A 在4 種轉(zhuǎn)速內(nèi)的能量和峰值對(duì)故障都敏感，這是由于位置A 距離激勵(lì)源最近，信號(hào)傳遞到位置A 的通道衰減最小。綜合上述分析可以確定，柴油機(jī)氣門磨損故障時(shí)的敏感測(cè)試位置為缸蓋頂部，其次為缸體上部右側(cè)和左側(cè)，敏感轉(zhuǎn)速為800 ～1 000 r/min，其次為1 000 ～1 300 r/min。

3 結(jié) 論

(1)四階累積量對(duì)角切片譜既能分析穩(wěn)態(tài)信號(hào)，又能有效抑制噪聲干擾，且計(jì)算量小。

(2)四階累積量切片譜的能量和峰值，能有效識(shí)別氣門配合間隙各種技術(shù)狀態(tài)，是提取氣門磨損故障特征的有效方法。

(3)氣門磨損故障診斷的最佳轉(zhuǎn)速區(qū)間為800 ～1 000 r/min，最佳位置為缸蓋頂部，其次為缸體上部右側(cè)和左側(cè)。

［1］ 程利軍.基于階比跟蹤的發(fā)動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)及故障診斷研究［D］.石家莊:軍械工程學(xué)院，2012:2-4.

［2］ 梅檢民，肖云魁，賈繼德，等.基于改進(jìn)階比的變速器微弱故障特征提?。跩］. 振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2012，25(3):317-321.

［3］ 趙曉平，張令彌，郭勤濤. 旋轉(zhuǎn)機(jī)械階比跟蹤技術(shù)研究進(jìn)展綜述［J］. 地震工程與工程振動(dòng)，2008，28(6):214-216.

［4］ 肖云魁，李會(huì)梁，王保民，等.柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸承振動(dòng)信號(hào)的雙譜分析［J］.振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2009，29(1):14-18.

［5］ 孫云嶺，樸甲哲，張永祥. 基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和雙譜的內(nèi)燃機(jī)故障診斷研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2004，22(3):241-244.

［6］ 張賢達(dá). 時(shí)間序列分析——高階統(tǒng)計(jì)量方法［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，1996:55-65.

［7］ 蔡奇志，黃宜堅(jiān).自回歸三譜切片研究［J］. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30(2):345-350.

［8］ 郭業(yè)才，趙俊渭，陳華偉，等.非平穩(wěn)隨機(jī)過程四階累積量的遞推估計(jì)與應(yīng)用［J］.聲學(xué)與電子工程，2002(4):13-18.