基于質(zhì)心廣義力監(jiān)測的發(fā)動機(jī)故障診斷新方法

徐傳燕，富文軍，曹鳳萍

(山東交通學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東濟(jì)南　250023)

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基于質(zhì)心廣義力監(jiān)測的發(fā)動機(jī)故障診斷新方法

徐傳燕，富文軍，曹鳳萍

(山東交通學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東濟(jì)南250023)

摘要：發(fā)動機(jī)的故障診斷大多只針對某一特定類型的故障，分析對象的特征與故障的映射關(guān)系不明確，且提取的特征通用性不好，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)故障診斷發(fā)展緩慢，至今尚沒有一套成熟的診斷系統(tǒng)可應(yīng)用于實際。分析了基于振動的發(fā)動機(jī)故障診斷的國內(nèi)外研究動向，提出將質(zhì)心廣義力作為汽車發(fā)動機(jī)故障診斷的分析對象，明確發(fā)動機(jī)故障診斷分析對象的特征與故障的映射關(guān)系，對于開辟發(fā)動機(jī)故障診斷方法的新途徑具有重要意義。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)工程；發(fā)動機(jī)；故障診斷；廣義力；映射關(guān)系；振動

《機(jī)械工程學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略報告(2011—2020)》將重大產(chǎn)品和重大設(shè)施運(yùn)行的可靠性、安全性和可維護(hù)性關(guān)鍵技術(shù)列為重要的研究方向[1]，而發(fā)動機(jī)作為工程機(jī)械的心臟，其性能的好壞直接關(guān)系到工程機(jī)械整個系統(tǒng)運(yùn)行的動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性。隨著發(fā)動機(jī)自動化程度的不斷提高、工作性能的不斷完善，其結(jié)構(gòu)也變得越來越復(fù)雜，工作條件也十分惡劣，發(fā)生故障的可能性大大增加，診斷難度也越來越高。為確保發(fā)動機(jī)安全運(yùn)行，提高其可靠性和安全運(yùn)轉(zhuǎn)率，必須不斷提高對發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測與診斷能力，在故障發(fā)生的早期就把它排除，防止其繼續(xù)發(fā)展造成更大的損失。因此，如何在不拆檢的情況下，迅速準(zhǔn)確地判斷出故障的類型和位置，是目前發(fā)動機(jī)故障診斷研究的重點和難點。

實現(xiàn)發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測與診斷的前提是選取合理的監(jiān)測和分析對象，以便在發(fā)動機(jī)運(yùn)行動態(tài)信號中準(zhǔn)確提取出故障征兆，因此監(jiān)測對象必須對故障具有較高的敏感性、穩(wěn)定性、唯一性和便易性：當(dāng)故障產(chǎn)生時，監(jiān)測對象的特征能夠隨之發(fā)生改變；環(huán)境和工況的改變不會影響其特征的變化；對應(yīng)不同的故障，監(jiān)測對象具有不同的特征；監(jiān)測對象還應(yīng)便于獲取，能夠在發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下直接測試。對于發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)測來說，監(jiān)測對象的測試和特征變化還應(yīng)具有實時性的特點。發(fā)動機(jī)絕大部分故障的直接表現(xiàn)是在發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力的變化方面。發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力對故障的敏感度高，受外部環(huán)境與測試條件的影響較小，因此將發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力作為狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的監(jiān)測對象，對于完善發(fā)動機(jī)故障診斷方法具有重要的理論指導(dǎo)意義和實用價值。

1基于振動的發(fā)動機(jī)故障診斷研究現(xiàn)狀

雖然眾多學(xué)者對發(fā)動機(jī)機(jī)械方面的故障診斷進(jìn)行了研究，其發(fā)展依然較緩慢，至今仍沒有一套通用的診斷系統(tǒng)可應(yīng)用于實際。目前，這方面的故障診斷技術(shù)手段以性能參數(shù)分析技術(shù)、油液分析技術(shù)、噪聲分析技術(shù)以及振動診斷技術(shù)為主[2-5]，其中以振動診斷技術(shù)的研究為熱點。性能參數(shù)分析技術(shù)只能對有限的功能狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，在故障早期預(yù)警與故障精確診斷方面存在缺陷；油液分析技術(shù)對傳感器等硬件的依賴度較高，分析結(jié)果有一定的滯后性，精確判斷故障部位的能力不足；噪聲分析技術(shù)作為一種非接觸式診斷技術(shù)，對機(jī)械設(shè)備特定部位的特定故障模式能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測和準(zhǔn)確診斷，但適用范圍有限，均無法應(yīng)用于發(fā)動機(jī)的實時在線監(jiān)測。

振動分析法[6-10]通過測取發(fā)動機(jī)工作過程中缸蓋或缸體的振動信號，并對其進(jìn)行分析處理提取故障特征，得出振動信號特征參數(shù)，根據(jù)特征參數(shù)變化規(guī)律判斷發(fā)動機(jī)的故障。

1996年，英國曼徹斯特大學(xué)GU等[11]在實驗的基礎(chǔ)上，得出柴油機(jī)噴油器的振動主要由針閥開啟、落座時的撞擊和高壓燃油流動引起，他們通過在噴油器頂部或座上吸附振動傳感器，采集振動信號，利用時頻分析、包絡(luò)分析，對上述參數(shù)進(jìn)行估計，實現(xiàn)了燃油系統(tǒng)的故障診斷。SAMIMY等[12]利用時頻分析方法研究了內(nèi)燃機(jī)爆燃敲缸故障的診斷，采用 Choi-Williams 分布以減少交叉干擾項，使得不同工況下的時頻分布區(qū)別更加明顯，故障特征顯著。1999年，劉世元等[13]利用發(fā)動機(jī)缸蓋和噴油器、氣門搖臂座、螺栓等部件的振動信號，著重分析了缸蓋振動信號的時間特性和循環(huán)波動性，并提出了消除波動性的一些措施。2002年至2003年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員應(yīng)用發(fā)動機(jī)振動信號對發(fā)動機(jī)故障診斷進(jìn)行了較為深入的研究[14-16]，他們對發(fā)動機(jī)常見異響故障(活塞敲缸響、活塞銷響、氣門響、氣門挺桿響、曲軸軸承響及連桿軸承響等)的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，主要采用時域法和頻域法對發(fā)動機(jī)表面振動信號進(jìn)行分析，并給出了發(fā)動機(jī)常見故障信號的特征提取和識別方法。2006年，文獻(xiàn)[17]采用倒頻譜法基于缸蓋表面振動加速度信號對缸內(nèi)壓力進(jìn)行了重構(gòu)，即根據(jù)已知的振動加速度信號和缸內(nèi)壓力信號獲得系統(tǒng)的傳遞函數(shù),基于傳遞函數(shù)實現(xiàn)缸內(nèi)壓力的重構(gòu)。趙紀(jì)元等采用實驗的方法，從缸蓋系統(tǒng)所受的激勵和響應(yīng)兩方面進(jìn)行分析，指出缸蓋系統(tǒng)最主要的激勵力是氣門落座沖擊和氣體壓力，利用缸蓋響應(yīng)高頻部分能量的變化來檢查排氣門漏氣故障，取得了較為滿意的結(jié)果。2009年，MERKISZ等[18]指出，在活塞運(yùn)動方向上的燃燒時段,機(jī)體的振動加速度信號對燃燒激勵最為敏感,發(fā)生失火故障時,燃燒時段振動加速度信號幅值明顯減小,利用活塞運(yùn)動方向上的機(jī)體振動加速度信號的幅值變化可實現(xiàn)失火故障檢測。2012年，BARELLI等[19]直接測試缸蓋表面的振動加速度信號，利用離散小波變換和巴什瓦定理分析加速度信號的能量分布診斷缸內(nèi)燃燒故障。2013年，杜燦誼等[20-21]基于缸蓋振動加速度信號的振幅波動，監(jiān)測發(fā)動機(jī)失火故障，以缸蓋振動時域信號沖擊，監(jiān)測配氣機(jī)構(gòu)氣門間隙過大和凸輪軸承松脫等故障。2014年，SHARMA等[22]提取缸體振動加速度信號，計算信號的樣本標(biāo)準(zhǔn)差、樣本方差、峭度等統(tǒng)計特性，通過多種決策樹算法篩選信號特征，區(qū)分發(fā)動機(jī)正常與失火故障。

隨著信號處理技術(shù)的發(fā)展，在發(fā)動機(jī)故障特征提取方面有了很多新方法，如短時傅里葉變換、小波分析、Gabor展開、HHT變換、支持向量機(jī)等，其中應(yīng)用非常廣泛的是小波分析，它是一種有效的非穩(wěn)態(tài)信號分析處理方法[23-24]。夏勇等[25-26]通過對發(fā)動機(jī)缸蓋振動信號的小波包分解得到時頻圖，運(yùn)用圖像處理技術(shù)對發(fā)動機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，另外，小波分析在狀態(tài)預(yù)測、信噪分離、動態(tài)測試過程診斷中也有成功的應(yīng)用。

基于振動分析的發(fā)動機(jī)故障診斷方法，由于分析測試設(shè)備完備、診斷結(jié)果較可靠、便于實時診斷等諸多優(yōu)點，受到廣大學(xué)者的關(guān)注，但是作為基于響應(yīng)信號的故障診斷方法，受發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)、環(huán)境、溫度等外部條件的影響和傳感器的安裝位置的影響較大，只對特定的發(fā)動機(jī)、少數(shù)的部件和故障類型比較有效，缺乏普適性[27]。2013年，王國彪等[28]指出雖然單故障診斷通常容易實現(xiàn)，但在推廣使用時，其精度不高、泛化能力不強(qiáng)和通用性較差，制約了其在工程中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[26]提出，可以利用氣缸壓力信號進(jìn)行氣門間隙監(jiān)測與故障診斷，氣缸壓力信號二進(jìn)小波分解的尺度信號中包含有大量的氣門間隙狀態(tài)信息，但是直接對氣缸壓力進(jìn)行監(jiān)測在傳感器的安裝方面有一定的困難，而且對于與燃燒無關(guān)的一些機(jī)械故障，從氣缸內(nèi)壓力信號中無法判定故障的類型與位置。

現(xiàn)有的各種發(fā)動機(jī)故障診斷方法都有一定的局限性，而發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力中包含大量的發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息，既包含了機(jī)械磨損等方面的信息，也包含了各缸的燃燒狀況信息，發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力的變化與發(fā)動機(jī)故障之間存在一定聯(lián)系，因此，發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力包含的故障信息，對于提高故障診斷的可靠性具有重要意義。

2發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力的研究現(xiàn)狀

發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力主要通過將發(fā)動機(jī)簡化為六自由度剛體動力學(xué)模型計算得到[29]，在計算中考慮的主要因素是氣缸內(nèi)氣體爆炸力、旋轉(zhuǎn)慣性力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的激勵。2006年，聶君臣等[30]理論分析了摩托車汽油機(jī)不平衡力隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化，并分析了各不平衡力幅值在頻域內(nèi)隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢。王輝[31]和李雙虎等[32]分別對直列四缸發(fā)動機(jī)的主要激振源進(jìn)行了計算仿真分析。2008年，KIM等[33]建立CAE模型分析計算發(fā)動機(jī)的質(zhì)心廣義力。以上方法均需將氣體爆炸力作為已知參數(shù)分析傾覆力矩，實際中這一參數(shù)難以精確獲得。此外，理論計算公式通常未考慮實際發(fā)動機(jī)與附件的耦合，進(jìn)行模型分析時必然會造成計算結(jié)果與工程實際存在一定偏差，且在有些情況下偏差會很大。

工程應(yīng)用中通常采用測試頻響函數(shù)矩陣，利用矩陣求逆法獲取發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力，測試不同結(jié)構(gòu)位置的頻響函數(shù)構(gòu)成頻響函數(shù)矩陣[34]。2007年，OTSUKA等[35]采用頻響函數(shù)矩陣求逆法識別單缸船外發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力。定義一組發(fā)動機(jī)運(yùn)動產(chǎn)生的等效力，采用頻響函數(shù)求逆法識別出等效力再通過線性結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換到質(zhì)心處，但頻響函數(shù)測量的準(zhǔn)確性缺乏驗證，由于噪聲影響等原因可能存在較大誤差。由于矩陣求逆會引起病態(tài)問題[36]，導(dǎo)致病態(tài)誤差， SAS等[37]指出通過求逆得出的發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力結(jié)果對頻響函數(shù)矩陣的條件數(shù)很敏感。2007年，YUAN等[38]利用奇異值分解解決發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力間接估計時的病態(tài)問題。TAO等[39]測試所有懸置點的振動速度獲取發(fā)動機(jī)質(zhì)心處的廣義力，由于缺乏準(zhǔn)確的相位信息而利用相位差來代替，使得問題的求解變?yōu)閺?fù)雜的非線性超定方程，文獻(xiàn)中只對仿真信號進(jìn)行了精度分析，并沒有考慮噪聲影響，也沒有實驗驗證。2006年，宋志順[40]測試各缸體上振動加速度提取質(zhì)心處廣義力，但將相位全部假設(shè)為零，導(dǎo)致識別結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。2009年，楊志堅等[41-42]測試各懸置點的振動加速度信號提取發(fā)動機(jī)的質(zhì)心處廣義力，并引入離散頻譜校正技術(shù)準(zhǔn)確提取加速度的幅值相位信息，直接識別出發(fā)動機(jī)激勵力，但試驗驗證過程中缺乏準(zhǔn)確參數(shù)導(dǎo)致驗證結(jié)果不準(zhǔn)確。2010年，HAFIDI等[43]提出通過測試懸置兩側(cè)(減震前、后)的振動加速度經(jīng)兩次積分獲取相應(yīng)位移差，利用求逆法間接計算發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力。2013年，李淑靜等[44]在直列六缸柴油機(jī)上布置振動加速度傳感器獲取柴油機(jī)整機(jī)振動質(zhì)心廣義力，并分析了測試參數(shù)誤差對廣義力識別結(jié)果的影響。利用統(tǒng)計直方圖法處理試驗數(shù)據(jù)，但振動信號幅值和相位的提取不夠精確，統(tǒng)計直方圖測試樣本不夠豐富。2015年，XU等[45]將發(fā)動機(jī)簡化為多剛體動力學(xué)模型對發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力識別方法進(jìn)行了仿真驗證，由于模型簡化了誤差，除垂向載荷與計算結(jié)果接近，其他方向的激勵誤差較大，且質(zhì)心廣義力識別的實驗驗證結(jié)果缺乏可靠性。綜上可見，以試驗法獲取發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力，不可避免的需要進(jìn)行廣義矩陣求逆，從本質(zhì)上來說，病態(tài)矩陣的形成一方面來自于測量誤差，另一方面來自于用離散頻譜分析方法提取振動響應(yīng)的幅值和相位時的分析誤差。因此，從源頭上改善矩陣求逆條件的方法，即減小測量和分析誤差將是研究的重點。

為進(jìn)一步提高識別精度，研究連接附件及彈性體模態(tài)對發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力識別方法的影響，對現(xiàn)有的發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力識別方法進(jìn)行識別精度的精密試驗驗證，為識別精度提供有力證據(jù)是重要的研究方向。

3發(fā)動機(jī)故障與質(zhì)心廣義力的變化

3.1故障發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力變化

發(fā)動機(jī)絕大部分故障的直接表現(xiàn)是在發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力的變化方面。以直列四缸四沖程發(fā)動機(jī)為例分析部分發(fā)動機(jī)故障與質(zhì)心廣義力的變化關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)[46]的分析,各氣缸的干擾力矩與第1缸同諧次的干擾力矩的相位等于簡諧次數(shù)乘以該氣缸與第1氣缸間的發(fā)火間隔角, 因此,知道了發(fā)火順序,即可畫出該發(fā)動機(jī)各氣缸v次干擾力矩的相位圖, 對于發(fā)火順序為1—4—2—3的四缸四沖程發(fā)動機(jī)各次干擾力矩相位圖如圖1所示。

圖1　四缸發(fā)動機(jī)的干擾力矩相位圖Fig.1　Four-cylinder engine interfering moment phase image

以曲軸方向為縱向，活塞運(yùn)動方向為垂向，在正常穩(wěn)定工作狀況下，由圖1四缸發(fā)動機(jī)的干擾力矩相位圖可見，由于各缸之間的慣性力相互抵消，發(fā)動機(jī)質(zhì)心處受到的橫向質(zhì)心廣義力應(yīng)基本為0，垂向質(zhì)心廣義力主要為2階，1階質(zhì)心廣義力基本為0，但當(dāng)發(fā)動機(jī)活塞或連桿不均勻磨損時，橫向和垂向質(zhì)心廣義力均會出現(xiàn)明顯的1階激勵力。如果氣門間隙過大，垂向質(zhì)心廣義力會出現(xiàn)明顯的1.5階次，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較高時，其幅值甚至超過2階次。

3.2發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力故障診斷方法分析

由發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力進(jìn)行故障診斷的關(guān)鍵是建立故障特征庫。從兩方面進(jìn)行特征提?。阂环矫?，從理論推導(dǎo)發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障時質(zhì)心廣義力相對正常時的特征，并通過發(fā)動機(jī)仿真模型驗證理論推導(dǎo)結(jié)果；另一方面，通過故障模擬試驗識別出故障發(fā)動機(jī)的實際質(zhì)心廣義力，并與正常發(fā)動機(jī)的實際質(zhì)心廣義力作對比，提取出故障。從實測的質(zhì)心廣義力中提取出故障特征后，初步得到診斷結(jié)果，再通過理論分析驗證診斷結(jié)果，最后通過拆檢進(jìn)行驗證，驗證成功后將故障特征存入特征庫中，如果診斷失敗則由拆檢結(jié)果重新進(jìn)行特征分析，得到故障特征后存入特征庫，以便下次能成功診斷出同樣的故障。發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力故障診斷方法流程圖如圖2所示。

4結(jié)語

總結(jié)了基于振動的發(fā)動機(jī)故障診斷方法的研究現(xiàn)狀，并分析了其局限性，鑒于發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力對故障的敏感度高，受外部環(huán)境與測試條件的影響較小等特點，提出將發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力作為發(fā)動機(jī)故障診斷的分析對象，建立分析對象特征與故障之間的明確映射關(guān)系，為發(fā)動機(jī)故障診斷開辟新途徑。

為實現(xiàn)基于質(zhì)心廣義力的發(fā)動機(jī)故障診斷，還需重點進(jìn)行如下兩方面的研究。

1)對發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力的識別精度進(jìn)行實驗驗證。消除連接附件及彈性體模態(tài)對發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力識別方法的影響，對發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力識別方法進(jìn)行精密的實驗驗證，是保障故障診斷可靠性的基礎(chǔ)。

2)對發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障時質(zhì)心廣義力的特征進(jìn)行理論推導(dǎo)，建立故障特征庫。

圖2　發(fā)動機(jī)質(zhì)心廣義力故障診斷方法Fig.2　Method of engine fault diagnosis by generalized force at C.G.

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A new method for engine fault diagnosis based on generalized force at the center of gravity of engines

XU Chuanyan, FU Wenjun， CAO Fengping

(School of Automotive Engineering, Shandong Jiaotong University, Jinan, Shandong 250023, China)

Abstract:At present, most of the engine fault diagnosis is specific to a particular type of failure, and the mapping relationship between the analysis object features and the faults is not clear, so that the extracted features have poor universality, resulting in slow development of engine fault diagnosis, and there is no a mature diagnosis system can be used in practical application. Vibration based engine fault diagnosis research trends are analyzed both at home and abroad. The generalized force at C.G.(the center of gravity of engine) is proposed to be the analysis object for engine fault diagnosis, and clear mapping relationship between the analysis object features and the faults is achieved. It is significant for developing new engine fault diagnosis methods.

Keywords:internal combustion engine engineering； engine; fault diagnosis; generalized force; mapping relationship; vibration

中圖分類號：U464.1; TN911.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：徐傳燕(1981—)，女，山東濟(jì)南人，副教授，博士，主要從事機(jī)械設(shè)備故障診斷、工程信號處理方面的研究。

基金項目：國家自然科學(xué)基金 (51405272); 交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(2013319817190)；長安大學(xué)重點實驗室開放基金(310822151117)

收稿日期：2015-07-25；修回日期：2016-01-16；責(zé)任編輯：陳書欣

doi:10.7535/hbkd.2016yx02005

文章編號：1008-1542(2016)02-0139-07

E-mail:xcy@sdjtu.edu.cn

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