某柴油機(jī)異常敲擊故障分析

目前大型柴油機(jī)故障診斷主要利用各種在線采集的熱工參數(shù)，由于柴油機(jī)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(shù)進(jìn)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(fā)現(xiàn)的故障類型多，在柴油機(jī)離線故障診斷中使用廣泛。柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時不可避免會產(chǎn)生較大的振動，這是由其結(jié)構(gòu)特點和工作性質(zhì)決定的。柴油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障產(chǎn)生的原因有時模糊不清；柴油機(jī)振動激勵源多，傳遞路徑復(fù)雜，柴油機(jī)各類故障所對應(yīng)的振動頻率較難確定。目前振動監(jiān)測主要用于對柴油機(jī)燃燒過程和部分運(yùn)動部件的監(jiān)測和故障診斷，如敲缸、失火及配氣機(jī)構(gòu)的故障等?，F(xiàn)有柴油機(jī)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(jiān)測機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、結(jié)構(gòu)振動特性的影響。因此，使用振動監(jiān)測技術(shù)診斷柴油機(jī)故障，需要根據(jù)不同的故障原因采集不同類型的參數(shù)。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(xiàn)象

某船主機(jī)是低速二沖程柴油機(jī)，主機(jī)轉(zhuǎn)速為101 r/min 時，2#氣缸附近存在明顯的、有規(guī)律的敲擊聲。對1#、2#、3#氣缸振動信號進(jìn)行了測量和分析。如果敲擊響應(yīng)的頻率較高，主要測量振動加速度信號，以突出高頻響應(yīng)，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(yīng)設(shè)定合適的濾波頻率和分析頻率。如果敲擊響應(yīng)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(yīng)的大致頻率特性，就要不斷改變?yōu)V波頻率和分析頻率多次測量，直到在時域波形中直接看到?jīng)_擊響應(yīng)。敲擊聲是否具有規(guī)律性對故障診斷也十分重要，對于規(guī)律性敲擊，要分析敲擊出現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)，相對分析（不同時間或者不同工況）和類比分析（不同設(shè)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(jī)進(jìn)行了振動測量。為了檢查敲擊響應(yīng)信號的重復(fù)性，采樣時間長度要足夠。本例中設(shè)定采樣時間長度為5 s，柴油機(jī)在5 s 內(nèi)平均發(fā)火8.5 次。為了分析加速度信號，采樣頻率要足夠高，設(shè)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(yīng)進(jìn)行分析時，時域信號比頻域信號更有優(yōu)勢，因此重點對振動加速度波形進(jìn)行分析。

2#缸為疑似故障缸，主機(jī)2#缸缸蓋橫向振動加速度波形如圖1 所示。主機(jī)1#缸缸蓋橫向振動加速度波形如圖2 所示，主機(jī)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(jié)構(gòu)中傳遞時會很快衰減，沖擊響應(yīng)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(yīng)。

圖1 主機(jī)2#缸缸蓋橫向振動加速度波形

圖2 主機(jī)1#缸缸蓋橫向振動加速度波形

圖3 主機(jī)3#缸缸蓋橫向振動加速度波形

主機(jī)2#缸缸蓋橫向振動加速度沖擊解調(diào)譜如圖4 所示，沖擊每秒出現(xiàn)1.7 次，與轉(zhuǎn)頻1.7 Hz 一致，對應(yīng)于該柴油機(jī)單缸發(fā)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(huán)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(xù)時間相對長，應(yīng)該是燃燒沖擊。最大沖擊持續(xù)時間相對短，且時間順序在后，應(yīng)該是排氣閥敲擊。

圖4 主機(jī)2#缸缸蓋橫向振動加速度沖擊解調(diào)譜

該柴油機(jī)是低速二沖程柴油機(jī)，帶有液壓驅(qū)動排氣閥，該排氣閥的液壓驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生故障的概率也較高。一旦液壓排氣閥出現(xiàn)故障，會造成氣閥不能及時啟閉，影響柴油機(jī)的工作特性，建議檢查2#缸排氣閥及其液壓驅(qū)動系統(tǒng)。檢查結(jié)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(jié)束語

1）柴油機(jī)中沖擊源較多，其中燃燒沖擊和氣閥敲擊在缸蓋處響應(yīng)較大。缸蓋剛度較大，因此沖擊響應(yīng)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(jìn)行詳細(xì)分析。

2）雖然柴油機(jī)缸蓋沖擊源主要是燃燒沖擊和氣閥敲擊，但是不同柴油機(jī)的敲擊響應(yīng)波形特點和出現(xiàn)的規(guī)律都不相同，特別是二沖程和四沖程柴油機(jī)明顯不同。要詳細(xì)了解被測設(shè)備的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和工作原理，才能更精準(zhǔn)分析故障原因。