蔡鹏飞，顾 含，刘 昕，张松阳，王孝霖

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431)

基于扭振信号的柴油机单缸熄火故障诊断与监测

蔡鹏飞，顾 含，刘 昕，张松阳，王孝霖

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431)

利用曲轴扭振波形参数对柴油机熄火故障进行监测和故障定位分析，并开发故障监测系统。通过试验模拟柴油机熄火故障，利用曲轴扭角峰峰值、各谐次幅值和峭度值可准确地监测熄火故障。对扭角时域波形进行滤波处理后，与上止点参考信号和发火间隔角结合分析，可准确定位发生熄火故障的气缸，开发的故障监测系统可及时对熄火故障进行报警。

船舶工程；柴油机；熄火；扭振；滤波；监测；定位

柴油机广泛应用于船舶、汽车等领域中，受工作原理影响，其曲轴在工作过程中始终受不均匀扭矩的作用。[1]单缸熄火是柴油机运行过程中常见的故障，会导致扭矩的不均匀性加剧，甚至会引发曲轴裂纹、拉缸等重大事故。因此，对单缸熄火故障进行诊断和定位对保障柴油机安全工作意义重大。

大中型柴油机普遍安装有测量各缸排气温度的温度传感器，可用来监测各缸的燃烧情况，进而对熄火故障进行报警。[2]同时，利用瞬时转速信号诊断熄火故障也是一种常用的方法，通过瞬时转速信号的时域波形分析和频域分析，可判断出熄火故障和定位熄火气缸。[3-4]此外，通过建立柴油机的动力学模型，根据瞬时转速信号反演各气缸的压力或做功能量,也可分析熄火故障。[5-7]

轴系的扭振是受到不均匀的气缸压力引起的，因此轴系的扭振信号能反映气缸的工作状况，相关学者[8-10]已对利用轴系扭振的谐次参数和波形参数来诊断熄火故障进行研究。随着计算机技术不断发展，模糊理论、神经网络和自适应识别等技术逐渐应用到柴油机的熄火故障诊断中，使得熄火故障的诊断正向着智能化方向发展。[11-12]扭振传感器的价格低廉、安装方便、工作可靠，因此这里利用轴系的扭振信号对柴油机的单缸熄火故障进行研究，提取扭振信号的特征参数对熄火故障进行判断和定位，通过在柴油机上模拟熄火故障工况，对所提出方法的实用性进行验证。此外，开发基于虚拟仪器技术的故障诊断系统，利用该系统对柴油机的扭振进行测试，进而监测单缸熄火故障。

1 扭振信号特征参数提取

1.1扭振测试原理

扭振信号测试系统由传感器、整形电路和扭振仪组成，由扭振仪输出时域扭角信号(见图1)。当选用磁电传感器时，需在被测轴系上安装齿盘；当选用编码器时，需将其安装在轴系的自由端，保证编码器的旋转轴和被测轴系的同轴度。无源磁电传感器输出正弦信号，有源磁电传感器和编码器输出方波信号，但受干扰等因素影响，传感器输出的波形可能会不规则，经整形电路变换为规则的方波信号。扭振仪将采集到的方波信号转化为时域扭角信号，进而对信号进行频域和幅值域分析。

图1 扭振测试原理

若轴系在旋转时没有扭振，则其瞬时转速等于平均转速，传感器输出的方波信号的周期恒定。若轴系发生扭振，则其转速会出现波动，相当于在轴系平均转速上叠加一个扭振的波动，此时传感器输出的脉冲序列不再是均匀间隔(如图1所示)。这样的信号相当于一个载波频率被扭振信号调制的调频信号，可用脉冲计数法进行解调。

传感器输出的脉冲信号可转化为轴系的瞬时扭角值[13]，即

(1)

式(1)中：ω为瞬时角速度；tc为轴系旋转一周所用时间；ωc为平均角速度；N为齿盘的齿数；tn为输出n个脉冲信号所用时间；n为脉冲个数。

1.2扭振特征信号提取

柴油机是一种往复机械，其曲轴始终受不均匀的气缸爆发压力的作用，当发生熄火故障时，气缸爆发压力的不均匀性增强，轴系的扭振会加剧，与正常工况相比，扭角的峰峰值会增大。此外，从频域的角度看，扭角的谐次分量也会增大。

若将柴油机的气缸爆发压力近似看作一个脉冲激励，峭度对冲击脉冲类故障比较敏感，对柴油机的转速、负荷变化不敏感，则可利用扭振波形的峭度来诊断柴油机的熄火故障。扭振波形峭度的计算式为

(2)

(3)

在以上分析中，根据扭振波形的峰峰值、各谐次幅值及峭度等参数可初步判断熄火故障是否发生，但不能准确定位发生熄火故障的气缸。因此，需进一步提取扭振波形特征参数进行熄火气缸定位。

尽管轴系受不均匀激励力的作用，但其扭振波形在柴油机工作过程中仍呈周期性变换规律。当发生熄火故障时，扭振波形会发生变化，通过对正常工况和熄火工况下的扭振时域波形进行比较，可发现比较典型的波形变化特征(见图2)。由图2a可知，在圆圈标注的位置处扭角值突然下降，致使扭角峰峰值θv-v明显增大。出现这种现象的原因是在发生熄火故障时扭矩的不均匀性加剧，而这种扭矩的波动方向与正常扭角的变化方向相同，使得扭角值突然下降。由于扭角的正负代表方向，因此由扭角值突然上升也可判断熄火故障。由图2b可知，在圆圈标注的位置处扭角波形发生突变，即扭角曲线的斜率突然发生变化。出现这种现象的原因是在发生熄火故障时扭矩的不均匀性加剧，但这种扭矩的波动方向与正常扭角的变化方向相反，使得扭角曲线的斜率发生突变。

a)特征1b)特征2

图2 故障工况下扭角时域信号特征示意

根据以上分析，将同一工况下测得的扭角曲线与正常工况下的轴系扭角曲线相对比可知，当扭角的峰值明显增大或扭角曲线的斜率突变时，说明该时刻发生熄火故障。此外，结合上止点信号和发火间隔角可判断发生熄火故障的气缸。

2 试验装置与系统

2.1柴油机试验台架

选取16缸四冲程柴油机作为研究对象。该柴油机通过弹性联轴器与测功机连接，额定转速为1 050 r/min，气缸呈V形排列，A列与B列之间的夹角为60°；各气缸之间的发火间隔角不均匀，分别为30°和60°。由于该柴油机的气缸较多，因此在同一作功行程中会有多个气缸作功，曲轴受力较为复杂。

2.2测试系统

该试验的测试系统见图3。在柴油机的自由端安装编码器，该编码器的信号分别输入给数据采集仪和故障监测仪。为对发生熄火故障的气缸进行准确定位，在凸轮轴处安装磁电传感器，在凸轮轴上安装基准感应箍，凸轮轴每旋转一周，磁电传感器输出一个脉冲信号，该脉冲信号代表该气缸处于上止点位置，依据发火间隔角便可推算出任意气缸在任意时刻的位置，由此进行故障气缸定位。

图3 测试系统

3 单缸熄火故障试验分析

3.1熄火故障诊断分析

该试验分别选取A1缸熄火和A7缸熄火2种故障工况。正常工况与熄火工况下的扭角和峭度值对比见表1。

表1 正常工况与熄火工况下的扭角和峭度值对比

由表1可知，熄火工况下的各谐次扭角幅值和峭度值均明显大于正常工况，因此利用扭角和峭度可准确判断熄火故障是否发生。

3.2熄火故障气缸定位分析

扭角的时域信号可通过参照上止点信号和发火间隔角将各时刻的扭角与各气缸的爆发时刻建立联系，当在某气缸的爆发时刻扭角波形与正常工况波形相比出现异常时，可由此定位熄火气缸。

图4为正常工况与A1缸熄火工况的扭角波形对比。由图4可知，在A1缸熄火工况下，在圆圈标示的位置处，扭角值较正常工况下降明显，峰值增大，在465°曲柄转角处扭角达到最小值，且在该位置之后波形出现不规则波动。A1缸的爆发时刻处于435°～480°曲柄转角，465°曲柄转角恰好在该区间内，说明波形的异常是由A1缸的发火异常(即A1缸熄火)引起的。

图4 正常工况与A1缸熄火工况的扭角波形对比

图5为正常工况与A7缸熄火工况的扭角波形对比，2条曲线虽然有所差别，但并没有明显的熄火故障特征出现。在圆圈标示的位置处，曲线的斜率虽然有微小变化，但并不能由此判断该位置是熄火故障发生的位置。因此，通过扭角波形对比，无法定位熄火气缸。

图5 正常工况与A7缸熄火工况的扭角波形对比

由图4和图5可知，利用扭角波形对比的方法可定位熄火气缸，但不能完全涵盖所有的熄火情况。这是由于柴油机是一个复杂的机械系统，扭角的时域波形中包含十分复杂的频率成分，一些波形特征会被高频的成分所干扰或掩盖。

柴油机的气体爆发激励是扭振的一个重要激励源，对于4冲程柴油机，一个工作循环曲轴旋转2周，设各个气缸间的发火间隔角为φc，柴油机的气缸发火频率[4]为

(4)

对于均匀发火间隔的柴油机，发火间隔角φc为定值；而对于选用的发火间隔不均匀的机型，其发火间隔角分别为30°和60°，可将这2个值分别代入到式(4)中，求得2个发火频率，最后求平均值。这里选用发火频率的1/2作为上限截止频率，对扭角波形进行滤波。

图6为滤波后A1缸熄火工况与正常工况的扭角波形对比，曲线的趋势与图4中曲线的趋势基本一致，可判断扭角曲线的异常与A1缸熄火有关，与图4中的结论一致。

图6 滤波后A1缸熄火工况与正常工况的扭角波形对比

图7为滤波后A7缸熄火工况与正常工况的扭角对比。与图5相比，在图7中圆圈标示的位置处，扭角曲线的斜率突变现象更加明显，这是由于滤波后扭角中不包含高频成分的干扰。曲线斜率发生突变的位置在287°曲柄转角处，A7缸的爆发时刻在255°～300°曲柄转角处，突变位置恰好在该区间内，因此可判定是A7缸熄火导致曲线异常。

图7 滤波后A7缸熄火工况与正常工况的扭角波形对比

通过对比分析图4～图7，对扭角信号进行滤波后，去除原波形的高频成分干扰，有利于故障信号的发现和判断，说明利用滤波后的扭角波形定位单缸熄火是可行、有效的。

4 结束语

通过对柴油机单缸熄火故障进行试验模拟，进行熄火故障监测和故障气缸定位研究，得到以下结论：

1) 利用曲轴扭角的峰峰值、各谐次幅值和峭度值可快速、准确地监测熄火故障。

2) 利用滤波后的扭振波形，结合上止点参考信号和发火间隔角，可准确定位发生熄火故障的气缸。

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DiagnosisandMonitoringofMisfireforDieselEngineBasedonTorsionalVibration

CAIPengfei,GUHan,LIUXin,ZHANGSongyang,WANGXiaolin

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department,Jiangyin 214431,China)

A misfire detection and alarming system is developed in which misfire of a diesel engine is monitored and the fault cylinder is identified according to the parameters of the torsional vibration.Studying on the simulative diesel engine misfire phenomenon reveals that observing the peak-peak values of torsional vibration and the harmonic amplitudes/ kurtosis values of the vibration can detect the misfire.The filtered torsional vibration waveform in time domain,combined with the signal of TDC and firing angle,can be used to identify fault cylinder.

ship engineering; diesel engine; misfire; torsional vibration; filter; monitoring; identification

TK422; U664.121

A

2017-02-16

蔡鹏飞(1984—)，男，辽宁阜新人，工程师，硕士，研究方向为船舶动力机械。E-mail:dcxjcpf@sina.com

1000-4653(2017)02-0034-04