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船用中速柴油机 燃烧室部件常见故障在线监测诊断方法

阅读：399发布：2021-10-24

专利汇可以提供船用中速柴油机燃烧室部件常见故障在线监测诊断方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种船用中速柴油机燃烧室部件常见故障在线监测诊断方法，分别在发动机缸盖和机体外侧各布置一个声发射传感器，从故障机理上提取表征不同故障的特征参数，实现对船用中速柴油机燃烧室部件常见故障的在线监测与诊断。本发明仅利用两个声发射传感器就能对柴油机燃烧室部件不同故障进行监测诊断，传感器种类和数量少，监测全面且效率高，容易实现，具有广阔的应用前景。，下面是船用中速柴油机燃烧室部件常见故障在线监测诊断方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种船用中速柴油机燃烧室部件常见故障在线监测诊断方法，其特征在于：分别在发动机缸盖和机体外侧各布置一个声发射传感器，从故障机理上提取表征不同故障的特征参数，实现对船用中速柴油机燃烧室部件常见故障的在线监测与诊断。
2.根据权利要求1所述的一种船用中速柴油机燃烧室部件常见故障在线监测诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，在柴油机各缸的缸盖和主敲击侧的机体外侧合适位置分别安装一个声发射传感器，在柴油机曲轴或凸轮轴安装一个上止点传感器；
步骤二，以上止点触发，以800kHz 频率采集声发射信号，根据上止点信号提取340～
355°CA、370～420°CA、340～380°CA和425～500°CA范围内的声发射信号，其中0°CA对应于排气上止点；
步骤三，从声发射信号提取6个与故障机理相关的时域特征参数以及4个与故障机理相关的频域特征参数；
步骤四，在柴油机正常状态下，记录常用工况多工作循环声发射信号的特征参数，对特征参数进行循环平均，将正常状态下稳定的特征参数作为故障诊断的判据；
步骤五，在柴油机运行过程中，在线计算上述10个特征参数，与判据进行对比，从机理上判断柴油机燃烧室部件的工作状态；
步骤六，综合各特征参数的判断结果，识别和定位故障部位，并根据特征参数偏离判据的程度，诊断故障严重程度。
3.根据权利要求2所述的一种船用中速柴油机燃烧室部件常见故障在线监测诊断方法，其特征在于：步骤一中，在柴油机压缩冲程到做功冲程变化的上止点，由于活塞运动方向的改变及连杆对活塞的作用，活塞在上止点附近对缸套固定一侧形成敲击作用，该侧称为柴油机的主敲击侧。
4.根据权利要求2所述的一种船用中速柴油机燃烧室部件常见故障在线监测诊断方法，其特征在于：步骤一中，传感器合适安装位置选择在传感器可安装及燃烧室各声发射源信号被传感器获取时能量衰减较小、信号信噪比较高的位置。
5.根据权利要求4所述的一种船用中速柴油机燃烧室部件常见故障在线监测诊断方法，其特征在于：柴油机燃烧室的主要声发射源包括：燃油的喷射、燃烧、进排气阀的关闭和活塞环与缸套之间的摩擦；合适安装位置为各声发射源信号至传感器的传播路径长短和结构简易程度的综合结果，传播路径越短，路径中的结构越简单，则信号能量衰减越小，信号信噪比越高。
6.根据权利要求2所述的一种船用中速柴油机燃烧室部件常见故障在线监测诊断方法，其特征在于：步骤三中，6个与故障机理有关的时域特征参数为Ews、Ecm、Rb、RS、Ra、Ro，4个与故障机理有关的频域特征参数为PL、Ri、Pe、Pr；步骤三中的10个特征参数分别为：
Ews：代表缸盖声发射信号对应气缸燃烧段340～355°CA和370～420°CA范围内信号的能量和，对喷油压力减小故障敏感；
Ecm：代表缸盖声发射传感器对应气缸燃烧段340～380°CA范围内信号能量，对单缸失火故障敏感；
PL：为缸盖声发射传感器对应气缸整周期声发射信号25.8～31.7kHz范围内信号功率，对喷油器喷孔堵塞故障敏感；
Ri：为缸盖声发射传感器对应气缸燃烧段340～380°CA低频(23.3～28.3kHz)与高频(28.3～32.3kHz)段的信号功率比，对针阀磨损故障敏感；
Pe：为缸盖声发射传感器对应气缸燃烧段340～380°CA信号8～41kHz频率段内的信号功率，对排气阀漏气故障敏感；
Pr：为机体外侧声发射传感器对应气缸425～500°CA段8～39.7kHz内的信号功率，对活塞环磨损故障敏感；
同时，将柴油机燃烧段声发射信号分为三个区间：①340～355°CA区间，该区间的信号代表了气缸内燃烧提前和初始燃烧强度；②355～370°CA区间，该区间信号代表了速燃和缓燃期燃烧的强度；③370～420°CA区间，该区间信号代表了柴油机后燃的程度；分别计算这三个区间的信号能量分别为Eb、Es和Ea，三个区间的总能量为Eo；将不同故障状态时这四个参数分别与对应工况的正常值相除，得到四个比值分别为Rb、Rs、Ra和Ro。
7.根据权利要求6所述的一种船用中速柴油机燃烧室部件常见故障在线监测诊断方法，其特征在于：声发射信号某一时间窗口内的时域能量的计算方程为：
其中，E为时域窗口内信号能量(V2·s)，v(n)为声发射信号电压幅值(V)，n1和n2分别为时域窗口的采样下限和上限，△t为采样时间间隔(s)，即为采样率的倒数；
声发射信号的功率计算方程为：
其中，P为声发射信号的功率(V2)，也等于时域信号的RMS值的平方；b和a分别为频率段
2 -1
的频率上下限(Hz)；P(i)为声发射信号功率谱密度(PSD)的幅值(V·Hz )；△f为频率间隔(Hz)。
8.根据权利要求2所述的一种船用中速柴油机燃烧室部件常见故障在线监测诊断方法，其特征在于：在步骤三、步骤四和步骤五中，能区分不同故障状态的声发射信号特征参数是根据不同声发射激励源的特征提取出来的，可以通过柴油机故障模拟试验进行验证和标定。
9.根据权利要求2所述的一种船用中速柴油机燃烧室部件常见故障在线监测诊断方法，其特征在于：步骤五和步骤六中，各特征参数变化规律及不同故障程度的关系可以通过故障模拟试验，根据指示功的变化进行量化或通过数据趋势分析进行量化。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的一种船用中速柴油机燃烧室部件常见故障在线监测诊断方法，其特征在于：所述柴油机燃烧室部件常见故障包括喷油压力减小、单缸失火、喷孔堵塞、针阀磨损、排气阀漏气和活塞环磨损。

说明书全文

船用中速柴油机燃烧室部件常见故障在线监测诊断方法

技术领域

[0001] 本发明属于柴油机技术领域，具体涉及一种船用中速柴油机燃烧室部件常见故障在线监测诊断方法。

背景技术

[0002] 柴油机是轮船上的重要动力来源，柴油机发生故障将严重影响船舶的航行及安全，及时发现柴油机的故障并进行相应的诊断，可以提高船舶航行的安全和效率，也可以节省大量的时间成本，提高柴油机的使用效率。

[0003] 就目前而言，现有技术中通常采用单一的传感器对柴油机的某一特定故障进行诊断，受限于传感器的种类和布置数量，对柴油机不同部件的多种故障不能进行较为全面的监测和诊断，这样将导致两个问题：一是当传感器种类和数量布置过少，不能及时诊断并及时处理柴油机故障；二是当传感器种类和数量布置过多，成本急剧增加，监测诊断系统的实现较困难。

发明内容

[0004] 针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种船用中速柴油机燃烧室部件常见故障在线监测诊断方法，仅利用两个声发射传感器就能对柴油机燃烧室部件不同故障进行监测诊断，传感器种类和数量少，监测全面且效率高，容易实现，具有广阔的应用前景。

[0005] 为此，本发明采用了以下技术方案：

[0006] 一种船用中速柴油机燃烧室部件常见故障在线监测诊断方法，分别在发动机缸盖和机体外侧各布置一个声发射传感器，从故障机理上提取表征不同故障的特征参数，实现对船用中速柴油机燃烧室部件常见故障的在线监测与诊断。

[0007] 优选地，包括以下步骤：

[0008] 步骤一，分别在柴油机各缸的缸盖和主敲击侧的机体外侧合适位置各安装一个声发射传感器，在柴油机曲轴或凸轮轴安装一个上止点传感器；

[0009] 步骤二，以上止点触发，以800kHz 频率采集声发射信号，根据上止点信号提取340～355°CA、370～420°CA、340～380°CA和425～500°CA范围内的声发射信号，其中0°CA对应于排气上止点；

[0010] 步骤三，从声发射信号提取6个与故障机理相关的时域特征参数以及4个与故障机理相关的频域特征参数；

[0011] 步骤四，在柴油机正常状态下，记录常用工况多工作循环声发射信号的特征参数，对特征参数进行循环平均，将正常状态下稳定的特征参数作为故障诊断的判据；

[0012] 步骤五，在柴油机运行过程中，在线计算上述10个特征参数，与判据进行对比，从机理上判断柴油机燃烧室部件的工作状态；

[0013] 步骤六，综合各特征参数的判断结果，识别和定位故障部位，并根据特征参数偏离判据的程度，诊断故障严重程度。

[0014] 优选地，步骤一中，在柴油机压缩冲程到做功冲程变化的上止点，由于活塞运动方向的改变及连杆对活塞的作用，活塞在上止点附近对缸套固定一侧形成敲击作用，该侧称为柴油机的主敲击侧。

[0015] 优选地，步骤一中，传感器合适安装位置选择在传感器可安装及燃烧室各声发射源信号被传感器获取时能量衰减较小、信号信噪比较高的位置。

[0016] 优选地，柴油机燃烧室的主要声发射源包括：燃油的喷射、燃烧、进排气阀的关闭和活塞环与缸套之间的摩擦；合适安装位置为各声发射源信号至传感器的传播路径长短和结构简易程度的综合结果，传播路径越短，路径中的结构越简单，则信号能量衰减越小，信号信噪比越高。

[0017] 优选地，步骤三中，6个与故障机理有关的时域特征参数为Ews、Ecm、Rb、RS、Ra、Ro，4个与故障机理有关的频域特征参数为PL、Ri、Pe、Pr；步骤三中的10个特征参数分别为：

[0018] Ews：代表缸盖声发射信号对应气缸燃烧段340～355°CA和370～420°CA范围内信号的能量和，对喷油压力减小故障敏感；

[0019] Ecm：代表缸盖声发射传感器对应气缸燃烧段340～380°CA范围内信号能量，对单缸失火故障敏感；

[0020] PL：为缸盖声发射传感器对应气缸整周期声发射信号25.8～31.7kHz范围内信号功率，对喷油器喷孔堵塞故障敏感；

[0021] Ri：为缸盖声发射传感器对应气缸燃烧段340～380°CA低频(23.3～28.3kHz)与高频(28.3～32.3kHz)段的信号功率比，对针阀磨损故障敏感；

[0022] Pe：为缸盖声发射传感器对应气缸燃烧段340～380°CA信号8～41kHz频率段内的信号功率，对排气阀漏气故障敏感；

[0023] Pr：为机体外侧声发射传感器对应气缸425～500°CA段8～39.7kHz内的信号功率，对活塞环磨损故障敏感；

[0024] 同时，将柴油机燃烧段声发射信号分为三个区间：①340～355°CA区间，该区间的信号代表了气缸内燃烧提前和初始燃烧强度；②355～370°CA区间，该区间信号代表了速燃和缓燃期燃烧的强度；③370～420°CA区间，该区间信号代表了柴油机后燃的程度；分别计算这三个区间的信号能量分别为Eb、Es和Ea，三个区间的总能量为Eo；将不同故障状态时这四个参数分别与对应工况的正常值相除，得到四个比值分别为Rb、Rs、Ra和Ro。

[0025] 优选地，声发射信号某一时间窗口内的时域能量的计算方程为：

[0026]

[0027] 其中，E为时域窗口内信号能量(V2·s)，v(n)为声发射信号电压幅值(V)，n1和n2分别为时域窗口的采样下限和上限，△t为采样时间间隔(s)，即为采样率的倒数；

[0028] 声发射信号的功率计算方程为：

[0029]

[0030] 其中，P为声发射信号的功率(V2)，也等于时域信号的RMS值的平方；b和a分别为频2 -1
率段的频率上下限(Hz)；P(i)为声发射信号功率谱密度(PSD)的幅值(V·Hz )；△f为频率间隔(Hz)。

[0031] 优选地，在步骤三、步骤四和步骤五中，能区分不同故障状态的声发射信号特征参数是根据不同声发射激励源的特征提取出来的，可以通过柴油机故障模拟试验进行验证和标定。

[0032] 优选地，步骤五和步骤六中，各特征参数变化规律及不同故障程度的关系可以通过故障模拟试验，根据指示功的变化进行量化，或通过数据趋势分析进行量化。

[0033] 优选地，所述柴油机燃烧室部件常见故障包括喷油压力减小、单缸失火、喷孔堵塞、针阀磨损、排气阀漏气和活塞环磨损。

[0034] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0035] (1)本发明仅利用两个声发射传感器就实现了柴油机燃烧室内多种主要部件的监测诊断，充分利用了各声发射传感器信号信息。

[0036] (2)本发明提出了利用表征不同故障的特征参数进行燃烧室部件多故障监测诊断的方法。

[0037] (3)本发明在柴油机燃烧室部件的监测诊断上具有广泛的使用空间，适用频带范围宽，信噪比高，可有效减小传感器安装对柴油机的破坏。

[0038] (4)本发明监测全面且效率高，容易实现，，在柴油机燃烧室部件的监测诊断、实现船用发动机的综合诊断上具有广阔应用前景。附图说明

[0039] 图1是本发明所提供的一种船用中速柴油机燃烧室部件常见故障在线监测诊断方法的流程图。图1中，Ews、Ecm、PL、Ri、Pe和Pr分别为喷油压力减小、单缸失火、喷油器喷孔堵塞、针阀磨损、排气阀漏气和活塞环磨损故障的特征参数，Rb、RS、Ra和Ro分别为代表柴油机不同燃烧阶段强度信息的特征参数，Ews0、Ecm0、PL0、Ri0、Pe0和Pr0分别为对应特征参数的正常值，即为柴油机状态判断的依据。

[0040] 图2是柴油机缸盖传感器安装位置Pc示意图。

[0041] 图3是声发射传感器安装位置示意图。图中Pc为柴油机缸盖声发射传感器安装位置，Pb为柴油机主敲击侧机体外侧传感器安装位置。

[0042] 图4是柴油机单缸配气相位图及提取的信号区间示意图。其中θ1为进气提前角，θ2为排气门迟闭角，θ3为进气门迟闭角，θ4为排气提前角，W1为340～355°CA信号段，W2为370～420°CA信号段，W3为340～380°CA信号段，W4为425～500°CA信号段。

[0043] 图5a-图5d为不同喷油器喷孔堵塞后喷油状态图。图5a为正常状况，图5b为堵1孔状况，图5c为堵2孔状况，图5d为堵3孔状况。

[0044] 图6a-图6b为针阀打磨位置图。图6a为正常针阀，图6b为砂纸打磨后针阀。

[0045] 图7a-图7d为不同针阀打磨程度喷油状态图。图7a为正常状况，图7b为打磨一边状况，图7c为打磨两边状况，图7d为打磨一圈状况。

[0046] 图8a-图8c为不同漏气程度排气阀实物图。图8a为一道槽，图8b为二道槽，图8c为三道槽。

[0047] 图9为不同磨损程度气环实物图。

[0048] 图10为柴油机1000r/min、50％负荷不同喷油压力时燃烧段330～420°CA的Pc测点声发射信号。

[0049] 图11为柴油机1000r/min、空负荷正常和失火时的Pc点整周期信号。

[0050] 图12为柴油机1000r/min、50％负荷不同喷嘴堵塞量330～420°CA燃烧段Pc点的声发射信号。

[0051] 图13为柴油机1000r/min、50％负荷针阀不同磨损程度330～420°CA燃烧段Pc点声发射信号。

[0052] 图14为柴油机1000r/min、50％负荷排气阀不同漏气程度Pc点整周期声发射信号。

[0053] 图15为柴油机1000r/min、50％负荷活塞环不同磨损程度机体外侧Pb测点整周期声发射信号。

[0054] 图16a-图16b为特征参数Ews对柴油机不同工况不同喷油压力减小故障程度的诊断结果。图16a对应转速1000r/min、不同负荷，图16b对应空负荷、不同转速。

[0055] 图17为特征参数Ecm对柴油机空负荷不同转速单缸失火故障的诊断结果。

[0056] 图18a-图18b为特征参数PL对柴油机不同工况不同喷孔堵塞故障程度的诊断结果。图18a对应转速1000r/min、不同负荷，图18b对应空负荷、不同转速。

[0057] 图19a-图19b为特征参数Ri对柴油机不同工况不同针阀磨损故障程度的诊断结果。图19a对应转速1000r/min、不同负荷，图19b对应空负荷、不同转速。

[0058] 图20a-图20b为特征参数Pe对柴油机不同工况不同排气阀漏气故障程度的诊断结果。图20a对应转速1000r/min、不同负荷，图20b对应空负荷、不同转速。

[0059] 图21a-图21b为特征参数Pr对柴油机不同工况不同活塞环磨损故障程度的诊断结果。图21a对应转速1000r/min、不同负荷，图21b对应空负荷、不同转速。

具体实施方式

[0060] 下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

[0061] 实施例

[0062] 下面以淄柴Z6170型船用柴油机为例，介绍其燃烧室部件常见故障在线监测诊断方法,对本发明作进一步说明。

[0063] 如图1所示，本实施例中所提供的船用中速柴油机燃烧室部件常见故障在线监测诊断方法，使用了柴油机燃烧室部件故障模拟试验数据，提取了表征不同故障和故障程度的特征参数，进行了基于声发射信号特征参数的燃烧室部件多故障的监测诊断，包括以下步骤：

[0064] 1)在柴油机缸盖和主敲击侧机体外侧能量衰减较小、信号的信噪比较高的位置安装两个声发射传感器，在柴油机飞轮端安装一个上止点传感器，采集上止点和声发射信号。图2所示为Z6170型柴油机第1缸的缸盖声发射传感器安装位置Pc，图3所示为Z6170型柴油机横剖面中缸盖Pc安装位置和主敲击侧机体外侧传感器安装位置Pb示意图。

[0065] 2)以上止点触发，以800kHz频率采集声发射信号，根据上止点信号提取声发射信号340～355°CA、370～420°CA、340～380°CA和425～500°CA范围内信号，柴油机配气相位及提取的信号区间如图4所示。

[0066] 3)从声发射信号提取Ews、Ecm、Rb、RS、Ra和Ro6个与故障机理相关的时域特征参数，PL、Ri、Pe、Pr4个与故障机理相关的频域特征参数。

[0067] 4)在柴油机正常状态下，记录常用工况多工作循环声发射信号的特征参数，对特征参数进行循环平均，将正常状态下稳定的特征参数作为故障诊断的判据。

[0068] 5)在柴油机运行过程中，在线计算Ews、Ecm、PL、Ri、Pe、Pr、Rb、RS、Ra和Ro10个特征参数，与判据进行对比，从机理上判断柴油机的工作状态。

[0069] 为研究本发明方法对燃烧室部件不同故障及不同故障程度的诊断效果，本实施例进行了一系列燃烧室部件故障模拟试验，采集了不同故障及不同故障程度的声发射信号，不同故障及不同故障程度的模拟方案为：

[0070] 喷油压力减小：在正常喷油器调整垫片总厚度为0.7mm(0.1mm/片，共7片调整垫片)的基础上分别减少1片、2片和3片调整垫片，模拟三种不同的故障程度。利用喷油压力标定装置测取三种故障程度的喷油器喷油压力分别为26MPa、22MPa和18MPa(正常为27.5MPa)，试验时将不同程度喷油压力减小故障喷油器更换至柴油机第1缸(自飞轮端起)中运行，以下所有故障模拟也均以第1缸为对象；

[0071] 单缸失火：在柴油机运行时，移除第1缸喷油器的高压油管，使喷油器无法喷油，模拟失火故障；

[0072] 喷油器喷孔堵塞：在正常喷油器其它条件不变的情况下，将喷嘴5个喷孔分别堵塞1、2和3个孔，正常及堵塞后的喷油状态分别如图5a-图5d所示；

[0073] 针阀磨损：利用砂纸分别打磨针阀密封面的一边、两边和整圈，砂纸打磨处如图6a-图6b所示，打磨后喷油器喷油状态如图7a-图7d所示。其中，当针阀被打磨一圈时，喷油器启阀喷油时的清脆响声消失，同时伴有滴油现象；

[0074] 排气阀漏气：在正常气阀的基础上分别切1道、2道和3道1mm×6mm的槽，排气阀上切割的不同数量的槽分别如图8a-图8c所示，试验时将第1缸中两支排气阀其中的一支更换为漏气气阀；

[0075] 活塞环磨损：分别将柴油机的第一道气环内圈半径和搭口间隙磨损0.2mm×1mm、0.4mm×2mm和0.6mm×3mm。三种磨损程度的气环如图9所示。

[0076] 图10到图15分别为柴油机1000r/min、50％负荷时不同故障及不同故障程度的声发射时域信号。

[0077] 6)综合各特征参数的判断结果，识别和定位故障部位，并根据特征参数偏离判据的程度，诊断故障严重程度。

[0078] 图16a-图16b、图17、图18a-图18b、图19a-图19b、图20a-图20b、图21a-图21b为提取的各声发射信号特征参数对柴油机不同工况时不同故障及不同故障程度的诊断结果，可得出在柴油机1000r/min不同负荷及空负荷800r/min以上转速的工况时，特征参数可诊断出燃烧室部件故障及不同的故障程度。表1为柴油机1000r/min不同负荷时Rb、RS、Ra和Ro四个特征参数对不同故障的诊断结果统计。综合所有特征值的结果，本发明方法可有效诊断出柴油机燃烧室部件不同故障及不同故障程度。

[0079] 表1 1000r/min不同负荷四个比值对不同故障的诊断结果

[0080]

[0081] 综上所述，采用以上方案后，本发明为基于声发射技术柴油机燃烧室部件监测诊断特征参数的提取提供了一种新方法，将其应用于柴油机燃烧室部件运行状态识别，能够有效地监测燃烧室部件常见故障的诊断，在智能型船用发动机和智能机舱上有广阔发展前景，值得推广。

[0082] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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