基于高频冲击信号的柴油机敲缸故障诊断

高洪滨，孙 斌，胡义国

(1.92601部队，广东 湛江 524009； 2.91526部队，广东 湛江 524064)

基于高频冲击信号的柴油机敲缸故障诊断

高洪滨1，孙 斌1，胡义国2

(1.92601部队，广东 湛江 524009； 2.91526部队，广东 湛江 524064)

振动速度频谱在设备振动监测与故障诊断中应用很多。某柴油机低速时A1缸附近存在强烈敲击声。通过对柴油机缸盖和高压油管的异常高频冲击加速度信号进行测量和分析，准确判断出故障原因是供油不良导致敲缸,更换喷油器后敲缸现象消失。

柴油机；振动；故障诊断；冲击；敲缸

在对舰船设备进行振动监测与故障诊断时，常常将设备按照运转方式分为回转设备和往复设备2大类，它们的振动评价标准和故障诊断方法明显不同。回转设备振动信号频谱简单，不同故障时频谱相差明显，多数情况下对振动速度的频谱和时间信号进行分析可以准确判断故障。但是往复设备特别是柴油机振动故障诊断复杂得多，这是因为柴油机振动激励源多，振动信号成分复杂[1]。柴油机振动的中低频信号(1 kHz以下)主要来源于汽缸压力的周期性变化、运动部件的惯性力和不平衡力，其振动频率成分主要是单缸发火频率及其高次谐频，是相对稳定的振动信号。而其高频信号主要来源于各种冲击，例如燃烧冲击、气阀敲击、齿轮啮合等，冲击激发零部件的固有频率振动，频率高达数千赫兹或者数万赫兹，持续时间短。根据波动理论，高频冲击信号在结构中以波动形式传播，随着距离的增加，信号衰减很快。这使得异常的高频冲击信号对于故障定位很有意义，振源一定在高频信号最强烈的测点附近[2]。在振动位移、速度和加速度信号中，加速度信号更能突出高频信号，因此，高频冲击加速度信号是柴油机振动故障诊断的一个重要参数。但是柴油机高频冲击加速度信号动态范围大，频带宽，因此对信号的采集频率范围敏感，对测点位置敏感，这需要监测人员有丰富的经验，合理选择测点和设置测量参数。

某舰主机是4冲程废气涡轮增压柴油机，额定转速1 000 r/min。监测发现1台主机在较低转速时(小于或者等于600 r/min)A1汽缸附近存在强烈的敲击声，但是爆压正常，排气温度正常。为了判断敲击声的来源，对该主机进行了振动监测与故障诊断。

1 信号采集与分析

测量该主机各缸盖垂向和横向的振动信号。测量A1缸盖以外的其它缸盖是为了类比分析。同时测量振动加速度、速度和位移的时间和频谱信号，首次测量参数如下：振动加速度时间信号滤波频率1 Hz～10 kHz，加速度频谱滤波频率2 Hz～12.8 kHz，速度时间信号滤波频率2 Hz～1 kHz，速度频谱滤波频率2 Hz～1.6 kHz，位移时间信号滤波频率2 Hz～1 kHz，位移频谱滤波频率2 Hz～800 Hz。这样的采集参数设置在多数情况下是合适的，既能分析判断故障，又能合理控制数据量。但是，采用该设置测量柴油机缸盖振动后，发现故障汽缸振动信号与其它汽缸差别不明显。无法判断故障的原因和部位。

敲击应该能激发出缸盖或者机体的高频固有频率振动，高频冲击加速度应该有明显的不同。为此，调整加速度时间信号的采样频率和滤波频率重新测量，加速度时间信号采样频率131 072 Hz，滤波频率10 Hz～40 kHz，此时A1缸盖振动加速度存在明显不同于其它缸盖的强烈的高频冲击。调整参数后，测量得到的A1缸盖和A2缸盖横向高频加速度时间波形如图1、图2所示，A1缸盖高频冲击加速度明显强烈得多，而且峰值不稳定。而A2缸盖高频冲击加速度峰值小得多，进排气阀敲击信号与燃烧冲击相差不大。根据高频加速度信号的区别，可以判断A1缸盖振动存在问题，而高频振动在结构中衰减很快，因此，振源一定在缸盖附近，燃烧冲击或者是气阀敲击是最可能的原因。

图1 敲缸时A1缸盖横向振动加速度

图2 A2缸盖横向振动加速度

2 故障诊断

由于没有相位信号，不好判断异常是燃烧造成的，还是气阀冲击造成的。为此，进行单缸断油试验，A1缸单缸断油后的振动加速度信号如图3，最大冲击加速度明显下降，因此燃烧是异常振动的主要激励源，异响就是敲缸。但是敲缸可能是燃油雾化不良、供油定时不对、进气不足或者是活塞环损坏，需要进一步判断故障原因。

图3 断油时A1缸盖横向振动加速度

在测量了各个汽缸的高压油管振动，发现A1缸高压油管供油脉冲明显没有其它缸强烈和短促，如图4，可以判断该缸供油有问题。

图4 A1缸和A2缸高压油管横向振动加速度信号比较

更换新的喷油器后多次跟踪监测，敲击声消失，A1缸盖高频冲击振动明显下降，如图5。

图5 修理后A1缸盖横向振动加速度

检查发现原来的喷油器启喷压力低，导致喷油提前。这一故障诊断过程中，首先根据A1缸高频加速度的异常判断出振源在缸盖附近，根据单缸断油后的监测结果判断出异常燃烧是故障源，再根据高压油管的冲击脉冲异常判断出是供油问题。合理选择监测量标和数据采集参数，逐渐缩小范围，快速确定了故障原因和部位。根据振动监测结果进行有针对性的维修工作，缩短了检修的时间，提高了维修工作的效率。

3 结束语

1)由于柴油机自身振动信号复杂，激励源多，在对柴油机进行振动监测与故障诊断时，不能简单的以振动烈度值和振动速度频谱判断设备状态和诊断故障。高频冲击信号在结构中衰减快，高频冲击信号较大的点离振源近，对故障定位意义更大。

2)高压油管的高频冲击信号能够反映供油问题，在对柴油机进行振动监测与故障诊断时应该引起关注。

3)由于高频加速度信号对测点位置敏感，对测量频率范围敏感，需要合理选择测点和测量参数才能准确判断故障。

[1] 赵慧敏.柴油机非稳态振动信号分析与智能故障诊断研究[D].天津：天津大学，2010.

[2] Cyril M.Harris.Allan G.Piersol.冲击与振动手册[M]. 刘树林，王金东，李凤明，等译.北京：中国石化出版社，2008.

Vibration velocity spectra are frequently used in vibration fault diagnosis for equipment, such as diesel engine. Strong knocking noise was heard nearby A1 cylinder of a diesel engine. High frequency vibration acceleration signal on cylinder heads and high pressure oil pipes was measured and analyzed，which was abnormal with weak impulse on oil injector. Knocking noise disappeaed when new oil injector was installed.

diesel engine; vibration; fault diagnosis; shock; piston knock

高洪滨(1978-)，男，辽宁葫芦岛人，工程师，博士，研究方向为噪声与振动控制。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.01.007

2016-09-12