基于异常声发射信号的柴油机早期故障诊断

张虎 谷丰收 王铁 王欢欢 党轩 李国兴 魏娜莎

摘要：为诊断某新型单缸柴油机缸体表面异常声发射信号，将声发射传感器布置在柴油机不同部位进行定位分析，通过对比不同位置及不同机油压力下声发射信号的峰值响应，结合限压阀的工作原理，最终确定异常声发射信号来源于机油压力的异常，并通过倒拖试验进行验证，实现柴油机早期故障的诊断。诊断结果表明：该型单缸柴油机预设机油压力偏高。当机油压力设置过高时，限压阀回位力随之增大，阀芯落座时，对阀体的冲击力变强，从而产生尖锐的异常声发射信号，与此同时，证明声发射监测技术对柴油机早期故障诊断的有效性，具有较好的推广应用价值。

关键词：柴油机；故障诊断；声发射；机油压力

0引言

声发射（acoustic emission，AE），是指材料、结构受到内力或者外力从而产生形变或是破坏.并以弹性波形式释放应变能的现象。声发射检测技术作为一种新的无损检测手段，具有高灵敏度，能够对极其微弱的信号进行在线无损检测。

柴油机故障类型繁多，早期故障信号极其微弱、信噪比低、不易检测和识别。声发射检测技术因其具有诊断速度快、准确率高、故障定位性强、适用范围广、能够实现早期预测和在线诊断等特点，受到了国内外故障诊断工作者的重视，朱奥辉通过建立的Elman神经网络对提取的声发射特征进行识别，可以很好地识别机械密封在工作过程中所处的摩擦状态，实现了润滑状态的实时监测；龙小江等通过动态弯曲疲劳实验获得材料疲劳裂纹萌生、扩展和断裂全过程的声发射检测信号，为材料的损伤以及寿命预测提供了参考：张宇等基于声发射的衰减特性实现了故障行星轮的定位分析，证明了信号幅值随传播距离增加而呈指数衰减，而且该方法相对简单，准确度也较高。

在发动机研究领域，史强等通过对缸套一活塞环模型建立与实验验证，证明了声发射技术对缸内润滑状态诊断的有效性，为本文的研究提供了一定的基础。Nivesrangsan和Steel等研究了典型的机械复杂结构中多源信号的信号源定位技术，但是基于速度或者是能量的定位都具有一定的局限性：Elamin阐述了采用声发射技术诊断JC B444-T2型柴油机的喷油器故障法，从频率角度出发，实现了在线检测，但由于发动机工作过程中事件较多，频率分辨难度较大。胡磊等将经验模态分解应用于处理柴油机气阀的声发射信号，提高了声发射应用于柴油机气阀漏气诊断方法的灵敏度，但工作量较大。本文通过对比不同位置声发射信号的峰值响应，实现了故障的准确定位，与此同时，为了排除工作过程中的其他干扰因素，利用倒拖试验对结果进行了验证，证实了结论的准确性。

1缸体表面正常声发射信号

发动机正常工作情况下，单位工作循环中声发射信号能量偏大部分多集中在排气门关闭（EVC）、进气门关闭（IVC）和燃烧做功（Power）等位置，将采集到的声发射信号，转换到720°曲轴转角（crankangle，CA）的角域中如图1所示。

在试验台架调试运行的过程中，缸体表面测得的声发射信号中出现了一系列具有周期性特征的异常信号，在90°CA及其整数倍角度处均出现未知的异常声发射信号，严重影响摩擦润滑状态相关的声发射特征提取与分析工作。

为确定具体的异常声发射源，本文根据聲发射定位分析，展开试验研究。

2试验设备和试验方案

2.1试验设备

试验中采用测控系统和DW40型电涡流测功机，曲轴转角信号与上止点信号由曲轴位置传感器测得，声发射信号由SR 800型声发射传感器（采样频率50～800 kHz）测得并由其配套的SEAU2S-1016-08型的声发射检测仪采集记录，发动机的上止点（TDC）和曲轴转角信号由YE6232B型16通道数据采集仪采集记录。倒拖试验所用设备包括：Y 160M-4型电机，DH600型变频器，L4700型机油压力传感器。柴油机技术参数如表1所示。

2.2试验方案

为了诊断这些异常的声发射源，将声发射传感器布置于表2所示不同测点位置，进行对比分析，试验转速为1 400 r/min，验证试验采用倒拖法进行验证，倒拖转速同样恒定在1 400 r/min。

3数据分析与讨论

由图2可知，缸盖和缸体的EVC、IVC和Power处的峰值响应较大，而飞轮侧和主油道较小，这是因为缸盖和缸体两个位置与进、排气阀和燃烧室距离较近，而飞轮侧和主油道与其距离较远。此外，在90°CA及其整数倍位置均出现异常声发射信号，且主油道附近的声发射相应明显大于其他3种测点，说明异常声发射位于主油道附近，且应该是规律的机械事件所致。

3.1机油泵

柴油机的机械事件众多，根据异常声发射信号的特征推测可能是转子式机油泵异常所致，试验用柴油机的机油泵外转子齿数为5，内转子齿数为4，并且曲轴与机油泵的内转子转速相同，机油泵每隔90°CA向外挤压一次机油，这与异常声发射信号峰值响应的曲轴转角位置高度吻合。基于以上分析，推测缸体表面测得异常AE信号的产生可能与泵油系统运行异常有关，因而在机油泵附近又测量了相应的AE信号。

从图3可知，机油泵附近的AE信号峰值响应小于主油道附近的AE信号峰值响应，这说明异常的声发射并非由机油泵直接引起。观察异常AE信号发现：该信号与EVC、IVC、Power等信号相似，均属于突发型AE信号，此类型信号呈脉冲波形，信号峰值较大，且衰减速度快。柴油机的突发型AE信号多为一些瞬态激励（比如冲击、碰撞等）所造成的，由于机油泵的泵油周期也是90°CA，推测这些异常AE信号的产生可能与机油泵所在的润滑系统有关。

润滑系统中各个阀的落座均为瞬态事件，且均可产生突发型声发射信号，润滑系统中各个阀的落座都是瞬态事件，此类瞬态事件也可以产生突发型声发射信号。据此推测，可能是润滑系统中某个阀的阀芯落座，产生了尖锐且规律分布的异常AE信号。

3.2阀事件

由图4可知，声发射传感器周围有限压阀和内置于机油滤清器的旁通阀以及止回阀。因为止回阀只有在停机时起作用，所以排除止回阀造成异常声发射信号的可能性。

旁通阀安装在机油滤清器里面，目的是防止机油滤清器的滤芯被堵时，机油无法输送到主油道，从而出现发动机断油而不能润滑的现象。如果滤芯严重被堵，机油无法通过滤芯，那么滤清器进口压力就会上升，当达到规定的压力值时，旁通阀开启，经旁通阀将机油送进主油道。限压阀的作用是保证机油油路的压力稳定并且保护机油泵。本机型上的限压阀兼有调压的功能。现将声发射传感器同时布置在机油滤清器和限压阀上，采集一组同工况的数据和测点4的信号进行对比分析。

如图5所示，AE信号的峰值响应由大到小依次是：限压阀、主油道和旁通阀。可知旁通阀的可能性被排除。限压阀处的AE信号的峰值响应最大，即限压阀处AE传感器离AE信号源最近，此外，主油道和限压阀处的异常AE信号特征一致，为同一AE信号源所致，所以疑似限压阀阀芯落座造成了所有测点的异常AE信号。正常机油压力的限压阀阀芯落座事件，通常不会出现在柴油机AE信号中，但当机油压力偏高，限压阀阀芯落座冲击力变强，便会引起异常AE信号。

本机型采用的是柱塞阀芯结构的限压阀，阀中弹簧的回位力直接决定了润滑系统油压的高低，发动机一个工作循环内，限压阀伴随着机油泵的8次供油，产生8次脉动式开闭，如果机油压力偏高，则限压阀阀芯落座时，对阀体产生8次冲击力会变强。

基于以上分析，推测机油压力偏高可能是造成异常AE信号的主要原因。

3.3机油压力故障诊断

3.3.1机油压力

本文所诊断的发动机正常的油压范围应在（0.08-0.4MPa）区间内。但怠速时实测油压高达0.4MPa，显然油压高于正常压力范围。因此将机油压力调整到正常压力范围后，再次以同样工况采集限压阀处的声发射信号，进行对比。

如图6所示，机油压力调节到正常范围后，间隔90°CA出现的异常声发射信号彻底消失。

3.3.2试验验证

由于柴油机的声发射源众多，为进一步验证异常声发射信号源，现采用发动机倒拖试验来验证上述的推论。将声发射传感器置于燃烧室外的缸体上，即测点2的位置。

由图7可知异常声发射信号发生在机油压力0.75 MPa附近，且均处于机油压力变化率曲线的波谷处。说明该限压阀的限制压力阈值即为0.75 MPa。

如图8所示，顺时针转动调压螺杆，限压阀的开启压力增大，与此同时，也缩短弹簧的压缩行程，柱塞的运动距离也变短，泄压时，柱塞停留的位置阻碍了泄油口流通面积，造成泄压能力不足，加之转子式机油泵造成的迅速上升的压力波动.最终达到机油压力峰值，此时柱塞并未与阀体产生碰撞，因此压力最大时并无明显的声发射信号。

机油压力峰值过后，在转子式机油泵造成的迅速下降的压力波动和泄油孔泄油双重作用下，承受了高油压弹簧的回位力大于柱塞面上的油压作用力，导致柱塞撞击在阀体上的冲击力变强，在机油压力变化率最大处，产生冲击，因此限压阀在机油压力变化率曲线的波谷处落座，并产生声发射信号。

发动机润滑系统通常是低速时供油不足，高速时供油过量，本文所诊断的发动机为了满足低速时的供油需求，提高了限压阀的开启压力。根据统计经验，热负荷较高的高速柴油机所需的机油泵的泵油量为

此型号柴油机的标定功率是20.5 kW，带入式（1）得出额定机油泵流量为13.94～16.195 L/min。而本机的机油泵实测流量为20 L/min.显然机油泵的流量高于柴油机所需要的流量。由此，在供大于需的情况下，限压阀伴随机油泵的泵油周期脉动式的开闭，会造成润滑系统压力大幅波动，在这种情况下会损伤润滑系统中的液壓元件，同时，也造成了不必要的能量浪费。

4结束语

本文通过对柴油机机体表面不同位置异常声发射信号的峰值响应进行对比分析，确定了异常声发射信号来源于机油压力异常所导致的限压阀阀芯落座事件，在调节油压后使得声发射信号恢复正常，并通过倒拖试验验证了结论的准确性。

1）单缸柴油机机油压力异常并未直接影响到整机的使用性能，但过高的机油压力必然会对设备的日常维护与使用寿命产生负面的影响。本文的诊断结论为该型柴油机的优化设计提供了坚实的理论依据与明晰的改进方向。

2）声发射检测技术针对机油压力异常而引起的限压阀阀芯落座等微弱异常事件具有优异的检测识别能力，是一种研究分析柴油机早期故障的有效技术手段。