袁 揚，向 陽，王 帥

（1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063；2.船舶動力系統(tǒng)運用技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，武漢 430063）

0.5諧次相位在非均勻發(fā)火柴油機故障定位上的應用研究

袁 揚1,2，向 陽1,2，王 帥1,2

（1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063；2.船舶動力系統(tǒng)運用技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，武漢 430063）

為探究非均勻發(fā)火多缸柴油機燃燒故障的診斷和定位方法，以軸系扭振理論為基礎(chǔ)，首先分析非均勻發(fā)火柴油機諧波相位與發(fā)火間隔角的關(guān)系。接著基于AVL-EXCITE建立以50°/70°間隔發(fā)火的某V12柴油機軸系扭振集總參數(shù)計算模型，并設置不同負荷下各缸單缸失火故障，仿真計算其0.5諧次的相位和幅值，然后對該V12柴油機進行試驗研究。仿真計算結(jié)果和部分缸失火故障試驗數(shù)據(jù)的對比表明該V12機的0.5諧波相位以25°/35°交替轉(zhuǎn)換，驗證了理論分析的正確性。基于此提出根據(jù)0.5諧次幅值判斷有無故障、A1缸基準相位差定位故障位置的故障診斷規(guī)則。

振動與波；0.5諧次相位；非均勻發(fā)火；扭振；故障定位

柴油機的缸內(nèi)燃燒情況是其做功性能和工作性能的根本決定因素，直接決定了柴油機的工作狀態(tài)是否正常。監(jiān)測缸內(nèi)燃燒狀況最直接有效的方法是測取缸壓信號，然而缸壓傳感器存在價格昂貴、安裝不便、安裝需破壞柴油機原本結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境惡劣、使用壽命較短等缺點[1]。瞬時轉(zhuǎn)速從扭振的角度反映了柴油機缸內(nèi)燃燒情況，本質(zhì)上是發(fā)動機軸系扭振在飛輪處的體現(xiàn)[2，10]。因此，可以通過瞬時轉(zhuǎn)速的監(jiān)測來完成對缸內(nèi)燃燒情況的監(jiān)測診斷。目前國內(nèi)外關(guān)于瞬時轉(zhuǎn)速診斷方法較為繁多，如瞬時轉(zhuǎn)速波動增量法、瞬時轉(zhuǎn)速極坐標圖法、波形分析法和單諧次扭振法等等[3-8]。目前的研究主要是針對各缸均勻發(fā)火的柴油機，有關(guān)多缸機尤其是V型機非均勻發(fā)火的研究相對較少。本文通過理論分析和仿真計算對非均勻發(fā)火的某V12柴油機0.5諧波幅值相位在缸內(nèi)燃燒故障診斷和定位方面開展研究，提出非均勻發(fā)火柴油機0.5諧次診斷規(guī)則，并對部分缸斷油來設置失火故障進行試驗研究，驗證了理論分析和仿真計算的正確性。

1 諧次診斷理論

正常工況下，缸數(shù)較少、發(fā)火均勻的柴油機瞬時轉(zhuǎn)速在一個工作循環(huán)內(nèi)的波動個數(shù)等于其缸數(shù)，在頻域內(nèi)只有其發(fā)火頻率的整數(shù)倍頻處諧波幅值相對較大，其他諧波幅值等于或接近于零；當故障發(fā)生時，瞬時轉(zhuǎn)速的時域信號波動和各諧次幅值相位會發(fā)生相應的變化，可據(jù)此來分析缸內(nèi)的燃燒情況以及定位故障缸位置所在，這就是基于瞬時轉(zhuǎn)速的診斷機理。但對于缸數(shù)較多、發(fā)火間隔角不均勻的柴油機，在一個工作循環(huán)內(nèi)其瞬時轉(zhuǎn)速時域波動個數(shù)不再與發(fā)動機缸數(shù)一致；并且由于缸數(shù)的增加，發(fā)火間隔角的非均勻性使曲軸變得更為復雜，在頻域內(nèi)的診斷規(guī)律較之前的有所不同，這使得基于波形分析的診斷方法不再直接適用。

對于多缸內(nèi)燃機，激振力矩主要包括氣體力矩、負載力矩和往復慣性力矩。由柴油機的工作特性可知，激振力矩是周期性變化的復雜力矩。將其展開成傅里葉級數(shù)，可以得到一系列簡諧力矩，可根據(jù)各簡諧激振力矩對系統(tǒng)產(chǎn)生的激振作用來分析激振力矩，也就是諧次分析。

圖1是柴油機單缸簡化動力學模型。

圖1 曲柄連桿機構(gòu)示意圖

圖中R為曲柄半徑；L為連桿長度；λ為曲柄連桿比；D為氣缸直徑；θ為曲柄轉(zhuǎn)角；ω為角速度；Pg為氣缸壓力。

根據(jù)曲柄連桿機構(gòu)的運動特性可以得到氣體激勵力矩

以θ為變量展開成傅里葉級數(shù)，可得

式中T0為氣體激勵力矩產(chǎn)生的平均扭矩；n為諧次（n=0,1,2,3…）；Tn為n諧次力矩的幅值；an、bn為傅里葉系數(shù)；ψn為n諧次力矩的初相位。

對二沖程機而言，一個工作循環(huán)是一周，所以其基頻等于轉(zhuǎn)頻；對于四沖程機，一個完整的工作循環(huán)是兩周，所以其基頻是轉(zhuǎn)頻的一半，即存在0.5諧次。對于四沖程機上式可改寫為

激振力矩使曲軸產(chǎn)生兩種運動：勻速旋轉(zhuǎn)；在各諧次力矩作用下以不同頻率扭轉(zhuǎn)振動。瞬時轉(zhuǎn)速實質(zhì)上就是這兩種運動的合成。

以上討論的是單缸的激振力矩，多缸柴油機工作過程就是把各缸的氣體力矩按著一定的相位（發(fā)火順序）進行整合。將同諧次各缸的激振力用矢量表示出來并進行合成，根據(jù)合成矢量的幅值、相位進行故障判斷和定位，這是諧次分析法故障監(jiān)測診斷的基本手段。

2 非均勻發(fā)火機型諧次相位分析

均勻發(fā)火的柴油機在特定諧次疊加時相鄰發(fā)火缸的諧波相位差是一樣的，非均勻發(fā)火的柴油機其相鄰發(fā)火缸的同一諧波相位差因發(fā)火間隔角而異，具體分析如下：

圖2 物理相位與諧波相位關(guān)系圖

相鄰發(fā)火兩缸產(chǎn)生的氣體力矩（其物理相位差等于該兩缸發(fā)火間隔角）分別按傅里葉級數(shù)展開并提取0.5諧次和1諧次進行分析[5]。由圖2可以看出，0.5諧次的一個完整波形對應的物理相位是720°；1.0諧波的一個完整波形對應的物理相位是360°。任意諧次所對應的一個完整波形的諧波相位都是360°。依照這種分析規(guī)律可以得到物理相位（發(fā)火間隔角）與諧波相位的關(guān)系（以發(fā)火間隔角為175°的相鄰兩缸為例）：

根據(jù)發(fā)火間隔角與某諧次下的諧波相位的關(guān)系可知，發(fā)火不均勻的柴油機在發(fā)火間隔角為δ時，k諧次的諧波相位為k δ；發(fā)火間隔角為θ時，k諧次的諧波相位為k θ。這是非均勻發(fā)火多缸機諧波相位的一般規(guī)律，也是利用諧次相位法對非均勻發(fā)火多缸機進行故障診斷定位的基礎(chǔ)。

依據(jù)諧次相位理論，正常穩(wěn)定工作時，除了激勵力矩主頻和共振頻率外，軸系各諧次扭矩會保持平衡，即諧次幅值等于或接近于0（如圖3）。

圖3 無故障時0.5諧次相位矢量表示圖

當某一缸燃燒發(fā)生故障時，原來的平衡就會被打破，各諧次幅值和相位發(fā)生相應的變化（如圖4）。

圖4 A2缸失火時0.5諧次相位矢量表示圖

對這些變化進行研究可以實現(xiàn)故障的診斷和定位。通常低諧次有故障時幅值變化較為明顯，并且大于等于1的諧波相位在一個工作循環(huán)中，同一個相位對應不止1個缸的信息，理論上無法對故障缸進行定位。因此只有采用0.5諧次相位才能進行故障定位。本研究所用的V12機型是四沖程機，采用其0.5諧次進行診斷和定位。

對于該V12機，各缸物理參數(shù)和燃燒過程基本一致，發(fā)火順序是A1-B6-A5-B2-A3-B4-A6-B1-A2-B5-A4-B3，發(fā)火間隔角為50°/70°。根據(jù)諧波相位的一般規(guī)律知，發(fā)火間隔角為50°時，0.5諧次相位角是25°；發(fā)火間隔角為70°時，其0.5諧次相位角是35°。所以0.5諧次相位25°/35°交替變換，這是此V12型發(fā)動機故障定位的依據(jù)。

3 V12 機故障仿真與試驗研究

根據(jù)該V12柴油機的參數(shù)建立軸系扭振計算Excite模型如圖5所示。

圖5 V12扭振計算Excite模型

仿真計算1 000 r/min下10%和50%負荷正常工況的瞬時轉(zhuǎn)速和諧次譜，并與實測數(shù)據(jù)所計算的進行對比，仿真、試驗結(jié)果見圖6-圖9。

圖6 10%負荷下仿真瞬時轉(zhuǎn)速及諧次譜

圖7 10%負荷下實測瞬時轉(zhuǎn)速及諧次譜

圖8 50%負荷下仿真瞬時轉(zhuǎn)速及諧次譜

由仿真、試驗可知，在發(fā)火頻率以下，只有0.5、1、4、5、5.5諧次振幅矢量和達到平衡，其他諧次由于次諧共振平衡被打破。利用這些諧次的幅值都可以進行故障診斷，利用0.5諧次的相位可以進行故障定位。從仿真數(shù)據(jù)上看，正常工作時0.5諧次的幅值很小，理論上無論幅值還是相位都應該為零，但實際中各缸的氣體力矩還是存在有一定的大小差異，這使得正常工況下0.5諧次的幅值并不為零。從仿真數(shù)據(jù)中還可以看出發(fā)火相鄰的兩缸的0.5諧波相位（表中絕對間隔角）以25°/35°交替變換，這與前文分析的非均勻發(fā)火柴油機諧波相位一致。根據(jù)10%和50%負荷下仿真與試驗的數(shù)據(jù)對比可知依據(jù)柴油機參數(shù)所建立的Excite模型能夠反映柴油機的實際工作情況，此仿真模型有效。在此基礎(chǔ)上，依次從10%負荷到100%負荷分別仿真正常工作和各缸失火故障并提取相應的幅值和相位。

圖9 50%負荷下實測瞬時轉(zhuǎn)速及諧次譜

基于仿真所得的數(shù)據(jù)分別作出不同缸失火以及無故障時0.5諧次幅值隨負荷變化的曲線見圖10，相位隨負荷變化的曲線見圖11，基于A1缸失火的0.5諧次A1缸相位差隨負荷的變化曲線見圖12。

圖10 0.5諧次幅值隨負荷變化圖

圖11 0.5諧次相位隨負荷變化圖

圖12 0.5諧次A1缸基準相位差隨負荷變化圖

由圖10可知，0.5諧次的幅值在有無故障的區(qū)別還是比較明顯的，故可以通過該幅值判斷有無故障存在；由圖11可以看出，0.5諧次的相位隨著負荷的增加有少許的變化，這是因為負荷的增加會使曲軸的扭轉(zhuǎn)角度有一定程度的增加，這在瞬時轉(zhuǎn)速諧次分析時會對0.5諧次相位產(chǎn)生一定的影響，因此僅利用0.5諧次的相位進行故障定位可信度存在一定問題；而同一負荷不同工況下曲軸的扭轉(zhuǎn)角基本保持不變，故其相互間的相位差也基本保持不變，也就是說以某一缸故障時相位為基準的基準相位差幾乎不隨負荷變化(如圖12)。所采取的0.5諧次A1缸基準相位差即實際所提取的0.5諧次相位與A1缸失火故障發(fā)生時所提取的0.5諧次相位的差值，各個故障缸的這個值不會隨負荷而變；故可以以A1缸基準相位差為故障定位特征值進行故障定位。本文提出了利用0.5諧次A1缸基準相位差為故障定位特征值來定位故障的故障定位方法。

為進行進一步驗證，對該V12機部分缸進行單缸斷油來模擬失火故障，試驗測試現(xiàn)場以及磁電傳感器安裝見圖13，處理后所得數(shù)據(jù)見表1。

圖13 試驗現(xiàn)場

試驗數(shù)據(jù)幅值：單缸失火故障發(fā)生時，0.5諧次的幅值變?yōu)檎顟B(tài)下的兩倍有余；試驗數(shù)據(jù)相位：絕對間隔角與理論分析的25°/35°和仿真計算得到的數(shù)值基本一致，為V12機故障定位提供了試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。僅從0.5諧次相位上看仿真和故障試驗的結(jié)果是有些差異的，但從A1缸基準相位差上來看仿真和試驗結(jié)果出入不大，因此可以根據(jù)0.5諧次下的幅值判定有無故障、依據(jù)A1缸基準相位差來定位失火故障缸的位置。

表1 部分缸失火實測0.5諧次數(shù)據(jù)

圖14 非均勻發(fā)火柴油機故障診斷流程

4 非均勻發(fā)火柴油機故障診斷規(guī)則

根據(jù)V12非均勻發(fā)火機型的理論分析、仿真計算和故障試驗研究，提出了利用0.5諧次幅值判定有無故障、A1缸基準相位差定位故障所在的非均勻發(fā)火諧次診斷規(guī)則。此規(guī)則適用于單缸燃燒故障的判定和定位。

5 結(jié)語

0.5 諧次相位分析法對于柴油機具有良好的診斷效果。根據(jù)0.5諧次的幅值來判斷是否有故障存在，如有故障存在則根據(jù)其0.5諧次A1缸基準相位差進行故障定位。由于V12機發(fā)火間隔角50°/70°交替變換，其0.5諧次相位的變化規(guī)律也因缸而異。經(jīng)理論分析、仿真計算和試驗對比可知，此V12機0.5諧次相位以25°/35°交替變換，可據(jù)此設定A1缸基準相位差標準來實現(xiàn)對V12機失火故障的定位。

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Application Research of the Harmonic Phase of Order 0.5 to the Fault Location of the Non-uniform Ignition of Diesel Engines

YUAN Yang1,2,XIANG Yang1,2,WANG Shuai1,2
(1.College of Energy Source and Power Engineering,Wuhan University of Technology, Wuhan 430063,China; 2.Key Laboratory of Marine Power SystemApplication Technology,Wuhan 430063,China)

The method of fault diagnosis and location of non-uniform ignition multi-cylinder diesel engines is studied. The relationship between the harmonic phase and the firing interval angle of the non-uniform ignition diesel engines is analyzed based on the shafting torsional vibration theory.Then,the lumped parameter model of a V12 diesel engine shafting torsional vibration at 50/70 degree interval ignition is established with AVL software.Meanwhile,the misfire fault of each single cylinder under different loading is set,and the simulation calculation for 0.5-order harmonic phase and amplitude is done.Finally,the V12 diesel engine is tested.The comparison of simulation results with some cylinder misfire tests results shows that the 0.5-order harmonic phase of the V12 machine can be alternated between 25 degree and 35 degree.So,the correctness of the theoretical analysis is verified.On this Basis,a fault diagnosis method is proposed.In this method,the 0.5-order harmonic amplitude is utilized to determine whether the fault occurs and locate the fault according to A1 cylinder’s reference phase-difference.

vibration and wave;harmonic phase of order 0.5;non-uniform ignition;torsional vibration;fault location

TP206+.3

：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.06.032

1006-1355(2016)06-0164-05

2016-07-20

國家自然科學基金資助項目（51279148）

袁揚（1989-）男，河南省駐馬店市人，碩士研究生，主要研究方向為振動噪聲控制、動力機械監(jiān)測診斷。E-mail:yuanyang20111002@163.com

向陽（1962-）女，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為振動與噪聲控制技術(shù)、動力機械的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)、信號處理技術(shù)。E-mail:yxiang@whut.edu.cn