高洪濱，孫 斌，胡義國

(1.92601部隊，廣東 湛江 524009； 2.91526部隊，廣東 湛江 524064)

基于高頻沖擊信號的柴油機敲缸故障診斷

高洪濱1，孫 斌1，胡義國2

(1.92601部隊，廣東 湛江 524009； 2.91526部隊，廣東 湛江 524064)

振動速度頻譜在設(shè)備振動監(jiān)測與故障診斷中應(yīng)用很多。某柴油機低速時A1缸附近存在強烈敲擊聲。通過對柴油機缸蓋和高壓油管的異常高頻沖擊加速度信號進行測量和分析，準(zhǔn)確判斷出故障原因是供油不良導(dǎo)致敲缸,更換噴油器后敲缸現(xiàn)象消失。

柴油機；振動；故障診斷；沖擊；敲缸

在對艦船設(shè)備進行振動監(jiān)測與故障診斷時，常常將設(shè)備按照運轉(zhuǎn)方式分為回轉(zhuǎn)設(shè)備和往復(fù)設(shè)備2大類，它們的振動評價標(biāo)準(zhǔn)和故障診斷方法明顯不同?；剞D(zhuǎn)設(shè)備振動信號頻譜簡單，不同故障時頻譜相差明顯，多數(shù)情況下對振動速度的頻譜和時間信號進行分析可以準(zhǔn)確判斷故障。但是往復(fù)設(shè)備特別是柴油機振動故障診斷復(fù)雜得多，這是因為柴油機振動激勵源多，振動信號成分復(fù)雜[1]。柴油機振動的中低頻信號(1 kHz以下)主要來源于汽缸壓力的周期性變化、運動部件的慣性力和不平衡力，其振動頻率成分主要是單缸發(fā)火頻率及其高次諧頻，是相對穩(wěn)定的振動信號。而其高頻信號主要來源于各種沖擊，例如燃燒沖擊、氣閥敲擊、齒輪嚙合等，沖擊激發(fā)零部件的固有頻率振動，頻率高達(dá)數(shù)千赫茲或者數(shù)萬赫茲，持續(xù)時間短。根據(jù)波動理論，高頻沖擊信號在結(jié)構(gòu)中以波動形式傳播，隨著距離的增加，信號衰減很快。這使得異常的高頻沖擊信號對于故障定位很有意義，振源一定在高頻信號最強烈的測點附近[2]。在振動位移、速度和加速度信號中，加速度信號更能突出高頻信號，因此，高頻沖擊加速度信號是柴油機振動故障診斷的一個重要參數(shù)。但是柴油機高頻沖擊加速度信號動態(tài)范圍大，頻帶寬，因此對信號的采集頻率范圍敏感，對測點位置敏感，這需要監(jiān)測人員有豐富的經(jīng)驗，合理選擇測點和設(shè)置測量參數(shù)。

某艦主機是4沖程廢氣渦輪增壓柴油機，額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)1臺主機在較低轉(zhuǎn)速時(小于或者等于600 r/min)A1汽缸附近存在強烈的敲擊聲，但是爆壓正常，排氣溫度正常。為了判斷敲擊聲的來源，對該主機進行了振動監(jiān)測與故障診斷。

1 信號采集與分析

測量該主機各缸蓋垂向和橫向的振動信號。測量A1缸蓋以外的其它缸蓋是為了類比分析。同時測量振動加速度、速度和位移的時間和頻譜信號，首次測量參數(shù)如下：振動加速度時間信號濾波頻率1 Hz～10 kHz，加速度頻譜濾波頻率2 Hz～12.8 kHz，速度時間信號濾波頻率2 Hz～1 kHz，速度頻譜濾波頻率2 Hz～1.6 kHz，位移時間信號濾波頻率2 Hz～1 kHz，位移頻譜濾波頻率2 Hz～800 Hz。這樣的采集參數(shù)設(shè)置在多數(shù)情況下是合適的，既能分析判斷故障，又能合理控制數(shù)據(jù)量。但是，采用該設(shè)置測量柴油機缸蓋振動后，發(fā)現(xiàn)故障汽缸振動信號與其它汽缸差別不明顯。無法判斷故障的原因和部位。

敲擊應(yīng)該能激發(fā)出缸蓋或者機體的高頻固有頻率振動，高頻沖擊加速度應(yīng)該有明顯的不同。為此，調(diào)整加速度時間信號的采樣頻率和濾波頻率重新測量，加速度時間信號采樣頻率131 072 Hz，濾波頻率10 Hz～40 kHz，此時A1缸蓋振動加速度存在明顯不同于其它缸蓋的強烈的高頻沖擊。調(diào)整參數(shù)后，測量得到的A1缸蓋和A2缸蓋橫向高頻加速度時間波形如圖1、圖2所示，A1缸蓋高頻沖擊加速度明顯強烈得多，而且峰值不穩(wěn)定。而A2缸蓋高頻沖擊加速度峰值小得多，進排氣閥敲擊信號與燃燒沖擊相差不大。根據(jù)高頻加速度信號的區(qū)別，可以判斷A1缸蓋振動存在問題，而高頻振動在結(jié)構(gòu)中衰減很快，因此，振源一定在缸蓋附近，燃燒沖擊或者是氣閥敲擊是最可能的原因。

圖1 敲缸時A1缸蓋橫向振動加速度

圖2 A2缸蓋橫向振動加速度

2 故障診斷

由于沒有相位信號，不好判斷異常是燃燒造成的，還是氣閥沖擊造成的。為此，進行單缸斷油試驗，A1缸單缸斷油后的振動加速度信號如圖3，最大沖擊加速度明顯下降，因此燃燒是異常振動的主要激勵源，異響就是敲缸。但是敲缸可能是燃油霧化不良、供油定時不對、進氣不足或者是活塞環(huán)損壞，需要進一步判斷故障原因。

圖3 斷油時A1缸蓋橫向振動加速度

在測量了各個汽缸的高壓油管振動，發(fā)現(xiàn)A1缸高壓油管供油脈沖明顯沒有其它缸強烈和短促，如圖4，可以判斷該缸供油有問題。

圖4 A1缸和A2缸高壓油管橫向振動加速度信號比較

更換新的噴油器后多次跟蹤監(jiān)測，敲擊聲消失，A1缸蓋高頻沖擊振動明顯下降，如圖5。

圖5 修理后A1缸蓋橫向振動加速度

檢查發(fā)現(xiàn)原來的噴油器啟噴壓力低，導(dǎo)致噴油提前。這一故障診斷過程中，首先根據(jù)A1缸高頻加速度的異常判斷出振源在缸蓋附近，根據(jù)單缸斷油后的監(jiān)測結(jié)果判斷出異常燃燒是故障源，再根據(jù)高壓油管的沖擊脈沖異常判斷出是供油問題。合理選擇監(jiān)測量標(biāo)和數(shù)據(jù)采集參數(shù)，逐漸縮小范圍，快速確定了故障原因和部位。根據(jù)振動監(jiān)測結(jié)果進行有針對性的維修工作，縮短了檢修的時間，提高了維修工作的效率。

3 結(jié)束語

1)由于柴油機自身振動信號復(fù)雜，激勵源多，在對柴油機進行振動監(jiān)測與故障診斷時，不能簡單的以振動烈度值和振動速度頻譜判斷設(shè)備狀態(tài)和診斷故障。高頻沖擊信號在結(jié)構(gòu)中衰減快，高頻沖擊信號較大的點離振源近，對故障定位意義更大。

2)高壓油管的高頻沖擊信號能夠反映供油問題，在對柴油機進行振動監(jiān)測與故障診斷時應(yīng)該引起關(guān)注。

3)由于高頻加速度信號對測點位置敏感，對測量頻率范圍敏感，需要合理選擇測點和測量參數(shù)才能準(zhǔn)確判斷故障。

[1] 趙慧敏.柴油機非穩(wěn)態(tài)振動信號分析與智能故障診斷研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[2] Cyril M.Harris.Allan G.Piersol.沖擊與振動手冊[M]. 劉樹林，王金東，李鳳明，等譯.北京：中國石化出版社，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

高洪濱(1978-)，男，遼寧葫蘆島人，工程師，博士，研究方向為噪聲與振動控制。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.01.007

2016-09-12