戴魏魏，蔣倩，鮑海波，權(quán)國(guó)政

（1.江蘇省船舶動(dòng)力系統(tǒng)零件先進(jìn)制造工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 211121；2.南京中遠(yuǎn)海運(yùn)船舶設(shè)備配件有限公司，江蘇 南京 211121；3.重慶大學(xué)，重慶 400044）

船舶柴油機(jī)是多運(yùn)動(dòng)部件、多層次組合，在不確定邊界、不穩(wěn)定運(yùn)行工況的影響下，會(huì)產(chǎn)生非穩(wěn)態(tài)振動(dòng)信號(hào)。機(jī)體上任何一點(diǎn)的振動(dòng)都是柴油機(jī)內(nèi)部激勵(lì)的反映，然而由于振動(dòng)信號(hào)的不確定性，即使是同一柴油機(jī)、相同工況、相同測(cè)量點(diǎn)時(shí)得到的振動(dòng)信號(hào)也不完全相同。因此振動(dòng)信號(hào)分析具有一定的困難。但是，柴油機(jī)的運(yùn)行情況具有一定的周期性，把握住信號(hào)的規(guī)律性，有利于診斷柴油機(jī)故障狀態(tài)[1，2，3]。

本文將基于時(shí)域、頻域特征信號(hào)分析原理，利用分析軟件MATLAB 建立船用柴油機(jī)非穩(wěn)態(tài)振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)非穩(wěn)態(tài)信號(hào)進(jìn)行一系列特征分析，為后續(xù)故障診斷、運(yùn)行狀態(tài)判斷提供基礎(chǔ)。

1 船用柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)信號(hào)特征提取

系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)缸蓋模擬振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行特征分析，缸蓋振動(dòng)信號(hào)受排氣閥撞擊、缸內(nèi)燃爆影響，具有一定周期性（圖1）。一個(gè)周期內(nèi)，缸蓋振動(dòng)信號(hào)可依據(jù)運(yùn)行特征，分成排氣閥開(kāi)啟、排氣閥撞擊、缸內(nèi)燃爆三個(gè)特征峰。系統(tǒng)特征分析包括時(shí)域特征值提取、頻域特征值提取、信息熵提取功能，具體如下。

圖1 柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)時(shí)域信號(hào)

（1）時(shí)域特征提取包括最大值、最小值、峰峰值、均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、均方值等有綱量特征值，以及峰值因子、脈沖因子、裕度因子等無(wú)綱量特征值。時(shí)域信號(hào)清楚地描述出時(shí)間和頻率的相互變化關(guān)系。

（2）信號(hào)功率譜估計(jì)表示了信號(hào)功率隨著頻率的變化關(guān)系，系統(tǒng)采用WELCH 法、AR 譜估計(jì)（自相關(guān)法、Burg 法、協(xié)方差法）。

（3）頻率特征指標(biāo)根據(jù)信號(hào)的功率譜求得，包括重心頻率、均方頻率、均方根頻率、頻率方差等。與時(shí)域特征值一起共同用于表示柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

（4）時(shí)頻域上信息熵特征指標(biāo)，信息熵包括能量熵、功率譜熵和奇異譜熵。三個(gè)信息熵分別表示信號(hào)能量的復(fù)雜程度、信號(hào)不同狀態(tài)下在頻域上的變化、信號(hào)的信息量評(píng)估[4，5，6]。

2 船用柴油機(jī)非穩(wěn)態(tài)振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)

本文基于MATLAB 系統(tǒng)GUI 平臺(tái)構(gòu)建振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)。圖2 為構(gòu)建的時(shí)域、頻域分析界面，此界面主要對(duì)一個(gè)周期的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。圖中，1區(qū)為數(shù)據(jù)導(dǎo)入及保存板材；2 區(qū)為時(shí)域分析板塊；3區(qū)為頻域分析及信息熵板塊。

圖2 系統(tǒng)信號(hào)分析界面-時(shí)域、頻域

圖3 單峰信號(hào)分析界面-時(shí)域、頻域

通過(guò)檢索框輸入相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)信息，如曲柄轉(zhuǎn)速、采樣頻率等，導(dǎo)入采集信號(hào)，點(diǎn)擊運(yùn)算，就可以得到該信號(hào)的一系列特征值；界面還提供數(shù)據(jù)保存功能，點(diǎn)擊相應(yīng)保存按鈕即可實(shí)現(xiàn)功能。

通過(guò)圖2 右下角按鈕進(jìn)入單峰分析界面。對(duì)圖2界面分析的一個(gè)周期信號(hào)進(jìn)行分段，周期中不同峰值被特征識(shí)別為排開(kāi)信號(hào)、閉氣信號(hào)、撞擊信號(hào)和燃爆信號(hào)。同樣單獨(dú)對(duì)每個(gè)信號(hào)波段進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，提取零部件工作狀態(tài)特征信息并推測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)變化。圖中，1 區(qū)為時(shí)域圖及功率譜估計(jì)板塊；2 區(qū)為時(shí)域特征值及頻域特征值板塊；3 區(qū)為數(shù)據(jù)保存板塊。

3 船用柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)信號(hào)特征分析

柴油機(jī)缸蓋傳遞氣體壓力激勵(lì)至機(jī)體表面，同時(shí)氣閥撞擊、開(kāi)啟都會(huì)通過(guò)閥座傳遞至缸蓋。所以，在氣閥有磨損時(shí)，會(huì)引起缸蓋振動(dòng)特征的明顯變化。通過(guò)缸蓋振動(dòng)檢測(cè)氣閥磨損狀態(tài)是可行的。

通過(guò)系統(tǒng)分別對(duì)5 種不同氣閥磨損故障狀態(tài)下的柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行特征值分析。狀態(tài)1 表示氣閥正常，狀態(tài)2、3 表示氣閥輕微磨損，但3 的磨損程度要大于2。狀態(tài)4、5 表示氣閥嚴(yán)重磨損，但5的磨損程度要大于4。表1 為分析這5 種狀態(tài)下，一個(gè)周期振動(dòng)信號(hào)的特征指標(biāo)。

表1 缸蓋振動(dòng)信號(hào)統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)表

分析不同氣閥磨損狀態(tài)下，缸蓋振動(dòng)信號(hào)的變化規(guī)律可以得到，隨氣閥磨損增大，缸蓋振動(dòng)信號(hào)時(shí)域特征值、重心頻率、均方頻率是先增大后減小。當(dāng)磨損量達(dá)到一定值時(shí)，具有轉(zhuǎn)折點(diǎn)。振動(dòng)信號(hào)的頻率標(biāo)準(zhǔn)差、奇異譜熵隨著氣閥磨損間隙增大先減小后增大，當(dāng)磨損量達(dá)到一定值時(shí)，同樣出現(xiàn)極值點(diǎn)。圖4為峰峰值以及頻率標(biāo)準(zhǔn)差隨氣閥磨損量的變化趨勢(shì)，變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)均在9mm 處。

圖4 特征值變化規(guī)律

通過(guò)以上分析可知，可以通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征提取，對(duì)柴油機(jī)的氣閥磨損情況進(jìn)行有效的監(jiān)控，以防止柴油機(jī)在氣閥嚴(yán)重的狀況下運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 總結(jié)

（1）借用MATLAB 語(yǔ)言編寫(xiě)船用柴油機(jī)非穩(wěn)態(tài)振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能包括：振動(dòng)信號(hào)時(shí)域分析、頻域分析、信息熵計(jì)算、數(shù)據(jù)保存等。通過(guò)特征提取準(zhǔn)確的表達(dá)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，為后續(xù)進(jìn)一步系統(tǒng)故障診斷提供基礎(chǔ)。

（2）通過(guò)系統(tǒng)對(duì)不同氣閥磨損狀態(tài)下缸蓋振動(dòng)信號(hào)分析，得出特征值符合一定的變化規(guī)律，在一定的磨損間隙內(nèi)，峰峰值遞增后減小，頻率標(biāo)準(zhǔn)差值遞減后增大，均出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。