基于质心广义力监测的发动机故障诊断新方法(2) - 内燃机工程杂志社投稿

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基于质心广义力监测的发动机故障诊断新方法(2)

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随着信号处理技术的发展，在发动机故障特征提取方面有了很多新方法，如短时傅里叶变换、小波分析、Gabor展开、HHT变换、支持向量机等，其中应用非常广泛的是小波分析，它是一种有效的非稳态信号分析处理方法[23-24]。夏勇等[25-26]通过对发动机缸盖振动信号的小波包分解得到时频图，运用图像处理技术对发动机的状态进行监测，另外，小波分析在状态预测、信噪分离、动态测试过程诊断中也有成功的应用。

基于振动分析的发动机故障诊断方法，由于分析测试设备完备、诊断结果较可靠、便于实时诊断等诸多优点，受到广大学者的关注，但是作为基于响应信号的故障诊断方法，受发动机结构、环境、温度等外部条件的影响和传感器的安装位置的影响较大，只对特定的发动机、少数的部件和故障类型比较有效，缺乏普适性[27]。2013年，王国彪等[28]指出虽然单故障诊断通常容易实现，但在推广使用时，其精度不高、泛化能力不强和通用性较差，制约了其在工程中的应用。文献[26]提出，可以利用气缸压力信号进行气门间隙监测与故障诊断，气缸压力信号二进小波分解的尺度信号中包含有大量的气门间隙状态信息，但是直接对气缸压力进行监测在传感器的安装方面有一定的困难，而且对于与燃烧无关的一些机械故障，从气缸内压力信号中无法判定故障的类型与位置。

现有的各种发动机故障诊断方法都有一定的局限性，而发动机质心广义力中包含大量的发动机运行状态信息，既包含了机械磨损等方面的信息，也包含了各缸的燃烧状况信息，发动机质心广义力的变化与发动机故障之间存在一定联系，因此，发动机质心广义力包含的故障信息，对于提高故障诊断的可靠性具有重要意义。

发动机质心广义力主要通过将发动机简化为六自由度刚体动力学模型计算得到[29]，在计算中考虑的主要因素是气缸内气体爆炸力、旋转惯性力和往复惯性力所产生的激励。2006年，聂君臣等[30]理论分析了摩托车汽油机不平衡力随曲柄转角的变化，并分析了各不平衡力幅值在频域内随转速的变化趋势。王辉[31]和李双虎等[32]分别对直列四缸发动机的主要激振源进行了计算仿真分析。2008年，KIM等[33]建立CAE模型分析计算发动机的质心广义力。以上方法均需将气体爆炸力作为已知参数分析倾覆力矩，实际中这一参数难以精确获得。此外，理论计算公式通常未考虑实际发动机与附件的耦合，进行模型分析时必然会造成计算结果与工程实际存在一定偏差，且在有些情况下偏差会很大。

工程应用中通常采用测试频响函数矩阵，利用矩阵求逆法获取发动机质心广义力，测试不同结构位置的频响函数构成频响函数矩阵[34]。2007年，OTSUKA等[35]采用频响函数矩阵求逆法识别单缸船外发动机质心广义力。定义一组发动机运动产生的等效力，采用频响函数求逆法识别出等效力再通过线性结构模型转换到质心处，但频响函数测量的准确性缺乏验证，由于噪声影响等原因可能存在较大误差。由于矩阵求逆会引起病态问题[36]，导致病态误差，?SAS等[37]指出通过求逆得出的发动机质心广义力结果对频响函数矩阵的条件数很敏感。2007年，YUAN等[38]利用奇异值分解解决发动机质心广义力间接估计时的病态问题。TAO等[39]测试所有悬置点的振动速度获取发动机质心处的广义力，由于缺乏准确的相位信息而利用相位差来代替，使得问题的求解变为复杂的非线性超定方程，文献中只对仿真信号进行了精度分析，并没有考虑噪声影响，也没有实验验证。2006年，宋志顺[40]测试各缸体上振动加速度提取质心处广义力，但将相位全部假设为零，导致识别结果产生较大误差。2009年，杨志坚等[41-42]测试各悬置点的振动加速度信号提取发动机的质心处广义力，并引入离散频谱校正技术准确提取加速度的幅值相位信息，直接识别出发动机激励力，但试验验证过程中缺乏准确参数导致验证结果不准确。2010年，HAFIDI等[43]提出通过测试悬置两侧(减震前、后)的振动加速度经两次积分获取相应位移差，利用求逆法间接计算发动机质心广义力。2013年，李淑静等[44]在直列六缸柴油机上布置振动加速度传感器获取柴油机整机振动质心广义力，并分析了测试参数误差对广义力识别结果的影响。利用统计直方图法处理试验数据，但振动信号幅值和相位的提取不够精确，统计直方图测试样本不够丰富。2015年，XU等[45]将发动机简化为多刚体动力学模型对发动机质心广义力识别方法进行了仿真验证，由于模型简化了误差，除垂向载荷与计算结果接近，其他方向的激励误差较大，且质心广义力识别的实验验证结果缺乏可靠性。综上可见，以试验法获取发动机质心广义力，不可避免的需要进行广义矩阵求逆，从本质上来说，病态矩阵的形成一方面来自于测量误差，另一方面来自于用离散频谱分析方法提取振动响应的幅值和相位时的分析误差。因此，从源头上改善矩阵求逆条件的方法，即减小测量和分析误差将是研究的重点。

文章来源：《内燃机工程》网址: http://www.nrjgczz.cn/qikandaodu/2021/0709/966.html