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利用内燃机曲轴扭振特性 诊断故障缸的新方法 西南交通大学机械工程学院 闰 兵 ，大伟 秦 萍 1 引言 内燃机是现代工业、农业、能源和交通运输等领域的主要动力设备，其运行状态的好坏直接影响到安 全性和生产率。因此，发展内燃机故障诊断技术是十分必要的，各国十分重视内燃机的工作状态的监测和 故障诊断，以确保运行安全、充分发挥性能、进行合理维修、防止污染和信息收集。 内燃机的工作状态的监测和故障诊断方法有多种，可分为热力参数诊断法、光铁谱分析法、机体振动 诊断法、曲轴转动状况诊断法、噪声诊断法、排气分析法等，这些方法针对不同的故障有不同的灵敏度和 诊断效果。随着电子技术的发展，其中曲轴转动状况诊断法由于测量方便，利用测得的曲轴瞬时转速进行 各缸工作状态的监测和故障诊断得到了国内外广泛的重视，发展了多种分析方法[, SoodReaeka,Henain和Azzoni等通过对内燃机飞轮的瞬时转速信号进行分析和离散傅里叶变换，并采 用比率检验法、差值比较法、停缸指标等，判断内燃机是否有故障。上述方法虽能判断内燃机是否运转正 常，但不能辩明出现故障的缸号。 Henain.Rezeka、陈祥初和罗友乔等国内外许多学者广泛采用各缸作功冲程瞬时转速波动增量An来判 断少缸数内燃机中的故障缸号。也有采用瞬时转速上升段的平均加速度，相邻两波峰值之差或波谷值之差、 连续上止点处瞬时转速差值、瞬时转速的互相关系分析、模糊模式识别法等来判断故障缸。但是经研究发 现，当轴系刚度较小、缸数较多、发火间隔角较小时，各缸的相互干扰变大，扭振的影响也会变大，利用 上述方法往往会判断错误 周轶尘、杨叔子、刘世元等学者提出并发展了利用瞬时转速信号进行故障诊断的另一种主要方法、即 波形分析法。该方法先对瞬时转速信号进行各种变换，然后提取与故障有关的特征参数，再通过某种模式 识别方法将待检模与故障基准模进行比较，以识别故障。波形分析法具有计算量小、不需要轴系结构参数 的优点，但其要应用于工程实际，存在如何建立可靠的故障基准模的问题。 西南交通大学的董大伟等从轴系扭振的力学模型出发，提出了曲轴瞬时角加速度法和扭振信号反算 法。对于轴系刚度较大、缸数较少的内燃机，用曲轴瞬时角加速度法较过去传统的曲轴瞬时转速法能更 准确地判断多缸内燃机各缸的作功状况和压缩状况。董大伟还提出并推导了扭振信号反算法(TVRS 法)，即采用轴系中某一个惯量的扭转振动信号，按轴系实际的弹性模型，依据内燃机动力学、数值计 算方法、数字信号理论和子空间法等理论，反算各缸的平均有效压力，进而定量判断各缸的作功状况。 这种方法是对传统方法的一个突破，只要能获得轴系有关刚度、惯量、阻尼等结构参数，通过测得的轴 系瞬时转速，就可算出各缸的作功状况。这是一种理论完善的诊断方法，在实际应用中的效果取决于的 轴系结构参数的准确程度。 综上所述，目前的各种曲轴轴系转动状况诊断法，或只适用于轴系刚度较大、缸数较少的内燃机，或 需要获得准确的轴系结构参数，或需要可靠的故障基准模，尚没有一种实用且通用的基于内燃机轴系转动 状况的诊断方法，来判断故障缸及其作功状况 为解决上述问题，作者深人研究了曲轴扭振信号单谐次分量的相位及幅值特性与故障缸及其作功状况 的关系，提出了利用内燃机曲轴扭振特性诊断故障缸的新方法，并进行了理论推导、仿真计算和实验，证 实了该方法可行性。 2 基本原理 128 按内燃机动力学的经典理论，轴系在第二次力矩作用下发生某一振型的振动，只有该谐次力矩才有振 动能量输入系统。在轴系的某一质量上第*次激振力矩作用一次时，它对系统所作的功为: if飞777MAsin: (1) 式中的A为该质量的扭振位移振幅， 为激振力矩，M超前扭振位移的相位角·扭振位移95的变化规 律可写为: q5=Asin(vw+ ￡) (2) 以扭振测量的测点处(如输出端)惯量为基准惯量，其位移的变化规律为 (Pn=Aosin(vw+￡) sin(二+。)一丝sin(。十。) (3) 式中A