柴油发动机故障诊断研究

　随着现代机械设备日益朝着大型化、复杂化、高速化、重载化、连续化、综合化、高级化、自动化的方向发展,造成机械设备日益复杂,零件数目显著增加,零部件之间的联系更加紧密。一旦某一部分发生故障,会引起整台设备的瘫痪, 造成巨大的经济损失和人员伤亡事故, 现代化机械设备正常状态所花的维修费用和停机损失,在成本中所占的比例越来越大,设备故障或事故
引起的损失不断增加, 设备维修业务的重要性日益成为一个突出的问题。人们对机械设备的可靠性、可用性、可维修性、经济性、安全性提出了越来越高的要求;再则现代工业生产中的设备系统比以往更注重其效率和能耗,且环保的要求越来越高。因此,怎样在设备运行中或基本不拆卸的情况下, 借助或依靠先进的传感器技术、动态测试技术、计算机信号处理技术,掌握设备运行状态,分析设备中异常的部位和原因,并预测设备未来的发展趋势,是各国学者亟待解决的问题。
柴油机是最常见的机械设备, 国内外对柴油机的状态监测与故障诊断技术都非常重视, 投入大量人力物力积极开展技术应用研究。及时发现、诊断故障并采取有效的措施, 可增加柴油机工作时的安全性和可靠性,降低柴油机维修费用,减少由此带来的损失,防止突发事故具有重大的现实意义。本文回顾了过去的历程,对存在的问题和今后的发展方向提出了自己的观点。
1、柴油机的常见故障及机理
1.1 磨损
相互接触的机件有相对运动时就会产生磨损。据统计约有80% 的损坏机件是由于磨损引起的。柴油机中磨损机件的失效，常会导致两次故障,严重时危及柴油机的安全。根据磨损机理分类,有磨粒磨损、粘着磨损、微动磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损等。异常磨损的常见故障有:拉缸;烧轴瓦;抱轴；气阀与阀座密封不严而漏泄; 活塞组件与气缸套的过度磨损导致间隙增加,压缩压力下降,燃烧不良,功率下降,废气窜入曲柄箱,润滑油蒸发和劣化，严重时会导致曲柄箱爆炸(当呼吸器口因管理不严，而堵塞时);燃油系统配对精密偶件过度磨损导致不能产生额定的高压燃油,改变供油启喷时间和持续时间,针阀副密封不严会滴油,喷油嘴结焦;滑油泵异常磨损会降低滑油输出压力;曲轴和轴承间隙增大会加剧振动和噪声,严重时曲轴因疲劳而断裂。
产生异常磨损有以下影响因素(不考虑设计制造因素,仅考虑维护使用管理因素)：
1)“油饥”,即润滑油压力过低, 常见原因有滑油泵齿隙过大产生不了足够压力的滑油,滑油过滤器及管路堵塞,压力润滑摩擦副间隙过大。
2)润滑油中含有磨粒（特别是硬质磨粒），会造成摩擦副机件的磨料磨损。磨粒一般来源于空气(因空滤器失效),燃烧不完全的碳粒,摩擦副产生的粒子。
3)润滑油变质,如滑油中进水、进燃油、储备碱度不足、添加剂失效等。
4)环境影响。滑油温度过高、粘度急剧下降，例如柴油机断冷却水，将使柴油机拉缸，最终停机。
1.2 变形
由于受力不均,磨损不均，或拆装不正确，常导致柴油机机件变形。例如轴瓦磨损不均， 会导致曲轴变形；气缸盖由于安装时受力不均或热负荷作用下，都会产生变形,工作时气缸盖和机体之间将会漏泄。
1.3 穴蚀
穴蚀是在流体系统中, 液体内部空化而产生空泡,空泡的破裂产生微射流,并对固体壁面产生破坏现象。柴油机一般多存在穴蚀现象, 特别是在气缸套外侧和机体水腔内侧。管理中最有效的措施是在冷却水中加入添加剂, 合适的冷却水添加剂能有效地抑制冷却系统的腐蚀和穴蚀。
2、柴油机状态监测故障诊断方法原理和技术特点
2.1 基于性能参数的柴油机状态监测
柴油机性能检测及其研究的历史较长， 并在改进柴油机性能方面发挥了重要作用。这种方法是通过测定发动机的工作参数（如功率、转速、气缸压力、水温等）与其正常工作状态下的参数相比较，分析判断发动机的工作状态。
这方面，德国、瑞典、日本、美国等的技术比较先进。这些国家的通用机械故障诊断技术比较发达（如信号处理技术、测振仪器仪表等）。日本吸取别国的新技术，总结经验，迅速消化吸收，发展自己的诊断仪，开发了一些使用简单方便的简易测定诊断仪表。例如世界著名的工程机械综合厂（ 小松制作所） 生产的CDK799—200 发动机检测仪， 包括一系列仪器仪表，通过测定发动机的温度、压力、速度等物理量，对发动机不解体检测和诊断，判断设备状态，早期发现故障特征，以便及时处理。
采用柴油机性能监测方法， 当监测参数出现异常时，其中有些参数可通过调节来使其恢复正常。如果是因为零部件失效导致的异常， 则要由有经验的专家根据参数来判断具体是哪一部位出现了故障。
2.2 基于油液分析的柴油机故障诊断
随着摩擦学技术的发展， 人们对油液监测分析技术日趋重视。油液监测技术是通过分析柴油机机油的性能变化和携带磨损微粒的情况， 获得机器的润滑和磨损信息，评价机器的工作状态和预测故障，并确定故障原因类型及零件的技术。油液监测可以延长设备的换油期，并可及时预报潜在的故障，避免灾难性损坏或延长设备正常运行时间，获得经济效益。
20 世纪60 年代中期， 产生了油液监测的颗粒计数法，可获得一个数字化的分析结果，用于评价机油的污染程度。70 年代初期，铁谱分析技术问世，并很快在机器的故障诊断中得到了应用。这一技术可以全面地分析机油中磨损颗粒的浓度、尺寸形状、形貌和成分，因而丰富了油液监测中磨损颗粒分析的内涵。80 年代起，红外光谱仪用来检测机油的变质情况，尤其是傅立叶变换红外光谱仪的出现， 更加促进了油液监测技术的发展。进入90 年代，利用气相色谱和质谱仪测定润滑油的组成变化也有报道。
基于油液分析的柴油机状态监测和故障诊断方面，美国、加拿大、日本、欧洲的一些国家，已经较早地在实际中应用，积累了相当丰富的经验，并开发出了较先进的测量和分析仪器。例如日本小松制作的釉质分析仪，包括取样、分析等一系列仪器，主要是用原子吸收光仪分析润滑油中所含无机物的变化， 判断磨损部位及磨损程度。
总的来说， 油液监测技术主要适用于以液体或半液体润滑油、并以磨损为主要失效形式的零件设备。国内外实施油液监测技术获得的经济效益， 推动着这一技术的不断发展与完善。对柴油机而言，不太容易确定故障的具体部位，比如对于多缸柴油机，当通过油液分析发现是汽缸部位的故障时， 不好确定具体是哪个汽缸发生故障。
2.3 基于振声的柴油机故障诊断
国外用声振诊断技术来研究柴油机的故障， 始于20 世纪70 年代后期，目前已取得突破性进展。世界航运先进国家（如瑞士、挪威、日本、德国、英国、美国）已将此项技术应用到船舶柴油机。1980 年，R.H.Lyon 教授和美国麻省理工学院（MIT）的一些学者，开始在发动机上做实验， 并把结果与理论相结合来开发新的处理方法。美国1985 年研制出机车柴油机故障诊断专家系统；目前，已经能够诊断气阀与阀座冲击、燃油喷射故障、活塞环断裂或过度磨损。%Caterpillar Inc.在用高速数据采集器来采集柴油机的振动、噪声、温度、压力信号来研究柴油机的诊断问题。Commins 发动机公司的工程师， 主要在应用灭缸实验法以及应用测功器和转速检测器来检测发动机的工作状态。目前， 国外的研究动向主要有： 通过机体表面振动信号来识别柴油机气缸内的压力示功图； 用瞬时转速推算缸内压力变化；利用时频分析、小波分析等新的信号分析与处理方法来处理柴油机表面震动信号。我国从20 世纪80年代处开始， 对往复式柴油机故障诊断进行探索性研究， 这些工作对柴油机故障机理及故障诊断技术的发展有较大的促进作用。总之，利用振声信号进行柴油机故障诊断尚属前期研究。十几年来， 经过同行们的不懈努力，柴油机的振声诊断研究已取得了很多成果，虽然发展很快，但距实际应用还有一定距离。
3、柴油机故障诊断的难点
近年来,柴油机故障诊断技术有了较快发展，各种方法也在推陈出新, 尤其是利用振动信号提取故障特征的研究取得了很快进展。但是,这些方法多局限在实验室内的模拟阶段,离实际应用还有距离。其困难表现在：
1)柴油机是典型的多系统、多层次的复杂系统；其结构复杂,输入与输出的关系很不明显,很难用合适的模型来表达其结构、功能或状态。
2)故障与征兆之间关系的不确定性。一种故障可能引起多个征兆,而一个征兆可能有多个故障引起, 而且经常可能是多个故障同时发生。
3)柴油机的工作环境大都比较恶劣,是在强振、强噪声、高温等因素下工作的,许多有用的信号往往被噪声湮没。
4)柴油机内部高度相互影响的部件很接近, 使得来自这些部件的特征信号发生重叠和混响,难以解调分离。对于小型紧凑的柴油机尤其如此。
5)柴油机结构、运动状态复杂,型号多样,难以归纳出共性。适用于某型号柴油机的分析方法,对另一型号的柴油机未必可行; 对同一机型取不同的测点进行测量,即使故障类型相同,所测量的结果都有可能是矛盾的。
上述问题大大增加了柴油机故障诊断的难处，事实证明,对于柴油机这样的复杂机械系统,使用有限的诊断参数或有限的知识， 是不能有效地进行故障诊断的。必须有目的地拓宽监测范围,并将各个诊断参数综合使用,在大量地积累诊断知识的基础上，通过计算机的系统分析,才能得到有效的结果。这就必然使柴油机的故障诊断技术走上智能化的道路。
4、柴油机故障诊断的发展趋势
柴油机故障诊断的发展趋势是不解体化、高精度化、智能化、网络化。
1)对于不解体检测的研究, 其方向是开发适合柴油机故障诊断的专用新型集成化传感器, 特别是长寿命的可预埋于柴油机内的传感器。美国、日本等国家已成功地将超薄型传感器安置在柴油机内, 对柴油机的温度及主要部件的配合间隙进行诊断, 并利用光纤传感器监测柴油机的转速波动。
2)对于高精度化,在信号技术处理方面,是指提高信号分析的信噪比。对于柴油机这样的复杂运动系统而言,其信号多数是瞬态的、非平稳的、突变的。将小波理论用于这些信号的分析处理上, 则可大大提高其分辨率。分形几何在非平稳的、瞬态的、突变的信号处理中也具有很好的应用前景。在振动信号的处理上,全息谱分析方法因充分考虑了幅、频、相三者的结合,弥补了普通付氏谱只考虑幅、频关系的不足,能够比较全面地获取振动信号。
3)智能化是指开发诊断型专家系统,使数据处理、分析、故障识别自动完成,以减轻诊断的工作量,并提高诊断速度及正确性。在故障诊断的专家系统的建立上,要深入故障形成机理的研究,丰富系统的知识库,解决专家系统的所谓“瓶颈问题”。将模糊神经网络方法应用于故障振动的专家系统中, 使之具有一定的智能,具有自组织、自学习、联想功能,从而使诊断系统自我完善、自我发展。诊断系统将由集中式走向分布式。系统的硬件生产标准化,软件设计规范化、模块化,有利于缩短系统的开发周期,提高系统的可靠性。
4)网络化是新世纪故障诊断技术的发展方向,利用网络将多个故障诊断系统联系起来, 实现资源共享,可提高诊断的质量和精度; 将故障诊断系统与数据采集系统结合起来组成网络,有利于机组的管理,减少设备投资,提高设备利用率。