基于转速信号分析的柴油机故障诊断研究

论文摘要

为了提高柴油机动力装置的安全性和可靠性,满足现代预防维修制度和智能故障诊断的要求,对柴油机进行实时状态监测和在线故障诊断具有十分重要的意义。柴油机是一种典型的往复式动力机械,其结构复杂。这决定了对其进行状态监测和故障诊断的困难性。本文基于此背景下,根据柴油机曲柄连杆机构动力学知识,建立了瞬时转速波动诊断故障模型,研究了曲轴瞬时转速波动信号与柴油机缸内燃烧故障之间的联系,通过模拟计算和实验数据分析,可以对柴油机缸内燃烧故障或做功不均匀进行判断。本文根据曲柄连杆动力学,利用数学关系推导出了曲轴瞬时转速波动信号,对4108型柴油机进行了模拟故障分析,通过对转速波动信号时域分析,发现在单缸和两缸故障发生时,瞬时转速波动信号与正常时的情况会有较大的差别;通过对转速波动信号FFT频谱分析,发现在单缸和两缸故障发生时,低于发火基频部分的频率幅值比正常情况有很大上升;进一步对瞬时转速信号时域和频域内图形进行量化分析,找到了两个特征参数,可以进行故障判断和故障气缸定位。采用双谱分析法和STFT时频分析法对瞬时转速信号进行分析,可以判断故障的发生及故障的严重程度,为瞬时转速信号处理提供了新的思路。用FFT—IFFT法对瞬时转速信号进行提纯处理也取得比较好的效果。为了验证模拟计算的正确性,对4135型柴油机实测瞬时转速信号进行分析处理,上述各种分析方法对其瞬时转速的分析均有比较好的效果,实测信号处理结果与模拟计算信号处理结果具有一致性,从而证实了这种方法的实用性。由于瞬时转速诊断故障缸的方法简单实用,这就使得我们在无法测得柴油机缸内爆发压力,不涉及其动力学特性的情况下,快速准确判定故障是否存在及故障存在的位置提供了新的思路;同时该方法具有可移植性,适用于不同型号的柴油机,因此这种方法具有广泛的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 柴油机故障诊断研究的目的和意义
• 1.2 柴油机故障诊断研究的主要内容
• 1.2.1 故障诊断技术
• 1.2.2 柴油机故障诊断的研究内容
• 1.3 瞬时转速诊断技术的研究现状
• 1.4 本文主要研究内容及意义
• 第2章 瞬时转速动力学模型的建立
• 2.1 内燃机曲柄连杆机构运动学
• 2.2 内燃机曲柄连杆机构的动力学分析
• 2.2.1 曲柄连杆机构质量代换
• 2.2.2 气体压力和往复惯性力
• 2.2.3 气体压力扭矩和往复惯性力扭矩分析
• 2.3 瞬时转速波动诊断模型的建立
• 第3章 瞬时转速信号分析方法
• 3.1 信号的预处理
• 3.2 信号时域分析
• 3.3 信号频谱分析
• 3.3.1 傅里叶级数的展开
• 3.3.2 离散傅里叶变换
• 3.3.3 快速傅里叶变换
• 3.4 瞬时转速信号分析的新方法
• 3.4.1 双谱分析法
• 3.4.2 STFT时频分析法
• 第4章 瞬时转速模拟计算及分析
• 4.1 模拟计算瞬时转速及波形图
• 4.1.1 模拟计算柴油机正常工况下特性曲线及瞬时转速图
• 4.1.2 模拟计算柴油机单缸故障瞬时转速及所得波形
• 4.1.3 模拟计算柴油机两缸故障瞬时转速及所得波形
• 4.2 模拟计算所得瞬时转速波形FFT分析
• 4.2.1 模拟计算所得瞬时转速FFT频谱图
• 4.2.2 模拟计算所得瞬时转速信号FFT频谱图分析
• 4.3 模拟计算所得瞬时转速波形双谱分析
• 4.3.1 模拟计算所得瞬时转速双谱图
• 4.3.2 模拟计算所得瞬时转速双谱图分析
• 4.4 模拟计算所得瞬时转速波形STFT分析
• 4.4.1 模拟计算所得瞬时转速STFT时频图
• 4.4.2 模拟计算所得瞬时转速STFT时频图分析
• 第5章 实验数据分析
• 5.1 实测瞬时转速信号的波形分析和FFT分析
• 5.1.1 瞬时转速波形图及其FFT频谱图
• 5.1.2 瞬时转速波形图及其FFT频谱图分析
• 5.2 实测瞬时转速信号的双谱分析
• 5.2.1 瞬时转速双谱图及其对角切片图
• 5.2.2 瞬时转速双谱图分析
• 5.3 实测瞬时转速信号的STFT分析
• 5.3.1 瞬时转速STFT时频图
• 5.3.2 瞬时转速STFT时频图分析
• 5.4 实测瞬时转速信号的提纯分析
• 第6章 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究生履历