故障檢修與技術(shù)維護(hù)

柴油發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)程診斷技術(shù)和故障分析

 

摘 要：柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中柴油機(jī)作為其動(dòng)力源，長(zhǎng)期使用后不可避免的會(huì)有一定機(jī)械故障出現(xiàn)。柴油發(fā)電機(jī)零件數(shù)量多，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，若是使用傳統(tǒng)人工檢測(cè)方式或一般設(shè)備診斷，則無法確保全面精準(zhǔn)的檢測(cè)機(jī)械故障。在此背景下，應(yīng)當(dāng)采取遠(yuǎn)程診斷技術(shù)，利用電信號(hào)中聲場(chǎng)信號(hào)特征檢測(cè)機(jī)械故障，以提高柴油機(jī)機(jī)械故障檢測(cè)效率。本文主要針對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的誤差率高、主觀性強(qiáng)、效率低問題，提出非接觸檢測(cè)技術(shù)。研究過程中，以遠(yuǎn)程診斷技術(shù)為切入點(diǎn)，分析柴油發(fā)電機(jī)機(jī)械故障，并以四沖程柴油發(fā)電機(jī)為例，研究柴油機(jī)機(jī)械故障檢測(cè)中非接觸式技術(shù)操作流程及結(jié)果分析。

 

一、遠(yuǎn)程診斷技術(shù)概述

 

      柴油機(jī)是柴油發(fā)電機(jī)的重要組成部件，其檢測(cè)診斷技術(shù)的有效性和實(shí)用性是保證柴油發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的重要條件，并且對(duì)于提高柴油發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)也具有重要的幫助。維修人員應(yīng)該意識(shí)到柴油發(fā)電機(jī)檢測(cè)技術(shù)對(duì)于柴油機(jī)運(yùn)行的重要性，提升自身的技術(shù)水平與操作能力，全面提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，促進(jìn)柴油發(fā)電機(jī)行業(yè)的發(fā)展。當(dāng)前，柴油發(fā)電機(jī)行業(yè)的飛速發(fā)展，加速了柴油發(fā)電機(jī)使用量的快速增長(zhǎng)，而柴油發(fā)電機(jī)組作為柴油發(fā)電機(jī)的“心臟”，是柴油發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的動(dòng)力源，其質(zhì)量控制至關(guān)重要，但由于柴油發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)構(gòu)成復(fù)雜，涉及成千上萬個(gè)零部件，且其是往復(fù)運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的機(jī)械類型，加之運(yùn)行環(huán)境的差異，其故障發(fā)生不可避免，而傳統(tǒng)的以人工經(jīng)驗(yàn)庭陣法及儀器設(shè)備輔助診斷法為主的故障檢測(cè)方式，受人主觀影響較大，誤差率較高，基于此，本文引入了一種遠(yuǎn)程診斷技術(shù)，通過對(duì)異常信號(hào)特征的提取來診斷柴油機(jī)的故障，以此為柴油發(fā)電機(jī)組診斷創(chuàng)新提供一定的理論參考。

      柴油發(fā)電機(jī)故障檢測(cè)中，遠(yuǎn)程診斷技術(shù)屬于擁有較高智能化與自動(dòng)化水平的技術(shù)，與傳統(tǒng)檢測(cè)方式相比更加精準(zhǔn)便捷。遠(yuǎn)程診斷技術(shù)是基于人工檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行量化改進(jìn)，利用設(shè)備捕捉柴油機(jī)所發(fā)出的聲信號(hào)，以判斷柴油機(jī)故障的技術(shù)形式。目前，隨著信息技術(shù)與電子技術(shù)發(fā)展，智能化與自動(dòng)化技術(shù)融入到多個(gè)領(lǐng)域之中，發(fā)電機(jī)組行業(yè)同樣如此，人工檢測(cè)技術(shù)無法滿足現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求，發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)維修與自動(dòng)技術(shù)相結(jié)合已經(jīng)成為未來發(fā)展主要趨勢(shì)。所以，提出非接觸檢測(cè)技術(shù)，此技術(shù)利用聲學(xué)與光學(xué)原理，可在不與柴油機(jī)接觸前提下對(duì)其進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)檢測(cè)。

      遠(yuǎn)程診斷技術(shù)是一種自動(dòng)化程度高、易操作、檢測(cè)精度高的現(xiàn)代診斷方法，其克服了傳統(tǒng)檢測(cè)方法操作流程復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)、對(duì)技術(shù)人員依賴性高的弊端，其利用人耳對(duì)于響動(dòng)、聲調(diào)、音色及音頻等特有的與聽覺性，來構(gòu)造故障診斷算法中的優(yōu)化準(zhǔn)則和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而通過聲信號(hào)傳感器捕捉的異響來判定柴油發(fā)電機(jī)組故障類型及內(nèi)容。使用遠(yuǎn)程診斷技術(shù)的遠(yuǎn)程診斷分析儀外形如圖1所示，檢測(cè)原理如圖2所示。

      隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，測(cè)量技術(shù)在自動(dòng)化生產(chǎn)、質(zhì)量控制、反求工程及生物醫(yī)學(xué)工程等方面的應(yīng)用日益重要。傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量技術(shù)存在測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、需進(jìn)行補(bǔ)償、不能測(cè)量彈性或脆性材料等局限性，因而不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。非接觸式測(cè)量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的，其測(cè)量基于光學(xué)原理，具有高效率、無破壞性、工作距離大等特點(diǎn)，可以對(duì)物體進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的測(cè)量。此類技術(shù)應(yīng)用在產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)和工藝控制中，可大大節(jié)約生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品的研制周期，大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，因而倍受人們的青睞。隨著各種高性能元器件如CCD、CMOS等的出現(xiàn)，非接觸測(cè)量技術(shù)得到迅猛的發(fā)展。非接觸式測(cè)量不需要與待測(cè)物體接觸，可以遠(yuǎn)距離非破壞性地對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行測(cè)量。

 

圖1  柴油發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)程診斷分析儀

圖2  柴油發(fā)電機(jī)非接觸式故障檢測(cè)原理

 

二、遠(yuǎn)程診斷技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

 

1、遠(yuǎn)程診斷技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

      為了提升柴油發(fā)電機(jī)組故障檢測(cè)的效率、簡(jiǎn)化流程、提升準(zhǔn)確率，本文以模塊柴油發(fā)電機(jī)四沖程柴油機(jī)的異響聲信號(hào)的采集、分析和處理為例，結(jié)合測(cè)試環(huán)境要求分析聲信號(hào)采集傳感器的布置方式，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具體情況如下介紹：

（1）檢測(cè)的柴油發(fā)電機(jī)組工作狀態(tài)

      本文選用的是四沖程柴油發(fā)電機(jī)組，從當(dāng)前實(shí)踐維修檢測(cè)數(shù)據(jù)分析來看，柴油機(jī)異響問題是柴油發(fā)電機(jī)故障中的最常見問題，為此，人為設(shè)置了柴油機(jī)三類機(jī)械異響類型及無故障聲信號(hào)，結(jié)合實(shí)踐對(duì)柴油機(jī)異響進(jìn)行分類。該種類型柴油發(fā)電機(jī)組異響主要分布在前部、機(jī)油底殼部位、氣門挺柱，所占比例高達(dá)79%，因各類型故障噪聲不同，其能夠反映出柴油發(fā)電機(jī)組對(duì)應(yīng)部件的故障，利用噪聲信號(hào)的聲高、強(qiáng)度及頻率等即可獲取各故障類型的聲信號(hào)特征及規(guī)律，進(jìn)而完成柴油發(fā)電機(jī)組故障類型的準(zhǔn)確判別。

（2）檢測(cè)環(huán)境要求

      為從源頭控制柴油發(fā)電機(jī)組質(zhì)量，本文檢測(cè)環(huán)境為生產(chǎn)線，為此聲信號(hào)采集中受氣閥動(dòng)作聲、電流干擾聲及其他設(shè)備運(yùn)行聲干擾，若傳聲器采集距離較遠(yuǎn)則獲取的為混響聲，增加了后續(xù)分析工作量，而布置較近則采集的為直達(dá)聲，檢測(cè)精準(zhǔn)度較高，為此，檢測(cè)中采用“近場(chǎng)測(cè)量法”，傳聲器與柴油機(jī)表面距離較近，為20mm，由此便可提取柴油機(jī)的直達(dá)噪聲信號(hào)，并削減柴油機(jī)反射聲信號(hào)的干擾。

（3）聲信號(hào)采集傳感器布置

      檢測(cè)采用的是加速度傳感器，以柴油機(jī)聲信號(hào)來采集故障異響數(shù)據(jù)，為確保所采集聲信號(hào)的高信噪比、穩(wěn)定性及清晰度，要盡可能與柴油機(jī)保持近距離，以反映其工作狀態(tài)，但又不能影響其正常工作性。

2、非接觸式技術(shù)試驗(yàn)應(yīng)用過程

（1）故障聲信號(hào)試驗(yàn)系統(tǒng)

      為了驗(yàn)證遠(yuǎn)程診斷技術(shù)在柴油發(fā)電機(jī)組故障診斷中的有效性，本文以環(huán)境適用性及抗干擾性強(qiáng)的LMS聲信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及GRAS聲信號(hào)傳感器、dell筆記本電腦及Matlab數(shù)值分析軟件為硬件支撐，構(gòu)建聲信號(hào)試驗(yàn)系統(tǒng)。

（2）故障聲信號(hào)的采集流程

      為確保聲信號(hào)數(shù)據(jù)的可用性及精準(zhǔn)性，其采集應(yīng)該遵循以下流程：

① 試驗(yàn)系統(tǒng)硬件布置，應(yīng)該嚴(yán)格上述試驗(yàn)系統(tǒng)選擇的硬件類型進(jìn)行安裝、數(shù)據(jù)線及連線的布置，以確保硬件安全、有效運(yùn)行。

② LMS聲信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定，在采集柴油機(jī)故障的聲信號(hào)之前，需要對(duì)相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，如傳感器類型確定、靈敏度調(diào)試、采樣頻率設(shè)置、采樣間隔時(shí)間設(shè)定等，結(jié)合故障診斷工程師的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，此次檢測(cè)試驗(yàn)中將采樣頻率設(shè)置為20480Hz、采樣間隔時(shí)間為2s。

③ 柴油機(jī)故障聲信號(hào)采集過程，將冷啟動(dòng)待檢測(cè)的柴油發(fā)電機(jī)組安裝在柴油機(jī)檢測(cè)平臺(tái)架上，而后，由故障檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)豐富的維修工程師，從上述主要故障類型中隨機(jī)進(jìn)行柴油機(jī)故障的設(shè)置，并在上述檢測(cè)環(huán)境下，利用聲信號(hào)采集傳感器進(jìn)行故障信號(hào)的采集，具體的采集步驟為，首先將柴油機(jī)輸出端設(shè)置為空負(fù)荷，將柴油機(jī)啟動(dòng)并將其轉(zhuǎn)速調(diào)整至1500rpm相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)間范圍內(nèi)，固定間隔采集故障聲信號(hào)數(shù)據(jù)，完成檢測(cè)程序后將柴油發(fā)電機(jī)組關(guān)閉。

 

三、故障分析

 

1、機(jī)械故障分析

      柴油發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)包含5個(gè)系統(tǒng)與2個(gè)大結(jié)構(gòu)。柴油機(jī)故障類型也較多，如柴油機(jī)異響，供油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)故障等。隨著現(xiàn)代發(fā)電機(jī)組制造水準(zhǔn)逐漸提高，部分系統(tǒng)可在線監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)，但對(duì)柴油機(jī)機(jī)械故障診斷時(shí)，仍有一定問題需要解決。柴油機(jī)機(jī)械故障通常為異常響動(dòng)，主要有以下幾方面：

（1）連桿軸承，由于連桿軸徑與連桿軸承之間產(chǎn)生較大配合間隙，或螺栓松動(dòng)致使軸徑與軸承碰撞，以至于發(fā)生異常響動(dòng)，汽缸體有顯著振動(dòng)；

（2）孔座與活塞銷之間有較大配合間隙，致使活塞不斷敲擊孔座，導(dǎo)致發(fā)生聲響；

（3）由于曲徑與曲軸軸承之間有較大配合間隙，或螺栓松動(dòng)致使軸徑與軸承碰撞，以至于發(fā)生異常響動(dòng)，汽缸軸承座部位有顯著振動(dòng)；

（4）汽缸漏氣，柴油機(jī)做功中，將會(huì)有高壓氣體途經(jīng)汽缸壁與活塞環(huán)一同進(jìn)入到曲軸箱中，進(jìn)而沖擊油底殼，發(fā)出聲響。柴油機(jī)機(jī)械故障通常是由于磨損造成的，部分故障無法有效分辨，如氣門、附件異常等。

      在檢測(cè)過程中，環(huán)境方面選擇總裝車間生產(chǎn)線，此環(huán)境十分嘈雜，存在各種噪聲干擾與混響聲，對(duì)于診斷結(jié)果可能存在一定影響。所以，可采取進(jìn)廠檢測(cè)法避免雜音與混響聲對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾。此非接觸檢測(cè)技術(shù)傳感器是加速度傳感器，傳感器布置過程中應(yīng)控制與其他柴油機(jī)之間的距離，不僅要保證高信噪比精確度，還要避免對(duì)柴油機(jī)工作造成干擾，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)機(jī)械故障的功能。

2、遠(yuǎn)程診斷分析

（1）操作流程

      為提高遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)準(zhǔn)確性，聲信號(hào)傳感系統(tǒng)選用具有良好抗干擾能力與適應(yīng)性的LMS系統(tǒng)，建立聲信號(hào)分析平臺(tái)。實(shí)際操作中，柴油發(fā)電機(jī)異響收集如下：

① 車間中清除非相關(guān)設(shè)備，盡量減少混響聲與噪音對(duì)此檢測(cè)結(jié)果的影響，但不能影響總裝車間的工作。布置安裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備，連接傳感器與配套分析系統(tǒng)，驗(yàn)證硬件參數(shù)可靠性，以保證其能夠在檢測(cè)中發(fā)揮作用；

② 設(shè)置柴油機(jī)異響聲信號(hào)參數(shù)，在軟件中設(shè)置技術(shù)參數(shù)，校對(duì)傳感器信號(hào)，調(diào)試設(shè)備靈敏度，設(shè)置聲信號(hào)采樣時(shí)間及采樣頻率間隔，依據(jù)維修經(jīng)驗(yàn)，聲信號(hào)頻率為20250 Hz，時(shí)間間隔設(shè)置為1.5s；

③ 需要檢測(cè)的柴油機(jī)，將其放在設(shè)備檢測(cè)平臺(tái)中，此過程盡量保持冷啟動(dòng)，之后專業(yè)機(jī)修室設(shè)置柴油機(jī)可能發(fā)生的故障問題，模擬人工檢測(cè)流程，并在總裝車間中收集聲信號(hào)，定時(shí)做好聲信號(hào)數(shù)據(jù)反饋，依據(jù)數(shù)據(jù)整合分析柴油機(jī)故障情況。

（2）結(jié)果分析

① 正常發(fā)動(dòng)機(jī)

      正常柴油機(jī)測(cè)試結(jié)果，所收集的聲信號(hào)利用小波進(jìn)行過濾，濾波后聲信號(hào)細(xì)節(jié)系數(shù)中一三四尺度均為0，而二和五尺度則有保留數(shù)據(jù)。表明柴油機(jī)信號(hào)收集中存在雜音，第一三四持續(xù)中十分顯著。聲信號(hào)向極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，信號(hào)均有雪花狀，且經(jīng)過濾波前后對(duì)比，區(qū)分顯著，證明鏡像圖中能夠有效分離有用信號(hào)。

② 氣門異常

      氣門異常柴油機(jī)通常發(fā)出噠噠的清脆聲響，由凸輪軸一側(cè)發(fā)生，尤其是柴油機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)聲音更加顯著，中速以上則明顯減弱。主要是由于導(dǎo)孔與挺桿存在較大圓度偏差，且挺柱球發(fā)生變形，進(jìn)而造成挺柱運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活。經(jīng)過遠(yuǎn)程診斷后，在小波濾波前后其氣門挺柱異常情況相較于正常柴油機(jī)存在明顯差異，通過收集聲信號(hào)，時(shí)域圖中可通過視覺掌握周期特點(diǎn)，小波后并未影響信號(hào)周期性，前三個(gè)尺度存在顯著聲信號(hào)周期性。

③ 油底殼異常

      柴油機(jī)在出現(xiàn)油底殼異常響動(dòng)后，其并無顯著特點(diǎn)，因此在與正常柴油機(jī)相比較中無法及時(shí)獲得檢測(cè)結(jié)果。但是，利用遠(yuǎn)程診斷技術(shù)，在細(xì)節(jié)系數(shù)圖中，能夠明顯觀察到三四五尺度信號(hào)發(fā)生顯著變化，此處聲信號(hào)存在顯著周期性特點(diǎn)。由此可知，檢測(cè)柴油機(jī)油底殼聲信號(hào)異常的濾波后，能夠明顯將自身周期性特點(diǎn)提高。因此，小波濾波可提升油底殼聲信號(hào)，每個(gè)尺度中均有相應(yīng)數(shù)據(jù)，表明相較于正常柴油機(jī)，油底殼異常響聲較多。

④ 前部異常

      柴油機(jī)前部異常中時(shí)域信號(hào)穩(wěn)定，無顯著特點(diǎn)，在小波變換中，信號(hào)存在明顯波動(dòng)，但并不屬于完全定值。而在細(xì)節(jié)系數(shù)三尺度內(nèi)，聲信號(hào)存在周期性脈沖的特點(diǎn)。

 

總結(jié)：

      綜上所述，在柴油發(fā)電機(jī)故障檢測(cè)中，采取遠(yuǎn)程診斷技術(shù)，通過智能化與自動(dòng)化方式，在不接觸物體的同時(shí)檢測(cè)其中是否存在故障，不僅能夠有效提高診斷全面性與精確性，還不會(huì)對(duì)物體造成較大影響，具有適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，因而可在柴油發(fā)電機(jī)機(jī)械故障檢測(cè)中推廣此技術(shù)，以推動(dòng)發(fā)電機(jī)組行業(yè)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展。

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