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1、柴油机技术向生产力转化的策略研究屁议狮2000年第1期(总第66期)山东内燃机SHANDONGI-c.E.200睥I2月【试验研究】一e柴油机CMFD技术向生产力转化的策略研究墅吴图胜祁林王令金(济南柴油机股份公司)弋摘要本文在简要介绍柴油机状态监测和故障诊断(CMFD)究现状的基础上以袅油机使用中各种故障因素对动力性,经济性以厦排放和可靠性的影响.从现有实际可用的监测技术出发?提出7对柴油机性能进行现场实用性诊断的可行策略.1引言2柴油机CMFD研究现状柴油机是机动车辆机动工程设备,农机,轮船和军事装备等的心脏,保证其良好的工作状态对维护其整体工作效率是至关重要的状态监测和故障诊断(CMFD
2、)是确保柴油机良好工作状态的一种很有效的措施.其工业实用意义主要是:通过性能评价为产品的优化设计,正确制造提供数据和信息;保障设备发挥最大设计能力,物尽其用;保证设备无故障安全可靠运行;能及时正确地对各种异常故障作出诊断.指导必要的干预(包括控制,调整,维修,治理及继续监视).有关它的研究在其实施中所涉及的主要知识领域有:1.检测方法:声,光,电,热等;2.信号处理:数采,滤波,保相,提纯等;3.识别理论:数模分析,建模理论等;d.预测技术概率预测,灰箱预测等;5.计算机:软件应用,编制,硬件组装,调试;6.所监测对象的专业柴油机做为一种复杂的热力往复发动机,以其使用范围的广泛性和工作过程的特
3、殊性而成为当前世界故障诊断与状态监测研究的热点和难点.当前的有关研究主要体现在以下几个方面:1.润滑油监测研究主要是针对润滑系统在用油的监测,包括:(1)理化性能指标的监测,如黏度,水分,酸值,碱值等.常用的仪器有振荡球式黏度计,便携式综合油料分析仪等;(2)污染度的监测控制润滑油的污染度,监测滤清器的效用较为方便的仪器是dcA便携式油掖污染监测仪l(3)磨粒的铁谱分析.利用分析式铁谱仪,旋转式铁谱仪,直读式铁谱仪.通过监测磨粒的大小,形状和数量为故障诊断提供依据;(4)润滑油光谱分析.可快速而有效地对柴油机磨损部位及磨损趋势做出诊断.对油品的污染和变质劣化做出分析.上述各方面分析技术的综合应
4、用,可弗补一种方法的不足和误测,误判,系统全面2000年第4期高诚等:柴油机CMFD技术向生产力转化的策略研究地监测柴油机润滑系统的状况,及各关键运动零件的状况,并可以给出主要摩擦副的磨损过程发展的趋势.实践已经表明,油料分析监测可以及时发现失效的征兆,有效防止故障的发生,从而保证柴油机的正常运转.2.振动噪声监测研究这是内燃机监测研究的难点和热点,目前国内外的研究主要集中在理论探索和方法试验方面,其有待解决的问题主要是:(1)咀柴油机主要激励源识别为目的的振声传播与分离技术的研究(2)以随机过程基本原理为手段的柴油机周期参数识别与诊断;(3)阻非常规的时变信号处理及现代谱分析为手段的柴油机瞬
5、变波形分析与诊断.3.性能参数监测研究柴油机性能参数监测,主要是指现场原位条件下的不解体快速监测,这一方面的实用性研究主要体现于以下几项技术的应用和完善:(1)阻监测整机动力性为目的的无外载测功技术研究(2)以系统故障定性分辨为主要目的的瞬时转速检测分析技术研究;(3)为燃油供给系统故障定位的现场排查技术;(4)常规稳态参量的现场检测技术.4.监测仪器的研制单项功能检测仪,综合性检测仪,智能型诊断系统等.许多研究人员和制造商都在密切关注各种柴油机状态监测和故障诊断方法及检测仪器,系统的发展.为满足技术的发展和更严格的环境法规的需要.就必须发展更有效,更可靠,更耐用和更经济的柴油机状态监测和故障
6、诊断仪器和系统.这也是将CMFD技术向生产力转化的必须条件.3柴油机常见故障及其对性能的影响有效的柴油机状态监测和故障诊断方法基于尽可能多的对柴油机工作过程和故障机理的了解.下图所示是柴油机工作的基本框图:田1柴油机工作基本框图除人为和环境因素外,柴油机使用中常喷油正时不当见的故障如下所示:喷油器通道/喷孔堵塞燃油系统故障:喷油阀泄漏山东内燃机喷嘴上有积碳燃油滤清器阻塞各缸供油不平衡喷油压力过低或过高燃烧系统故障:活塞,环,气缸套磨损或失效失火压缩失效进,排气阀门泄漏气门粘滞/烧损阀门杆密封破损进,排气系统故障:涡轮增压器失效空气滤清器或排气消音器堵塞中冷器堵塞进,排气管泄漏冷却系统故障:冷却
7、流动不适冷却温度不当润滑系统故障:油压不当润滑油变质润滑温度高曲柄连杆机构:柴油机磨擦阻力高零件之间撞击而产生的机械噪声机身:外观泄漏(喷油系统,润滑系统和空气阀中都可能有泄漏)固有缺陷其它问题:燃油污染或进水,有气劣质柴油燃烧噪声机械噪声进,排气噪声上述故障对整机性能影响如下表所示:表l柴油机故障对其整机性能影响动力性经济性排放可靠性燃油系统燃烧系统进,排气系统冷却系统润滑系统曲柄连杆机掏机身其它ll口1题4基于柴油机性能参数现场监测技术的实用策略由上所述显见,动力性是决定柴油机使用目的的主要技术指标,因而在正常使用过程中,柴油机能否发出应有的动力,实际上就成为决定其是否需要维修或更换的重要
8、依据,也是柴油机主要子系统故障的综台反映.因此可以说,在现场原位条件下准确测定柴油机的实际功率并准确地指出导致其下降的原因,就是柴油机现场性能参数监测需要解决的主要问题.在目前振声监测技术尚不成熟以及磨损残留物监测反应慢,周期长的情况下干9用柴油机现场性能参数检测的各种技术,可以实现柴油机工作状态的现场快速诊断.其主要步骤是:l_利用无外载测功技术现场快速测定柴油机的动力性这是一种原位无负荷动力检测技术,现已成功地应用于车用发动机的功率检测,它可以使用户在现场直接了解到发动机的最大潜在功率.目前该项技术的发展已有望使用户通过一次简单的测试就能知道柴油机在不同转速时的输出扭矩和输出功率.2.利用
9、瞬时转速测量快速测定单缸动2000年第4期高诚等:柴油机CMFD技术向生产力转化的策略研究力性柴油机的输出扭矩和输出功率不能满足需要时,首先应检查各缸工作均匀性,田为任意子系统的故障都会在单缸动力性上反映出来.应用柴油机瞬时转速检测分析技术.可以在柴油机工作状态下方便准确地判别出是哪个缸的动力性受到了影响.3.利用空转转速波动测量快速诊断单缸密封性从系统工程的观点出发,柴油机做为一总系统,当某方面性能变坏时必然是某个关系最大的子系统出现了故障.就其动力性而言,影响它的子系统主要有三个:燃烧系统,燃油供给系统和进排气系统.在单缸动力性检测确定了故障缸之后,就可以进一步检测是哪个子系统出现了问题.
10、利用空转转速波动测量可以首先快速检查故障缸的密封性是否有问题.4.燃油供给系统故障排查技术就柴油机的易发性故障而言.与配气系统相比,燃油供给系统的故障一是发生率较高,二是查找困难.动态信号分析方法的研究和夹持式传感器的应用使得燃油供给系统的故障排查变得简单方便配合上述第三项检查.可以现场快速诊断出燃油系统的故障.将上述研究内容汇总为柴油机性能监测系统,其检测流程如图所示:图2柴油机性能参数检测流程图5基于基础研究成果及相应仪器开发的系统发展策略柴油机CMFD技术的研究面大,量广.本着立足实用,放眼未来,长远规划,分段实施的原则,目前的工作重点基本上还是应以粗仿型的实际应用为目标,先期尽快完成具
11、有一定监测功能的实用仪器研制和柴油机的部分监测参数的诊断标准制定,并在成熟异缸雎缩压力榆测并缸排温检测燃油系统检测漏气检测进排气系统检测冷却系统检测润滑系统检测之后立即开展柴油机其它方面的现场监测方法的应用研究,并逐一制定出其它品种的诊断标准继而开发以微机为中心,配以数据采集接口箱和不同功用的传感器的综合状态监测和故障诊断系统.半别对振声,油管压力及瞬时转速等动态信号运用非平稳信号处理及随机点过程方法进行,使其信号检测及参数处理能力大大加强其中:1.瞬时转速分析中通过柴油机瞬时角山东内燃机2000年12月速度(t)和瞬时角加速度(do/dt)的检测计量,给出柴油机一个工作循环(即四冲程机720
12、.CA)内的工作状态,起动和加速状态以及拖动状态的实际现状并绘制出柴油机外特性扭矩曲线及功率曲线2.柴油机油管压力波形特征分析可以利用现场的夹持式传感器,确定启喷压力,最高压力,落座压力,残余压力以及喷油持续期等参数值;3.通过柴油机振声信号的检测和预处理并进行柴油机振声特性的AR建模分析,建立起柴油机工作状态运动部件的振声特征模型#4.在上述研究的基础上.研制开发柴油机CMFD系统.该系统除具备信号采集和识别功能外,还应具有智能判断,预报和自学习功能,可对柴油机_做综合性智能诊断,是较为理想的诊断系统,其进一步发展是过渡到专家系统.在上述整个策略的实施过程中,随着有关仪器应用市场的开发,CM
13、FD技术也必将随之为越来越多的企事业单位应用,并在其过程中转化为推动社会科技进步的生产力参考文献l屈粱生等.机械故障诊断学.上海科技出版社,l9862雷继尧等,机械故障谚断基础知识西安交通大学出版社,19893N.B.Jones,eta1.AReviewonConditionMonitoringandFaultDiagnosmforDieselEngines.ConditionMonitoring,97/Xian4李柱国.柴油机工况监覆l与红外光谱技术.第十届垒国大功率柴油机学术年会论文集,19975ZhangX.H.cta1MonitoringEngineServiceConditionth
14、roughS口ectrDgraphicAnalysisofMetallicElementsinLubricatingOil.18thCIMAC/Ttanjin(1989)6R.H.李昂.机器噪声和诊断学.科学出版杜,lg8g7驮遵敏等.关于柴油机振声特点及动态诊断方法的研究与讨论.内燃机+1995,13(2)8王海等,柴油机振声监覆l新思维及实用技术研究与讨论中国内燃机学会第二届青年学术年会论文集.9710409张兴华等,表征内燃机不同特征的监测技术研究山东内燃机,1998.31O耿遵敏等,太,中型柴油机诊断的实用途径与策略征订启事为方便广大订户起见,本杂志已参加全国非邮发报刊联合征订活动?请订户参阅全国非邮发报刊联台征订目录,及时订阅.如不方便,也可继续向本杂志编辑部索取订单订阅.山东内燃机编辑部二000年+-jq+日
