基于瞬時轉速的內燃機故障診斷及其方法分析

左莎莎

摘要：內燃機瞬時轉速中包含了很多與內燃機燃燒和機械運行狀態相關的信息，在其診斷和燃燒影響因素的研究中有重要作用，內燃機結構復雜，瞬時轉速的信息提取難度較大，需要對故障診斷方法進行不斷革新，才能確保內燃機的正常運行。文章主要就瞬時轉速的內燃機故障診斷及方法進行了研究。

關鍵詞：瞬時轉速;內燃機;故障診斷;方法

中圖分類號：TK42+8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0176-02

0? 引言

工業生產發展中，機械設備占據著重要的地位，其運行狀態影響到企業的生產效率和產品質量，一些重要的設備關系到企業的命運，如果出現故障會帶來巨大的經濟損失和社會影響。經濟社會的不斷發展，機械設備的功能不斷完善，設備結構越來越復雜化、自動化，零部件數量不斷增多，機械發生故障的可能性和故障的種類更多。因機械設備故障帶來嚴重后果的現象較多，對現代化設備來講，通過結構設計的改善，工藝技術的提升，改善整體機械產品的質量，同時還需要借助現代科學技術對設備運行狀態進行檢測，做好故障預防工作，才能確保設備正常運行。常見的診斷方法中存在安裝不便、價格較高等問題，內燃機瞬時轉速能反映機械設備的平穩度，內燃機的扭矩等，在實際研究中具有重要意義。

1? 瞬時轉速法概述

工業生產發展中，內燃機故障診斷一直備受關注，國內外加大了研究力度，在內燃機狀態檢測、診斷技術和方法等方面做了大量的研究工作，且在合計應用中取得了良好的效果，當前內燃機故障診斷方法中，主要包括振動檢測法、油液分析法、瞬時轉速法等方法[1]。

內燃機屬于往復式的機械，在運行狀態下，瞬時轉速存在規律性，對其分析可以了解內燃機的工作狀態信息，對內燃機的故障診斷和運行維護有重要的作用，如應用于內燃機失火、不同缸燃燒差異、失火監測等方面的診斷監測中有重要作用，且在實踐中得到了推廣。瞬時轉速分析法的應用中信號測取相對比較容易，且故障判斷具有較強的通用性，在各缸不平衡表征的故障診斷中適用性較強。

近年來，電子技術、檢測技術及計算機信息技術的發展，給內燃機監測、故障診斷等提供了新的技術，且技術不斷完善發展，朝著智能化和自動化方向發展。瞬時轉速測量操作簡單，可靠性強，能實現非接觸測量和成本較低，使用壽命較長等優勢，能利用多缸機不同工作狀態下的瞬時轉速波動特征比較分析，對故障進行診斷，判斷依據具有良好的可移植性，因此借助瞬時轉速對內燃機的運行進行狀態檢測和故障診斷具有良好的應用前景[2]。

2? 內燃機的故障分析及診斷標準選取的可行性

2.1 故障分析? 實際運行中，內燃機的故障種類較多，主要集中在噴油設備及系統故障，燃油泄漏、調速器等故障，這些故障一旦發生，都會對內燃機的熱力循環狀態產生影響，大大降低內燃機的動力性能，導致內燃機無法正常運行。瞬時轉速中蘊含豐富的信息，發動機瞬時轉速波動和氣缸一一對應，波動信息反映出氣缸的工作狀態，影響發動機熱爐循環的故障能通過瞬時轉速信號進行反映。

其一是噴油設備及系統故障。常見的如軸針和噴孔出現磨損，或者是針閥密封錐面和座面出現磨損，噴油嘴偶件阻塞，堵塞或者是腐蝕、損傷等問題出現，噴油設備出現問題，導致整噴油系統出現故障。其二是氣閥機構故障。如果氣閥和閥座的配合部件出現磨損，間隙超出合理范圍，出現氣閥桿彎曲變形等，容易出現故障。其三是調速器故障。如果各零部件出現損傷或者是間隙過大，會影響到整個調速器的靈敏度，導致轉速出現波動，影響其整個性能。

2.2 診斷標準選取的可行性? 內燃機的轉速綜合反映出的是機械的工作狀態和工作質量，對內燃機瞬時轉速的分析，主要是人們越來越重視內燃機過渡過程的研究，需要測量整個過程中內燃機轉速的變化，同時，內燃機安全穩定運行時，其平均速度并非是不變的，但是瞬時速度仍然是多變的，內燃機每一轉動中，轉速是波動變化的，具有周期性波動的瞬時轉速，包含了運轉中多方面的信息，反映出各缸工作的細節，包括燃燒均勻性、充分性等，是檢測氣缸動力性、壓縮性等重要參考。瞬時轉速應用廣泛，如發動機無外載加速測功，電控噴油、扭矩測量及發動機故障診斷等，其在內燃機故障診斷中的應用最突出[3]。

3? 瞬時轉速的測量分析

3.1 測量方法? 內燃機是瞬時轉速，主要是指某一微小時間間隔，或者是曲軸轉角的平均轉速，具體的測量方法有兩種，一種是通過電渦流傳感器、磁電傳感器，對傳感器和內燃機齒圈的位移信號進行測量，將位移信號轉換為方波信號，并借助高頻時鐘計數器，獲得方波周期;另一種是直接時域采樣，借助軟件計數，獲得采用信號周期。利用高頻時鐘計數的瞬時轉速測量，具體過程如圖1所示，齒圈轉動時，信號可以看做是正弦波，且不同的正弦波都會對應不同的齒，通過帶通濾波對信號進行放大最終獲得方波，利用高頻時鐘計數器，得到不同齒轉動時間，將防波信號臨近的脈沖之間技術值差設置為K，齒圈總齒數為Z，計數時鐘周期T（s），瞬時轉速w（rad/s）或n（r/min）的計算公式為：

第二種測量方法具體的過程與第一種類似，但是不需要整形電路、高頻計數時鐘，而是采用A/D板代替，如果直接采樣齒位移信號與正弦波近似，且不同的正弦波分別有對應的齒，具體過程如圖2所示，計算公式與第一種計算公式類似。

3.2 測量誤差分析? 在瞬時轉速測量中，誤差主要體現在計數值誤差，齒誤差和計數時鐘誤差三個方面，因此可知，測量誤差和轉速、齒數以及計數周期有很大關聯，如果將轉速看做是被測量值，可以采取減少齒數和時鐘周期，提升測量的準確度，但是齒數的減少需要控制在合理的范圍，如果減小過多，瞬時轉速成為循環和平均轉速，測量也就毫無價值[4]。研究顯示，并不代表齒數越多越好，一般來講，齒數相對較多的齒圈，在瞬時轉速獲取中會存在較大的噪聲，可以選用沒齒占2-3℃A為宜[5]。在實際運行中，軸扭振、齒圈安裝的誤差等都會影響誤差。

4? 瞬時轉速在內燃機故障診斷中的應用分析

4.1 特征參數的選取? 在不同的研究中，對瞬時轉速波形特征參數選取和定義存在差異，借助瞬時轉速，要求參數的選取與設備故障發生時有明顯的差別，從而更好地判斷設備的運行狀態。故障特征參數的選取中，數據要盡量少，且采用相對簡單的提取方法，能對不同類型的故障進行很好地區分。在故障特征參數的選取中，可以借助仿真計算方法，理論分析中得到氣缸壓力降低時的瞬時轉速波形，并與正常波形進行對比分析，指導故障特征參數的建立[6]。通過內燃機的瞬時轉速取代爆壓表，對氣缸內氣體壓力等故障進行檢測是可行的，具有較高的靈敏性，瞬時轉速的特征參數可以對漏油、氣門漏氣等故障進行判斷，且利用瞬時轉速也能比較容易判斷內燃機的狀態，在具體應用中還需要對漏氣、漏油等更多故障類型加以研究，提升其狀態檢測和故障診斷技術。

其一是燃油系統漏油故障診斷。一般來講，高負荷工作時，循環噴油量相對較大，且噴油時間段，故障缸與正常缸的扭矩差值相對較大，波形幅度變化大。具體操作是將漏油時瞬時轉速信號頻譜，與系統正常工作時的瞬時轉速信號和頻譜的波形加以比較，分別分析不同故障特征參數的變化。其優點主要是可進行橫向比較，不需要積累正常運行狀態下的原始數據，可移植性較好。

其二是漏氣故障診斷。高溫高壓氣體會加劇氣門閥面的吹蝕，故障出現較多，借助瞬時轉速，能盡早解決閥門輕微漏氣問題，從而減少損失。為區分漏油故障和漏氣故障的區別，可以對排氣管支管的溫度進行測量，如果噴油量不足，支管的溫度相對較低，漏氣情況下支管溫度則相對更高[7]。

4.2 瞬時轉速診斷模型法和瞬時轉速波形分析法? 其一是瞬時轉速診斷模型法。根據曲軸飛輪系統的動力學理論，對內燃機進行瞬時轉速診斷，得到對應的扭矩平衡方程式，獲取對應的模型，并將模型當做信息系統，通過假設分析法獲得不同氣缸壓力與瞬時轉速的關系，通過低階諧波分量，對不同氣缸氣體力扭矩不均勻度進行判斷，從而診斷和識別內燃機失火、工作不均勻等故障。預制類似的還包括加速度搏動指數等，對內燃機工作狀況進行判斷。

其二是瞬時轉速波形分析法。均勻發火的N缸機的一個循環中，其瞬時轉速會有N次明顯波動，在內燃機正常運行狀態下，波動間隔和振幅差異不大，但是如果其中部分氣缸出現故障，瞬時轉速會受到影響，在波形上會得以體現，從這些波動定量中描述影響，是診斷的關鍵所在，這種方法是直接分析影響轉速相關的瞬時波形信號，從而提取其中故障敏感的特征參數，對故障加以判斷，其中包括瞬時轉速、角速度和角加速度等。因內燃機的工作環境相對比較復雜，且為了實現在線診斷，一般選擇故障特征相對比較明顯的參數作為其特征參數，確保診斷精確度較高的前提下，減少特征參數的數量，多次進行仿真計算和實驗，這種方法多應用于對氣門漏氣故障的診斷。

這兩種方法在應用中各有優缺點，牽著可靠性相對較高，但是結構參數涉及到復雜的動力學模型，計算量較大，后者的計算量相對較小，通用性強，但是特征參數的敏感度不同，會影響到診斷的準確性。

5? 結語

綜上所述，基于瞬時轉速的內燃機故障診斷方法有良好的應用前景，在實際應用中要重視對其研究。

參考文獻：

[1]王江月.內燃機機械維修中常見問題及控制措施探討[J].內燃機與配件，2021（04）：115-116.

[2]張波，韓光譜，馮丞科，龔偉，周仁.基于特征相關分析的內燃機故障診斷方法[J].機械工程與自動化，2020（05）：128-129，132.

[3]邱效果，劉永強.內燃機智能故障診斷系統的研究及應用芻議[J].內燃機與配件，2020（15）：53-54.

[4]蔡艷平，徐光華，張恒，范宇，李艾華.基于內燃機振動信號的可視化識別診斷[J].振動與沖擊，2019，38（24）：150-157.

[5]楊波.內燃機高原排放質量評價及故障診斷研究[D].昆明理工大學，2019.

[6]王海瀾.基于故障樹的天然氣發動機故障診斷專家系統設計[J].電子技術與軟件工程，2019（05）：29-30.

[7]蘆詩文，劉吉晨.內燃機車故障診斷專家系統的設計[J].內燃機與配件，2018（04）：165-166.