柴油机PT燃油系统信号采集与分析系统及其故障诊断

© 2013王新军，蔡艳萍，林旭泽.由爱思唯尔公司出版信息工程研究院负责评选和同行评议可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectIERI Procedia 7（2014）84 - 892013年应用计算、计算机科学与计算机工程国际会议基于燃油压力王新军 *，蔡艳萍，林旭泽Xi摘要为了解决柴油机PT燃油系统无法现场维修的问题，研制了一种便携式柴油机PT燃油系统信号采集与分析系统。首先分析了PT泵的工作原理，分析了PT泵故障原因与故障现象的映射关系;其次分析了柴油机PT泵故障时燃油压力的特征;最后利用便携式信号采集分析系统对柴油机PT燃油系统进行诊断，实验结果表明该系统能够正确检测柴油机PT燃油系统的状态。© 2014作者。由爱思唯尔公司出版 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：柴油机;燃油系统;燃油压力; PT泵;故障诊断1. 介绍PT燃油系统由于结构简单、喷油压力高，广泛应用于康明斯10 L以上柴油机，如各种移动电站、船舶电站[1-2]。但PT燃油系统由于其特定的结构设计和工作过程，容易发生突发性故障，其故障类型和位置难以判断[3-4]。此外，柴油机机组故障率导致* 通讯作者。联系电话：+86 02984741102。邮箱：caiyanping502@163.com2212-6678 © 2014作者由爱思唯尔公司出版 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究所负责的选择和同行评审Xin-jun Wang等/ IERI Procedia 7（2014）8485直接来自PT燃油系统的性能变化高达60%以上[5]，一旦发生故障，柴油机目前，反映柴油机燃油系统状态的三种常用信号是油管压力、缸盖振动和瞬时转速信号。而PT燃油系统在结构和工作原理上与传统的柱塞式燃油系统完全不同，基于上述方法的柱塞式燃油系统诊断方法得到了较好的应用，但不再适用于PT燃油系统。针对柴油机现场维修问题，开发了一套便携式柴油机PT燃油系统信号采集分析系统，并对柴油机PT泵燃油压力特性进行了分析，为实现PT泵故障的现场维修奠定了技术基础。2. PT泵信号采集系统PT燃油系统由燃油箱、浮子箱、滤清器、调速器、PT燃油泵、喷油器及低压管路和回油管组成。工作时，PT燃油泵负责机油调节，PT喷油器完成产生高压和定时喷油的任务。PT燃油泵提供低压燃油，高压燃油只存在于喷油器中。由于没有高压油管，燃油不易泄漏，保证了PT燃油系统的密封性。各种部件的连接如图1所示。图1. PT燃油系统组成及连接PT泵信号采集系统包括压力传感器、放大器、转速传感器和信号采集仪。低压油压力约为0.8~2.1Mpa，采用瑞士KISTLER生产的4045 A20传感器和4618 A0放大器测量。该传感器的测量范围为0~ 3 MPa，输出放大范围约为0~ 10 V，放大倍数为5倍。信号采集仪采用北京东方振动噪声研究所研制的DASP系统。传感器的具体安装位置如图2所示。图2.传感器特定安装位置图3是上死点标记示意图。校准时，皮带轮上的1- 6 TC标记与齿轮盖形成的标记相吻合，此时1缸和6缸处于上死点位置。A点为1缸、6缸作功行程90°指示标记，B点为2缸、5缸作功行程90°指示标记，C点为3缸、4缸作功行程90°指示标记。反光纸贴在A点上。86Xin-jun Wang等/ IERI Procedia 7（2014）84图3.上死点标志示意图采集系统硬件连接图如图4所示。信号的传递方向为：油管压力信号经串联在柴油机低压油管上的传感器4045A20转换成电压信号，再经放大器4618A0放大后输入DASP信号采集仪，最后由计算机完成信号的处理、去噪、特征提取和故障模式的判断。图4.采集系统3. 实验设计试验柴油机型号为康明斯NTA 855-G1，点火顺序为1-5-3-6-2-4，额定功率为200 kW。可设置的转速有怠速（900 r/min）和额定转速（1500 r/min）。可设置的负荷有空载、60kW、120kW和200kW四种。在实验中，由于缺乏压力信号的频率分布的先验知识，较大的采样频率取为25.6 kHz。每个故障采集不同转速、不同负载组的20个低压共轨液压信号，采样时间为3s。由于故障会影响系统的负荷能力，最大负荷只能增加到120kW，一定的故障会随转速和负荷波动。为了便于分析油管故障对压力波形的影响，考虑油管故障的重复性、设置的可行性、无损性和经济性，对6种状态进行了实验模拟。每种故障设置方法及其缩写见表1。表1.各种故障设置方法系统状态设置方法缩写正常状态系统正常工作，无故障正常注射器堵塞更换1缸喷油器缺缸注射器密封坏了2个气缸密封圈失效的更换损坏EFC执行器兼容性控制EFC执行器打开僵硬作风油管堵塞安装了防磁过滤器堵塞复合破坏1缸喷油器堵塞，第二环断裂复合材料柴油机低压油路放大器4618A0DASP多通道数据采集系统计算机传感器4045A20Xin-jun Wang等/ IERI Procedia 7（2014）84874. PT泵故障燃油压力特性分析4.1. 时域分析转速越高，负荷越大，故障引起的压力变化也就越明显。有些故障负荷不能加到200kW中，因此选择在额定转速和120kW负荷下对信号进行分析。实验柴油机NTA 855-G1供油提前角为19°，在1缸和6缸作功行程90°指示标记处贴上反光纸，A点标记在该处。柴油机曲轴旋转两圈完成一个工作循环，在此期间，转速传感器在0.08s内接收到两个脉冲，转速为1500 r/min。截取实验中采集到的各种故障信号，分析每个工作周期的压力变化，截取两个工作周期分析压力波动的周期性。不同故障下的转速不同，因此在一个工作循环中，每个故障持续的时间也不同。正常信号的时域波形如图5所示。5432100.010.020.030.040.050.060.07零点零八(a) t/s5432100.020.04零点零六0.080.10.120.140.16个单位(b) t/s图5.正常信号时域波形缺失气缸信号的时域波形如图6所示。根据转速信号，一个工作周期为0.08s。从图6（b）可以看出，压力波形具有明显的周期性。与正常信号相比，缺缸信号的幅值较大。比较正常信号和缺缸信号在一个工作周期内的时域波形，发现正常信号在0.07 s ~ 0.08 s之间有一个明显的极小值，而缺缸信号则没有出现。对于1缸堵塞，时域波形与正常信号有很大不同。642000.010.020.030.040.050.060.07零点零八(a) t/s642000.020.040.06零点零八0.10.120.140.16个单位(b) t/s图6.缺缸信号U/VU/VU/VU/V88Xin-jun Wang等/ IERI Procedia 7（2014）84EFC作动器灵敏度信号的时域波形如图7所示。根据速度信号，一个工作周期为0.0803s。对于给定的120 kW负荷，实测负荷为117 kW，转速为1494 r/min，由于执行机构轴未完全打开，影响了系统的负荷能力。当负载为200 kW时，实际测得的负载只有155 kW，转速为1362 r/min，此时EFC执行器的可调性对系统的负载能力有着严重的影响。5432100.010.020.030.040.050.060.070.080.09个单位(a) t/s5432100.020.040.060.080.10.120.140.16零点一八(b) t/s图7. EFC可扩展性信号油路堵塞信号的时域波形如图8所示。根据速度信号，一个工作周期为0.08s。从波形的角度来看，与正常信号相比，油管堵塞信号的波形变化更为复杂。从图8（a）中可以看出6个最小压力，从图8（b）中也可以发现表观周期性。5432100.010.02个单位0.030.040.050.06零 点 零七0.08(a) t/s5432100.020.04个单位0.080.1 0.120.140.16个单位(b) t/s图8.油管堵塞信号4.2. 故障信号频域分析通过傅立叶变换可以得到各个故障信号的频率分布。由于所有信号的频率都不超过2000 Hz，因此我们取每个故障信号0~ 2000 Hz频带内的频域分布，如图9所示。在图9中，（a）是正常信号;（b）是复合信号;（c）是缺缸信号;（d）是EFC致动器可操纵性信号;（e）是喷射器密封环破裂信号;（f）是油管堵塞信号。可以看出，信号的能量主要集中在0~ 1000 Hz的频段。因此，通过分析频带内频率分布的变化，可以提取信号中所包含的故障特征。U/VU/VU/VU/VXin-jun Wang等/ IERI Procedia 7（2014）8489图9.故障信号频率分布5. 结论本文从时域和频域分析了故障原因与各故障现象之间的联系。从信号的频率分布可以看出，当燃油压力为低频信号时，故障频率的幅值变化主要集中在0~ 1000 Hz的频带内。不同故障的频率分布差异很大，从频域上区分故障模式是可行的。确认本文的研究得到了国家自然科学基金（61201449）和陕西省自然科学基金（2013JQ8023）的资助。引用[1] 张春润，马宏文，赵劲松，基于振动强度的柴油机喷油系统断油故障检测方法[J].装甲兵工程大学，2008，22（4）：62-63.[2] 王文，王文，等.柴油机燃烧噪声与活塞拍击声的分离--第一部分：循环维纳滤波在柴油机燃烧噪声与活塞拍击声分离中的应用[J].机械系统与信号处理，2005，19[3] 放大图片作者：Liu XH，Randall R.内燃机活塞拍击振动信号的盲源分离[J].机械系统与信号处理，2005，19[4] 孙云岭，朴阿哲，张永祥。基于瞬时转速和双谱的内燃机故障诊断研究[J]。CSICE，2004，22（3）：241-244.[5] 刘彦斌，刘建民，乔新勇，等。基于振动信号的柴油机供油提前角检测仪的研究[J]。CSICE，2007，25（6）：565-568.