自动补偿器阀门间隙诊断在内燃机中使用振动信号外文翻译资料

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自动补偿器阀门间隙诊断在内燃机中使用振动信号

摘要

内燃机的动态发展，需要根据技术条件的了解，采取有关这些驾驶单元的运行使用的策略。 技术条件评估属于技术诊断任务。本文介绍了内燃机活塞阀间隙自动补偿器振动诊断问题的分析。科学实验重点是提供创建（并且验证）诊断模型所需的信息，从而能够评估内燃机的这些元素的技术条件，这些要素考虑到这里进行和描述的有效性和耐久性。在制定诊断的基础上模型，评估自动阀门间隙的补偿器技术条件的算法的被创建。

1、介绍

燃烧活塞发动机通常用于驾驶不同的机动车辆和固定设备。他们和所有其他装置一样。

因为燃料能量转换为旋转曲轴的机械能，所以 他们很容易穿和老化。发动机的耐用性由其设计特性决定，在很大程度上取决于操作使用条件和使用种类。受同时进行的逐步建设降级的过程（可变温度，摩擦学过程，气蚀，化学和电气腐蚀，老化等）的影响，可靠性和效率的参数会越来越差。因此，由于经济原因或任何其他（例如生态）一些元的影响，在操作使用之外考虑受损对象的破坏及其排除。纵观燃烧发动机的历史，我们注意到调节参数的正确设置是影响这些发动机正常工作的主要问题之一。发动机结构的劣化以及调整好的调节参数可能会在内燃机中产生以下影响。

- 内燃机工作效率的恶化

- 发动机的功率降低，伴随着降低燃油填充系数的机械和热效率的降低

- 燃烧气体中有毒化合物排放的增长

- 可能损坏内燃机元件

图 1.增加燃油消耗作为阀门间隙的功能。

图. 1显示了a中正时齿轮阀中间隙变化的燃料消耗差异燃烧引擎。

从图中所示的数据 1可以发现，阀门间隙的增长可能导致被测发动机的燃料消耗约9％的增加。阀门间隙的自动补偿消除了周期性阀门调节的必要性，但这种解决方案有一些缺点。在正时齿轮中插入额外的质量会导致惯性力的增加，此外，附加装置增加了损坏的可能性，因为它通常串联布置在正时齿轮系统的运动链中。阀门间隙自动补偿器损坏的后果是阀门间隙的不受控制的增加，导致早期描述的影响，并且会导致内燃机中正时齿轮系统的其他部件的损坏，例如阀门的表面部分燃烧 或阀座，或者通过阀门敲击接合面。这就是为什么需要对配备有阀门间隙自动补偿器的发动机间隙（管制状态）进行评估。

制定了内燃机技术条件的许多诊断方法。它们可以分为使用工作过程的方法（引发，曲轴转动功能中的转矩变化，燃烧气体测量的压力和温度，活塞上方和下方的压力，供应参数，燃烧气体中的烟含量等）和使用残余过程（振动，噪声，热和电过程等）的方法，在对运行过程的研究的基础上，可以定义燃烧发动机的一般状况，而剩余过程可以提供有关各个子组件和运动蒸汽的技术状况的信息。这就是为什么使用残留过程，如自主和支持性诊断方法。 基于用于评估对象技术状况的振动和噪声分析的所有方法都被称为振动声学诊断。

作为形成燃烧活塞发动机的基本机构之一的气门正时齿轮机构的动作原理是振动声信号的来源。由开闭阀，所述凸轮和所述凸轮从动件之间的合作，溶解在阀杆和其他动作的轴承间隙的气门正时齿轮的操作与配合部件的粉碎相关联，并且反过来它们引起振动。作品[3-5,7,8,15,18,19,21,25-27,32-34,36-38,40,41,43]是指用于诊断正时齿轮的振动信号内燃机。

作者[1,2,6,9,16,20,22,23,30,42]介绍了各种振动声信号分析技术的应用，以评估内燃机技术状况。

在分析内燃机系统振动声学诊断领域的成果的基础上，可以说：

- 对使用振动信号参数进行的研究工作，用于评估内燃机单元或发生在那里的过程的技术状况，

- 研究工作涉及方法问题（例如，为了在振动测量过程中确定发动机的工作条件并选择正确的测量点）和建模问题（即建立诊断模型及其验证），

- 在这些研究工作中，使用描述信号（例如点测量）的简单方法以及转换信号（例如人造神经网络，时间谱分析）的非常复杂的技术。

图2 （a）正时齿轮架构; 1 - 正齿轮轴，2凸轮从动件，3凸轮从动杆，用于调节阀间隙的4螺丝机构，5阀杆，6 - 阀间隙自动补偿器，7 - 阀弹簧和8 - 阀; （b）发动机头上的定时齿轮的杠杆系统。

在关于燃烧发动机的振动诊断的分析工作中，注意到基于对象结构对强制冲击的反应的诊断模型的方法。然而，这些作品中没有一个明确（直接地）明确了使用内燃机单元的谐振特性来创建诊断模型的问题。

本文介绍了一种用于燃烧活塞发动机机械部件的振动声学诊断的新方法。它是基于使用关于诊断的发动机单元的自身振动（共振振动）频率的信息。该信息在冲动测试过程中用于创建诊断模型。为了提取诊断信息，本文提出的方法是使用由于脉冲强制而引起的反作用力的频带，因为在所描述的物体（在燃烧活塞式发动机中）中，大多数分析事件具有脉冲特性（消除运动学中的阀门间隙 蒸汽气氛，阀座冲击，燃烧过程等）。

2.研究方法

采用内燃机a8C22型作为阀门间隙自动补偿器技术条件的研究对象; 这种发动机用于驱动铁路机车，发电机组和船舶辅助发动机。 在这款发动机中，使用经典的定时装置; 其模式如图1所示2A。 所述I.C发动机的发动机头具有四个阀。 被测发动机的杠杆系统如图1所示2B。 该发动机的阀门间隙调节分为两个步骤：第一步是初始机械调节; 第二步由阀门间隙的自动（液压）补偿器完成。

测试分三个阶段进行。 在第一阶段进行的冲击试验旨在识别共振频率，以便确定发动机机头上的振动测量点。 在第二阶段中，考虑到与阀间隙的自动补偿器的不同的损坏构造，选用发动机头上发生的振动的测量值。 根据第二阶段二次诊断模型提供的试验结果，对诊断症状的最终结果进行了评估，并制定了用于评估发动机内阀门间隙自动补偿器技术条件的算法。 在第三阶段进行了验证。

研究方法是根据手术实验的假设[24,28]进行的。 作为输入参数，考虑了燃气发动机正时齿轮系统阀门间隙自动补偿器技术条件的变化。 作为受控参数，内燃机的工作量和曲轴的转速被接受。 作为输出参数，引擎头的振动加速度被考虑。

根据三次起动的原理进行测量，即每次测量系列进行三次，并且在发动机关闭的测量系列之间进行。 描述了上述研究方法，以避免获得振动信号参数的随机值。

在脉冲测试过程中用于记录振动信号的测量系统的一般方案如图1所示。 图3a， 3b给出了发动机工作时测量系统的方案。

根据建议，选择了Bruuml;el＆Kjaelig;r公司生产的4504型振动传感器[31]。 线路传输频带高达18 kHz。 在测试过程中，已经记录了0.1Hz-25kHz范围内的信号。 加速度计通过使用发动机头上的特殊胶水固定。 脉冲测试的测量点的选择符合传感器应放置得最靠近工作阀产生的振动信号点和可及位置的规则[29]。 测量方向选择如下：X方向 - 平行于圆柱体的直径，Z方向 - 平行于气缸轴线，Y方向-垂直于其他方向（图4a）。采样频率设定在65,536Hz。 用于记录由Bruuml;el＆Kjaelig;r公司生产的多分析仪PULSE的振动信号。 该平台可以记录17个通道并行的高速事件，动态最高可达160 dB。用于振动测量的换能器的空间取向如图4a所示。 而在发动机头上固定换能器的位置如图4b所示。

图. 3.测量方案应用于：（a）实现脉冲试验，（b）完成发动机头振动测量[34].

图.4 （a）气缸盖上振动测量的方向定向，（b）固定在发动机气缸盖上的振动传感器的视图。

振动传感器使用特殊胶水固定在发动机头上。 测量点的选择考虑了传感器最靠近振动发生点和可接近的位置放置的原理。测量点的选择是在发动机头设计分析和工程描述之后作出的[15,32， 35,39]关于确定内燃机中气门间隙对指定振动参数的影响，以及在阀门对阀座的冲击后进行的冲击试验。通过去除置于阀杆和阀门摇杆之间的标准板来完成这些措施。 为了消除隐患，为了做近似过程，这个动作重复了几次。 确定振动信号的这种测量点是重要的，这将能够评估每个阀的冲击。 在对冲击试验结果进行分析之后，选择P3点的操作使用试验。 考虑到在脉冲测试期间记录的信号的动力学，决定对于关于阀门间隙自动补偿器的正确动作的评估的测试，可以接受在X方向记录的信号（平行于气缸直径的方向）。

工作引擎的试验在以下条件下进行：

- 曲轴转速500转/分钟，

- 缺乏外部服务负载（驱动单元的自身电阻），

- 液体冷却液的温度保持在75plusmn;1C的水平。

记录信号的分析在PULSE REFLEX环境中完成。 使用的软件可以对九个信号进行并行分析（三个三轴换能器）。 这种变型能够定义在三个不同测量点同步记录的每个阀门对信号的影响的影响。 在振动信号被分析之前，它们具有角度选择的对象。 这意味着只有那些信号片断被分析，这些信号片段与关闭阀门的过程在时间上是同步的。

3.测试的发动机头的共振频率

在建议的内燃机诊断方法中，有必要估计作为技术状况评估对象的发动机单元的共振频率。

从振动理论可知，共振频率与带振幅的增加和相位带相位符号的变化有关。 这就是为什么要定义发动机单元的共振频率的值，使用以模态锤的形式使用外部强制的脉冲试验。 使用这种测试能够定义由等式（1）描述的频率响应函数。 从复谱形式，可以定义频谱特征，复谱和频率特性的复合形式。

为了识别结构和谐振频率的动态参数，使用了模态分析的元素，即脉冲测试。 在经典模态分析的情况下，使用模态锤或活化剂形式的刺激力的外部来源。这种解决方案提供了强迫断电以及一个单元的回答这个功率,来确定由下式定义的频率应答功能的并行测量：

在不能施加单元的振动的外部电源的物体的情况下，可以利用称为操作模态分析的内部强制力来进行实验分析。本文中进行的冲动测试包括两种强制力。外部强制使用模式锤进行，而内部强制是由于阀座上正时齿轮阀的撞击引起的。在测试过程中，由于专家文献的分析以及作者在文章[35]中描述的研究工作，头部单元没有从发动机组装，显示拆卸发动机的一些部件会改变动力特性，从而改变共振频率。为了确定与发动机机头的振动振动有关的信号频率的特征频带，根据工程中提出的假设进行冲击试验

[34,35,39]。来自脉冲测试的样本振幅 - 频率特性如图5所示。

基于获得的特性，对发动机头自身振动的频率进行了评估，并将其安装到3.1 kHz，4.3 kHz，5.0 kHz，6.7 kHz，7.8 kHz和9.0 kHz。

将使用所述内燃机单元的实验确定的振动频率来创建回归和结构诊断模型，其使用记录在燃烧活塞发动机头部上的振动信号的分析来评估发动机部件或其调节系统中的材料消耗。 对于创建的模型，最好应用频谱中最高幅度可以受到影响的频率，例如8.8-9.2 kHz的频带。

图5.脉冲频率特性（上图）和相位频率（图的底部）发动机主管。

4.识别二进制诊断模型

图6.以技术条件二进制变化为特征的物体的假设寿命曲线（文字中包含标记）

对技术对象中存在的影响（关于真实对象的信息问题，处理大量信息的问题）的准确描述很难做到这一点，这就是为什么会出现这样的模型： 以令人满意的准确度描述现实。 按照令人满意的准确度，当一个模型 - 考虑到限制的假设 - 满足模型作者设定的比较标准时，我们就会理解这种情况。 我们可以呈现的模型的一般定义如下：

一个模型是一个现实片段的简化表达，以便更好地理解它[10]。

对象的诊断信号参数与其技术条件之间的关系称为诊断模型。 这些关系是通过操作实验来定义的，当对象结构的参数发生变化并分析其在操作使用时出现的损害。

燃烧发动机是以非常复杂的设计为特征的机器，因此，根据诊断信息的合成原理，根据引擎的诊断系统可以添加引擎的所选择的过程或单位来制定自主诊断模型。 电路板诊断系统OBD是这种系统的一个例子。

以技术条件二进制变化为特征的物体的生命曲线具有与个人跳跃功能相似的形式。 改变自己的技术条件的物体的生命曲线的假设过程如图2所示.6。

在物体损坏前诊断症状S的平均值被标记，而在瞬间损伤后症状达到值S d。 根据技术诊断的假设，可以对确定诊断症状临界值S c的方法对这种物体的技术状况进行双态评估（适合或不适当）。

制定具有二进制损伤特征的物体的振动诊断模型需要选择用于估计阈值和频带的方法，其中将分析振动信号。

由于对其技术条件的二进制变化特征的技术部件的损害是随机的，根据这些对象，存在这样的对象没有预损坏值，以便评估诊断参数的临界值，基于统计计划的方法 选择诊断参数。 在这种方法中，假定定期进度表，当与元素之前测量的平均参数值的偏差大于三个标准偏差时，表示异常效果（损伤）。 与此相关，诊断参数的临界值可由方程式定义.

其中S c是诊断参数的临界值; S ave，nd是元件损坏前诊断参数的平均值; sigma;是标准差; k g是可用性系数; A是不必要的修理系数（意味着不必要的修理的可允许性，以避免分解）。

为了构建内燃机，使用技术条件以二进制方式描述的技术部件，即适合或不适用（用于阀间隙的自动补偿器）。 这意味着这些部分在“适合”和“不适合”之间没有价值，因此为这些部分创建回归诊断模型是没有意义的。

为了评估被测发动机中阀门间隙的自动补偿器的正确动作，进行了对这些装置的损伤模拟的实验。 记录了适合补偿器的信号以及出口阀间隙的损坏补偿器和进气阀间隙的损坏补偿器以及损坏的补偿器出口和进气阀间隙的信号。 初始处理的信号，即同步平均值，是频谱分析的对象。 在脉冲测试结果的基础上，发现对于发动机头的诊断，有用频带是6-9.5kHz的频带，这就是为什么在图1中。 7a-c是本频率范围内的特征。

图.7.振动信号的振幅（黑线表示正确的阀门调节），（a）出口阀（红线）的损坏补偿器，（b）入口阀（

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