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活塞磨损故障及其在IC内燃机中的振动分析
Ashkan Moosavian, G. Najafi ，arat Ghobadian, Mostafa Mirsalim, Seyed Mohammad Jafari, Peyman Sharghi
文章信息
文章历史：
于2015年4月4日收到，并于2015年8月15日修订， 2015年9月7日完稿，可在2015年9月25日在线查看
关键词：
活塞磨损故障 发动机振动分析 连续小波变换 故障诊断 三体磨损磨损机理
摘要
在本文中，研究了活塞磨损故障对发动机性能和振动的影响，还提出了以振动分析为基础的程序来识别活塞磨损故障。为此，内燃机（IC）引擎在特定的测试程序下运行。在实验过程中测量发动机参数和振动信号。产生活塞磨损故障，三体研磨使用磨损机制。实验结果表明，活塞磨损故障引起发动机性能明显降低。振动信号在时域分析，频域和时频域。连小波变换（CWT）用于获得时频表示。选择“dmey”小波为此的最佳小波类型使用能量，农熵和能量的三个标准对不同小波类型进行研究到香农熵比。 “dmey”小波CWT分析的结果表明，活塞磨损故障频率为2.4-4.7 kHz，3.7 kHz频率受到影响。最后，从与频率相关的发动机振动信号中提取了七个不同的特征频段为2.4-4.7 kHz。结果表明，最大值，平均值，RMS，偏度，峰度和脉冲与发现的频带相关的发动机振动因子由于活塞而显着增加磨损错误获得的结果表明，提出的方法确定了活塞磨损故障并发现了这种故障的振动特性，如频带。结果也表明在活塞磨损故障识别中使用发动机振动的可能性。
Elsevier Ltd保留其所有权，2015
介绍
磨损是局部焊缝在滑动面之间形成的严重损伤。当两个滑动金属表面接触并彼此摩擦，它们表面之间的摩擦力和温度急剧增加。接触面的高温度以及结构缺陷的存在，使生产过程中能产生的材料强度的弱点恶化。由于接触压力作用于滑动面，材料发生塑性变形，塑料流在层和子层中被激活，材料进入液固相[2]。往复滑动和产生粘附力导致被软化材料脱离原来的表面粘附在相对表面的发生，这就是表面材料的转移。在这种情况下，一些化学品在卡住材料之间成为相互作用的润滑剂[2,3]。这个过程的结果是在两个滑动表面上形成更坚固和更粗糙的层。如果在滑动表面之间继续摩擦，该描述的过程的进度将会越来越快。所有滑动机构的磨损故障都可能发生，比如齿轮和活塞/气缸。
当发动机的活塞和气缸发生磨损故障时，称为活塞磨损故障。这个错误是主活塞中火花点火（SI）和压缩点火（CI）引擎其中之一的磨损机制引起的。那里有三个重要的磨损机制，即腐蚀，磨损和粘附[4]。磨损发生在发动机运行期间
发动机是活塞/气缸主要磨损机构系统。磨料磨损是通过较硬的表面或被困在该处的硬质颗粒的运动造成的磨损。磨料磨损有两种，即两体和三体磨料磨损。两体磨损发生在硬表面在较软的台面上滑动时的时候。当磨损是由被困在该地区的自由硬质颗粒在两个滑动表面之间发生，这种机制称为三体磨损[5]。活塞磨损可能会发生这两种磨料磨损。许多因素涉及活塞磨损现象像温度[6,7]，润滑膜[3]，摩擦[2]间隙[6]，热膨胀[6]，活塞二次运动[7]，操作条件[3]和材料特性[2,6]。
活塞磨损会导致活塞和气缸的表面破坏。由于这个故障，活塞与气缸之间的间隙的增加导致发动机密封性标准的降低。因此，燃烧气体可以容易地到达曲轴箱区域。这种情况导致发动机性能下降，增加发动机排放。如果活塞磨损程度更严重，其对发动机的破坏性影响将更大。在这个情况下，发动机必须大修，确实是昂贵的。没有明确提出一种方法，以完全预防活塞的磨损故障，意味着这种故障可能发生在任何类型的发动机。因此，发动机设计总是受到活塞磨损故障的限制。在这个研究领域，已经对该领域的金属冶炼调查和加工程序进行了大量的研究，以减少活塞磨损发生的可能性。这些以防止活塞磨损的研究已经进行，涂层技术作为最有效的解决活塞磨损故障的技术之一。在著作中，有一些论文比较了不同涂层在防止活塞磨损上的表现。例如，实验测量了活塞磨损机制，等等[2]。活塞与A390型没有/具有不同的涂层铝的阻力合金以抵抗磨损机制已被研究。所使用的涂层包括镍 - 磷
镀覆有4％的氮化硼颗粒（NCC），锡镀层和基于聚酰胺酰亚胺的CPC约15％石墨粒子（D-10），他们研究了活塞群和气缸硬度在活塞上磨损时对使用形态特征的影响。Wang等[3]也研究
不同活塞涂层对磨损断层的阻力。实验研究包括三个涂层和两个活塞表面对铸铁气缸套的硬度和三个铝合金气缸孔的表现。他们提出，这个气缸材料的接触面积，机械和化学性能，
活塞和涂层表面的粗糙度等是对活塞磨损产生影响主要的有效因素。[8]有研究了表面粗糙度和涂层对活塞裙面摩擦行为的影响。为了研究出粗糙度和涂层的影响，使用了三种不同的表面粗糙度的石墨和类金刚石碳（DLC）。实验表明石墨涂层的摩擦系数小于DLC涂层，但DLC涂层提供更好的摩擦学性能。
基于活塞磨损故障的破坏性和连续发生的可能性的影响，识别此故障的程序急需发展
以此及早发现并防止其进展和发动机故障。现在，使用发动机参数，即窜气流量，是实验室检测发动机活塞磨损发生的常见方法在这种方法中，窜气流量急剧增加是活塞磨损故障发生的可能指标，因为窜气可以很容易地穿过活塞和气缸的磨损区域，所以窜气流量上升。然而，这种方法有如下严重的缺点：
窜气流量的增加并不总是由活塞磨损引起的，其他事件也可能导致流量的增加，例如发动机转速突然升高或压缩环间隙的定位前移了。所以窜气流量具有不确定性。
由于窜气的可压缩性，有窜气流量变化就意味着在此增加参数与活塞磨损不同时发生并有时间延迟。所以这个方法还不够快，并且不能用于检测活塞磨损故障的早期阶段。
尽管在发动机内部燃烧（IC）活塞磨损故障很重要，但是只有少数研究人员尝试过
提出其他检测方法。例如，Joshietal[9]提出了一种四个检测条件的方法，即
发动机条件即健康，垫片故障，油冷却器故障和活塞磨损。他们使用了七十八个发动机参数
例如制动功率，冷却液压力和排气温度故障诊断。在他们的论文中，研究活塞磨损故障的严重程度不明显。另外，测量七十八个发动机参数需要一些特殊并且非常昂贵的传感器和设备
。 Wakatsuki等[10]提出了一个在大型二冲程柴油发动机的气缸套上温度监测温度检测磨损的系统。他们已经将热电偶式温度传感器安装在气缸套表面用于测量温度信号。
故障检测领域中最常见和最有说服力的方法之一是有效用于发动机故障诊断中的振动分析[11-13]。每个机械系统都有独一无二的振动特性如频率。如果机械系统中发生故障，系统的振动特性会改变。在振动分析中，使用信号处理发现了这些变化等方法。然后，变化是归因于这个错误。在活塞磨损现象中，活塞和气缸表面的接触并且摩擦可能会引起振动和噪音[2]。因此，使用振动分析和获取活塞磨损故障的振动特性可能为检测IC发动机故障的正确方法。目前作为一项新颖的研究，使用振动分析来识别IC中的活塞磨损故障。这项研究的主要目的是获得活塞磨损故障的振动特性例如频段造成的故障，并提出了一个程序用于在IC中检测。据文献所知，以前的研究中这些工作还没有完成。在目前的研究中，生产活塞磨损试验故障是在发动机的SI引擎上设计和执行的测试单元。在实验中，可以检测不同的发动机参数和测量发动机振动。在振动分析阶段，连续小波变换（CWT）是一种信号处理和故障检测领域的有效工具[14]。这是通过检查不同的小波类型进行的。之后，用于活塞磨损故障识别的最佳小波型基于最大能量的三个标准[15]，最小香农熵[16]和香农的最大能量熵比[14]。然后，发现活塞磨损故障引起的频带和观察到发动机故障的影响。
2.实验工作
2.1 实验装置
在这项研究中，实验是直列式四缸火花点火（SI）发动机。发动机规格在表1中给出。190千瓦的 Horiba-WT190涡流测功机与发动机相连以控制发动机速度和负载。超过三十台设备配合使用不同的传感器来运行和控制发动机，例如发动机速度，扭矩，节气门位置，水温油压，环境温度，曲轴箱压力和排气歧管温度传感器。 四个引擎参数，即捕获了转速，扭矩，功率和窜气流量在实验过程中，发动机的转速和转矩都是测量精度分别为plusmn;1％和plusmn;0.5％。一个测量范围为3-150 L /min，精度为1.5％AVL 442吹风机，用于测量发动机的窜气流量。
为了测量振动信号，PCB357B11型加速度计水平安装在发动机三号气缸的衬套前面。 加速度传感器规格见表2。振动信号通过Bruuml;el＆Kjaelig;r（B＆K）NEXUS2692调理放大器类，该放大器的低噪声版本是具有高低带全面通过的设备。测量气瓶压力信号，Kistler火花塞使用6117BFD15和AVL3066A02压电传感器，压力传感器安装在三号气缸上。数据采集系统由研华PCLD-8710端子板和PCI-1710数据采集卡组成。记录信号可以用电脑中的MATLAB软件记录。 在这项研究中，所有的信号以50 kHz采样频率进行采样。 图1显示原理图和实际实验设置。
2.2。 测试程序
对于本研究的实验，测试计划表3所示。 可以看出，该测试程序包括五个步骤 ，请注意，发动机从空转到额定功率加速时间的应小于15秒。
在实验过程中，测量振动信号，缸内压力和发动机参数。 每次测试后，从发动机中取出油样。
在第一个实验（测试＃1）中，表3表明测试程序是在发动机健康状态下进行。该发动机在实验前通过检查其不同的组件来检测是否正常的。为了验证是否正常，使用内窥镜检查发动机气缸。例如，图2（a）所示是正常状态的3号气缸的内窥镜图像。第一个实验是从中抽出发动机的一个油样。采用第一次实验获得的所有数据作为进一步分析的参考数据。
在目前的研究中，研究了三体磨损。因为这是活塞/气缸系统的主要磨损机理[5]。因此在实施第一个实验之后，如下程序用于研究三体磨料磨损发动机研究中的机制。在本研究中，直径为7-200lm的Si用作第三体。 Si颗粒足够硬在活塞/气缸系统中产生磨损磨损机构。为此，6克Si粉末通过火花塞进入3号气缸。之后，少量的Si以油雾化形式溅到3号气缸中，使得硅颗粒一起粘在气缸壁。实验前，通过内窥镜检查Si粉的扩散在气缸壁的周围（图2（b））。从图2（b）中可以清楚地看出，Si颗粒粘着到缸壁，并填满所有的珩磨槽。这个情况造成活塞和3号气缸之间的三体磨损磨损机制，并提供必要的活塞磨损故障的发生条件。硅粉进入3号气缸（图2（b）），发动机根据如表3所示测试计划进行第二次实验（试验＃2）。为了调查气瓶状态，取出3号气缸内窥镜图像（图2（c））。活塞和气图2（c）。
完成测试后，拆卸发动机进行零件评估。图3示出了活塞和3号气缸的图像。在这个图中，可以观察到活塞与气缸壁上的划痕。表4可以看到活塞和气缸合金的化学成分表5显两次实验对相关油分析的结果可以看出，Al和Si它们是活塞材料的主要成分，测试＃2中的含量升高，活塞合金中Cu，Pb和Ni等其他成分也增加。而且，气缸材料主要的主要成分铁的含量显着升高。因此，油分析结果证实了发动机的活塞磨损发生如图1所示。根据上述图3所示，在第二个实验中的三号活塞与气缸发生磨损故障。所以，所有第二次实验收集发动机的数据与故障情况与3号有关，即3号磨损的活塞和气缸。如前所述，研究了两种发动机条件目前的研究见表6.从该表中，“健康”这个词代表了第一个实验，而“故障”一词表示第二个实验3号活塞和气缸遭受磨损故障。
2.3。实验结果
图4显示了四个发动机参数，速度，扭矩，功率和吹气流量。如前所述，“健康”和
“故障”分别表示第一和第二实验。它从图1可以看出。 从图4（b）和（c）可以看出发动机转矩和活塞功率由于磨损故障分别减少约5.5 Nm和3.5 kW。从图4（d）可以看出活塞磨损障导致窜气流量大量增加，发生故障时该参数达到128.7 L / min，而健康状况下其最大值为33 L / min。这是因为磨损故障引起的气缸与活塞间隙增加造成窜气气体大量通过这个区域更容易到达曲轴箱。这个事件可以破坏性地影响发动机零件如曲轴。此外，发动机排放可能会因此越来越危险窜气与油蒸气混合，因此更有毒物质被生产。一般来说，可以看出活塞磨损故障可以负面影响发动机性能。
3.关于连续小波变换（CWT）的简要描述
小波变换（WT）是一种最广泛和最流行使用的信号处理应用中的方法，可以分析静态信号的许多潜在的以及非平稳信号[11]。 WT能够提供时间和频率信息，通过给出时间频率
表示信号。 这种产生一系列功能的方法称为母小波，它具有不同的频率以不同时间间隔处理瞬态信号[17]。
信号x（t）的连续小波变换被定义为W(a,b)= (1) 其中（t）是母小波的平均值，必须为零。w *（t）是复共轭缩放和移位母小波w（t）[19]。 小波系数W（a，b）是CWT的结果，测量信号x（t）和母体小波在各种尺度上的相似性（参数a）和不同的时间位置（参数b）。 因素用于能量保存。（1）式表示
小波分析是时间频率分析或时间尺度分析。时间和频率分析是通过分析小波的尺度转
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