[发明专利]发动机凸轮轴轴承松脱故障诊断方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于机械设备故障诊断及信号处理技术领域，涉及一种发动机凸轮轴轴承松脱故障诊断方法和系统。

背景技术

振动分析法是通过测取发动机工作过程中缸盖或缸体的振动信号，并对其进行分析处理提取故障特征，得出振动信号特征参数，根据特征参数变化规律从而诊断发动机的故障。

1996年，英国曼彻斯特大学的F.Gu和A.D.Ball等在实验的基础上，得出柴油机喷油器的振动主要由针阀开启、落座时的撞击和高压燃油流动引起，他们通过在喷油器顶部或座上吸附振动传感器，采集振动信号，利用时频分析、包络分析，对上述参数进行估计，实现了燃油系统的故障诊断。B.Samimy和G.Rizzoni等利用时频分析方法研究了内燃机爆燃敲缸故障的诊断，采用Choi-Williams分布以减少交叉干扰项，使得不同工况下的时频分布区别更加明显，故障特征显著。1999年，刘世元等利用发动机缸盖和喷油器、气门摇臂座、螺栓等部件的振动信号，着重分析了缸盖振动信号的时间特性和循环波动性，并提出了消除波动性的一些措施。2002-2003年，中国科技大学的贾继德、孔凡让应用发动机振动信号对发动机故障诊断进行了较为深入的研究，他们对发动机的常见异响故障(活塞敲缸响、活塞销响、气门响、气门挺杆响、曲轴轴承响及连杆轴承响等)的产生机理进行了分析，主要采用时域法和频域法对发动机表面振动信号进行分析，并给出了发动机常见故障信号的特征提取和识别方法。2006年，有人采用倒频谱法基于缸盖表面振动加速度信号对缸内压力进行了重构，即根据己知的振动加速度信号和缸内压力信号获得系统的传递函数，基于传递函数实现缸内压力的重构。赵纪元等采用实验的方法，从缸盖系统所受的激励和响应两个方面进行分析，指出缸盖系统最主要的激励力是气门落座冲击和气体压力，利用缸盖响应高频部分能量的变化来检查排气门漏气故障，取得了较为满意的结果。2009年，Jerzy Merkisz等指出燃烧时段在活塞运动方向上,机体的振动加速度信号对燃烧激励最为敏感，发生失火故障时，燃烧时段振动加速度信号幅值明显减小,利用活塞运动方向上的机体振动加速度信号的幅值变化可实现失火故障检测。2012年，L.Barelli和E.Barluzzi等直接测试缸盖表面的振动加速度信号，利用离散小波变换和巴什瓦定理分析加速度信号的能量分布诊断缸内燃烧故障。2013年，杜灿谊和丁康基于缸盖振动加速度信号的振幅波动，监测发动机失火故障，以缸盖振动时域信号冲击，监测配气机构气门间隙过大和凸轮轴承松脱等故障。

发动机凸轮轴通过轴承固定在缸盖上，控制进排气门关、闭，具有转速高、润滑情况差、工作环境恶劣等特点。长时间运行容易出现轴承磨损、松脱等故障，导致发动机激励力发生异常，对缸体产生冲击，通常通过测试发动机缸盖的振动响应信号进行分析，提取故障特征。

但是，作为基于响应信号的故障诊断方法，受发动机结构、环境、温度等外部条件的影响和传感器的安装位置的影响较大，只能对特定的发动机、少数的部件和故障类型比较有效，缺乏普适性。2013年王国彪指出虽然单故障诊断通常容易实现，但在推广使用时，其精度不高、泛化能力不强和通用性较差，制约了其在工程中的应用。此外，有人提出，可以利用气缸压力信号进行气门间隙监测与故障诊断，从气缸压力信号二进小波分解的尺度信号中包含有气门间隙大量的状态信息，但是直接对气缸压力进行监测在传感器的安装方面有一定的困难，而且对于与燃烧无关的一些机械故障，从气缸内压力信号中无法判定故障的类型与位置。

鉴于现有技术的上述技术缺陷，迫切需要研制一种新型的发动机凸轮轴轴承松脱故障诊断方法。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种发动机凸轮轴轴承松脱故障诊断方法，取发动机质心广义力作为监测对象，本方法对故障的敏感度高，受外部环境与测试条件的影响较小，对于完善发动机故障诊断方法具有重要的理论指导意义和实用价值。

本发明的技术方案为：

一种发动机凸轮轴轴承松脱故障诊断方法，包括：

获取发动机惯性参数以及发动机悬置系统参数；

采集发动机稳态工况下的振动信号；

分析所述振动信号的频域特征；

根据所述发动机惯性参数、发动机悬置系统参数和振动信号的频域特征，计算发动机的质心广义力，根据质心广义力的特征，诊断发动机凸轮轴轴承松脱故障。

所述发动机悬置系统参数包括：发动机悬置系统的坐标、发动机悬置系统各主轴的动刚度、各主轴与三维坐标系的夹角。

所述频域特征包括：各谐次成分的幅值、相位和频率。