柴油机喷油器喷孔堵塞声发射诊断技术.pdf
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1、第 41 卷(2023)第 5 期 内 燃 机 学 报 Transactions of CSICE Vol.41(2023)No.5 收稿日期:2022-07-16;修回日期:2022-12-13 基金项目:工信部高技术船舶资助项目(工信部装函2019360 号)作者简介:余永华,博士,教授,E-mail:.DOI:10.16236/ki.nrjxb.202305055 柴油机喷油器喷孔堵塞声发射诊断技术 余永华1,2,贾海超1,胡 嘉1,胡 磊1,2,杨建国1,2(1.武汉理工大学 船海与能源动力工程学院,湖北 武汉 430063;2.武汉理工大学 船舶动力工程技术交通运输行业重点实验室,湖
2、北 武汉 430063)摘要:声发射信号具有频率范围宽、蕴含信息丰富的优点,被广泛应用于柴油机故障诊断中,但诊断判据在多工况和变机型下适应性较差,以柴油机喷油器喷孔堵塞故障为例,分析缸盖声发射信号燃烧段特征,发现不同机型燃烧段的缸盖声发射信号包含多个对喷孔堵塞故障较为敏感的衰减振荡,研究了适应性较好的特征参数提取方法柴油机运行工况多变,难以采集到所有工况充足的故障样本,基于实例的 TrAdaBoost 迁移学习算法,利用已有工况的数据作为源域辅助训练数据,结合少量目标域数据构成联合训练集,通过对各故障类别的权重迭代,提高了同机型不同工况的故障诊断算法的鲁棒性和故障识别率,并经不同型号的柴油机试
3、验验证表明,该方法将诊断准确率从 55%提高到 90%以上,有较强的跨机型适用性 关键词:柴油机;喷油器;声发射;故障诊断;迁移学习 中图分类号:TK428 文献标志码:A 文章编号:1000-0909(2023)05-0466-07 Fault Diagnosis Technology of Diesel Engine Fuel Injector Clogging Based on Acoustic Emission Yu Yonghua1,2,Jia Haichao1,Hu Jia1,Hu Lei1,2,Yang Jianguo1,2(1.School of Naval Architect
4、ure,Ocean and Energy Power Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China;2.Key Laboratory of Marine Power Engineering and Technology under Ministry of Transport of Peoples Republic of China,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)Abstract:Acoustic emission(AE)signal is wide
5、ly used in diesel engine fault diagnosis due to its advantages of wide frequency range and rich information,but it has poor adaptability in multi-working conditions and variable engine types.In this paper,AE signal of a cylinder head during the combustion section was analyzed to diagnose the nozzle
6、clogging fault of a diesel engine injector.It has been found that the AE signal during the combustion sec-tion from different diesel engines contains multiple attenuation oscillations that are sensitive to the nozzle clogging fault.Therefore,a feature parameter extraction method was studied in order
7、 to obtain a good fault diagnosis adaptability.However,it is difficult to collect sufficient fault samples under all working conditions because the op-erating condition of diesel engine is highly varying.Such,the TrAdaBoost transfer learning algorithm was pro-posed,in which the data of existing work
8、ing conditions are used as the auxiliary training data in the source domain,combined with a small amount of target domain data to form a joint training set.Through the weight itera-tion of each fault category,the robustness and fault recognition rate of the fault diagnosis algorithm under different
9、working conditions of the same diesel engine type was significantly improved.The test results from different type diesel engines show that the proposed method obviously improves the diagnostic accuracy from 55%to more than 90%,and also has strong applicability among different type engines.Keywords:d
10、iesel engine;fuel injector;acoustic emission;fault diagnosis;transfer learning 船用柴油机喷油器工作环境恶劣,所用重油杂质较多,喷嘴残余燃油在高温、高压下易形成积碳,发生喷嘴堵塞故障,威胁柴油机安全运行1 声发射频率范围宽、信噪比高,所含信息丰富,可以发现早期 2023 年 9 月 余永华等:柴油机喷油器喷孔堵塞声发射诊断技术 467 微弱故障,具有适应范围广、准确率高的优点,因而得到了国内外学者的广泛关注,已在柴油机气阀漏气、轴瓦磨损及缸套-活塞环磨损的监测诊断方面得到了广泛应用2-4 现有文献的故障诊断判据往往是
11、基于已有工况的特征参数获得的,在相同工况下具有较好的适用性,从传统机器学习的观点来看,这正是因为训练数据与测试数据服从独立同分布规律,而发动机实际运行工况多变,在所有工况下采集充足的数据,既不现实也不可行5-6,因此,难以通过传统的机器学习算法获取发动机的故障诊断模型 如何充分利用已有工况的数据,在变工况少量数据条件下,实现柴油机全工况下的高准确度故障诊断和诊断方法的跨机型应用,是柴油机故障诊断工程应用的难题 迁移学习是一种机器学习算法,能够将某个领域上学习到的知识迁移到不同但相似的领域中,实现已有知识的利用,在模式识别领域广泛应用 崔石玉 等7将基于参数的迁移方法应用到海水泵的故障诊断,贾锋
12、等8和 Li 等9将迁移学习应用于轴承的故障诊断 Dai 等10提出了一种基于实例的迁移学习算法TrAdaBoost,该方法可以实现利用少量标签数据和大量异分布辅助标签数据建立较高准确率的故障诊断模型,该算法原理简单、易于实现11,在目标数据集和辅助数据集具有相似性的时候可以取得很好效果 内燃机结构复杂,不同工况和不同机型的缸盖声发射信号均存在差异,但由于其激励源相似又表现出一定的相似性,特别符合 TrAdaBoost 迁移学习算法的前提,目前在内燃机故障诊断领域的研究较少 因此,笔者针对喷油器喷孔堵塞故障,基于缸盖声发射信号,拟借鉴 TrAdaBoost 迁移学习的思想,提出一种提高柴油机故
13、障诊断模型应用于跨工况和跨机型时诊断精度的方法 1 试验与测试 以 TBD234V6 型高速四冲程柴油机为研究对象,其主要技术参数如表 1 所示 该柴油机标定功率为 186kW,标定转速为 1500r/min,供油提前角为20CA BTDC,单喷油器 4 喷孔,喷孔直径为0.45mm,以 A1 缸为故障模拟缸,声发射传感器布置在 A1 缸盖表面靠近排气阀处,如图 1 所示 试验测量了上止点、缸压和缸盖声发射信号 选用软岛时代RS54A 型声发射传感器,工作频带为 100900kHz,试验中声发射采样率为 800kS/s,数据采集系统示意如图 2 所示 表 2 为故障模拟方案,试验获取了如表 3
14、 所示两个工况不同故障程度的数据 在喷油器校验台上,利用 Photron-675K-C1 高速相机记录试验用喷油器的喷油效果,如图 3 所示 表 1 TBD234V6型柴油机技术参数 Tab.1 Technical parameters of TBD234V6 type diesel engine 参数 数值 型式 四冲程直喷、增压中冷 气缸排列 V 型夹角 60 发火顺序 A1B2A3B1A2B3 缸径/mm 活塞行程/mm 128 140 总排量/L 10.8 标定功率/kW 186 标定转速/(rmin-1)1 500 供油提前角/(o)CA BTDC 20 图 1 缸盖表面传感器布置
15、Fig.1 Sensors location on the cylinder head 图 2 数据采集系统示意 Fig.2 Schematic diagram of data acquisition system 表 2 故障模拟方案 Tab.2 Fault simulation test programs 严重程度 模拟方法 正常 正常状态 轻微故障 堵塞 1 喷孔(堵 1 孔)中度故障 堵塞 2 喷孔(堵 2 孔)严重故障 堵塞 3 喷孔(堵 3 孔)表 3 故障模拟试验工况 Tab.3 Working conditions of fault simulation 工况 负荷/%一 50
16、(1 500 r/min)二 75(1 500 r/min)468 内 燃 机 学 报 第 41 卷 第 5 期 (a)正常状态(b)堵 1 孔 (c)堵 2 孔(d)堵 3 孔 图 3 喷油器喷孔堵塞效果 Fig.3 Nozzle blockage state 2 特征参数提取 2.1 声发射信号分析 TBD234V6 型柴油机 A、B 列气缸夹角为 60,发火顺序为 A1B2A3B1A2B3,以 60180CA交替发火 图 4为 1500r/min、50%负荷正常状态下采集到的 A1 缸缸盖声发射信号时域波形,图中横坐标的 0CA 对应 A1 缸的排气上止点,纵坐标为声发射信号幅值,图中标
17、注了对应的声发射信号激励源 柴油机的配气相位见图5 可以发现,整周期的声发射信号不仅受试验缸自身激励,还受到了同侧气缸激励的影响,但燃烧段的声发射信号受其他缸影响较小,而喷油器喷孔堵塞故障主要影响燃烧段信号12,因此,截取 340400CA 内的信号进行分析 以 1500r/min、50%负荷正常状态和单缸断油时测取的声发射信号为例,结合缸内压力信号,分析声发射信号特征 图 6a 为 A1 缸断油后的缸内压力与声发射信号,此时缸内只有压缩过程没有燃烧过程,喷油器也没有任何动作,因此,可推断燃烧段声发射信号主要受本缸内燃烧以及喷油器动作激励 图 4 柴油机声发射信号时域波形 Fig.4 AE w
18、aveform of the diesel engine 图 6b 为正常状态缸盖燃烧段的声发射信号,其中包含 3 段明显的衰减振荡,有 3 个明显的突变时刻,a 点位于发火上止点前 20CA,若忽略供油与喷油时延,对应于喷油始点;b 点声发射信号幅值急剧增加,对应于第 1 个衰减振荡始点;c 点对应于燃烧 为排气阀关闭角,13.0 CA;为进气阀关闭角,46.5 CA;为排 气阀开启角,47.0 CA;为进气阀开启角,26.5 CA 发火顺序:60 CA180 CA60 CA180 CAA1B2A3B1 60 CA180 CAA2B3A1 注:0 CA 和 360 CA 分别对应于 A1 缸
19、排气上止点和燃烧上止点 图 5 柴油机配气相位 Fig.5 Valve timing diagram of the diesel engine (a)A1 缸断油 (b)正常状态 图 6 正常状态与单缸断油燃烧段声发射与缸内压力信号 Fig.6AE and cylinder pressure signals of combustion section under normal conditions and one cylinder fuel shut-off 2023 年 9 月 余永华等:柴油机喷油器喷孔堵塞声发射诊断技术 469 始点;d 点对应于第 2 个衰减振荡的始点;e 点对应于缸内
20、爆压点;f 点对应于第 3 个衰减振荡始点;g 点燃烧基本结束 参考文献1314关于缸盖振动信号的结论,第 1 个衰减振荡大部分位于燃烧始点之前,可判断是由喷油器针阀落座引起的,第 2 个衰减振荡位于燃烧的速燃期,可判断是由缸内燃烧引起的,第3 个衰减振荡幅值较小,并且位于燃烧的后燃期,判断是由后燃引起的 综上可知,确定了燃烧段声发射信号的激励源,这为后续的特征参数提取、故障诊断提供了机理性支撑 图 7 为 1500r/min、50%负荷正常状态与堵 3 孔下的燃烧段声发射信号 当故障发生时,第 1 个衰减振荡提前,第 2 个衰减振荡对应燃烧的速燃期,出现了明显的滞后,主要原因为堵孔后,喷入缸
21、内的燃油变少,可燃混合气变少,燃烧缓慢,图 8为正常状态与堵 3 孔下的缸内压力信号,通过计算压升率得到燃烧始点分别为 356,CA 与 357,CA,堵孔后燃烧始点出现了 1,CA 的延后,造成了与之对应的声发射信号出现延迟 第 3 个衰减振荡幅值增大,主要原因是堵孔后造成燃烧不良和后燃现象,甚至可能出现二次喷射 为了进一步说明所提结论的可信性与通用性,利用文献15在 Z6170 型柴油机上获取的喷油器喷孔堵塞故障模拟试验数据进行验证 图 9 为 Z6170 型柴油机在 1000r/min、75%负荷正常状态下的燃烧段 图 7 正常状态与喷油器堵 3孔声发射信号 Fig.7 AE signa
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