（机械制造及其自动化专业论文）发动机台架试验实时监测技术的研究与软件实现.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 签名：迄盗 导师签名： 摘要 发动机台架试验作为微型汽车发动机研发的重要组成部分，在中国微型汽 车产业的快速发展过程中越来越受到重视。发动机在台架试验过程中，将会承 受较大的机械多交变负荷及热负荷，设计缺陷的发动机以及异常故障的微型汽 车发动机就极易产生渐变的结构故障造成对试验台架和操作人员的巨大安全隐 患。本文旨在研究发动机台架实时监测技术以及开发一套监测软件，对被测 微型汽车发动机进行状态监测，并在微型汽车发动机产生重大故障前发出 停止试验的预警信息己起到保护试验操作人员和试验台架的目的。 基于发动机台架试验的特点以及振动信号对机械设备状态监测、信息熵与 阶比分析技术，本文从发动机台架试验实时监测理论基础的研究出发，介绍实 现发动机台架试验实时监测技术实现的过程，并根据建立的监测技术模型从而 基于l a b v i e w 软件编写发动机台架试验实时监测软件，软件的编写还包括状态 信息异常预警模块以及报警记录查询模块等，最后对基于振动信号的发动机台 架试验实时监测技术与软件进行验证，从而论证技术的可行性与正确性以及监 测软件的适用性。主要研究内容包括： l 、对信号处理技术以及信息熵和阶比分析理论进行研究，探讨发动机实时 监测技术的理论基础； 2 、根据发动机台架试验特点，提出基于信息熵和阶比分析理论特征值的监 测方法，对监测方法进行论述； 3 、建立基于l a b v i e w 软件s h a n n o n 熵的实时监测模型，对监测模型的重 要参数提出合理算法；研究功率谱熵对发动机台架试验监测的重要性，试验得 到发动机台架试验正常运行时功率谱熵值范围：在计算阶比跟踪分析的实现过 程中，对转速信号等进行计算，选取阶比分析特征值；试验验证监测模型的正 确性以及发动机台架试验实时监测软件的适用性。 4 、编写一套发动机台架试验实时监测软件，软件包括基于s h a n n o n 熵实时 监测模块以及包括阶比分析和功率谱熵分析的离线模块。 本文从实际应用出发，站在数学建模思想的高度利用现代信号处理方法， 为发动机台架试验实现安全工作的环境提供出一种发动机台架试验实时监测的 技术，并研发出发动机台架试验实时监测软件。 关键词：台架试验；监测模型；s h a n n o n 熵；功率谱熵；阶比分析 a b s t r a c t t h eb e n c ht e s to ft h ee n g i n ea st h ei m p o r t a n tp a r to ft h er e s e a r c hi nt h e m i n i - v e h i c l e e n g i n ei s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tw i t ht h ed e v e l o p i n gr a p i d l y m i n i v e h i c l ei n d u s t r y t h ee n g i n ec o u l de n d u r et h em e c h a n i c a la n dh e a tl o a d ，a n dt h e d e f e c tm o t o r m a yb e f a u l ta n d d a m a g e t h eb e n c ho rh u r t p e o p l e i nt h e e x p e r i m e n t a t i o no ft h ee n g i n eb e n c ht e s t t h et h e s i si sa i m e da tt h em o n i t o r i n g s o f t w a r et h a tc a nm o n i t o rt h eb e n c ht e s ta n dr e p o r tt h ea l a r mw h e nt h ef a u l ti sc o m e f o r t hi no r d e rt op r o t e c tt h et e s t i n gb e n c hf a c i l i t ya n dp e o p l e t h et h e s i si n t r o d u c e dt h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e d u r eo ft h em o n i t o r i n gt e c h n i q u e a n da c h i e v e ds o f t w a r ew i t hl a b v i e wi sb a s e do nt h eb e n c ht r a i ta n dt h ee n t r o p yo f i n f o r m a t i o na n do r d e ra n a l y s i sw i t ht h ev i b r a t i o ns i g n a l ，a n dt h es o f t w a r ei n c l u d e w i t ht h em o d u l eo fm o n i t o ra n do f f - l i n ea n a l y s i s i nc o n c l u s i o n ，i tv e r i f i e dt h e m o n i t o r i n gt e c h n i q u ea n dt h es o f t w a r ew i t ht h et e s tt h a tp r o v e do u tt h a tt h et e c h n i q u e i sr i g h ta n dw o r k a b l ea n dt h es o f t w a r ei su n i v e r s a lp r o p e r t y ，n l ec o n t e x tf o rt h es t u d y m a i n l yi n c l u d e d ： ( 1 ) t h er e s e a r c hi n c l u d e dw i t hs i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dt h et h e o r yo f e n t r o p yo fi n f o r m a t i o na n do r d e r ，a n di td i s c u s s e dt h et h e o r e t i c a lp r i n c i p l eo f m o n i t o r i n gt e c h n i q u e ( 2 ) mt h e s i sa p p l i e d f o rt h em o n i t o r i n gw a yb a s e do nt h ee n t r o p yo f i n f o r m a t i o na n dt h eo r d e rt h e o r ya n dr e l a t e da n da n a l y z e dt h em o n i t o r i n gc o n t e n t ， a n di n t r o d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eb e n c ht e s t ( 3 ) i ts e tu pt h em o n i t o r i n gm o d e lb a s e do nt h es h a n n o ne n t r o p yw i t hl a b v i e w a n dg a v eo u tt h er e a s o n a b l ea l g o r i t h mo ft h ep a r a m e t e ri nt h em o d e l 1 1 1 er e s e a r c ho n p o w e rs p e c t r u me n t r o p yw a sp r o v e dt h a tw a st h ei m p o r t a n tc o n t e n ta n dg a v eo u tt h e r a n g eo fp o w e rs p e c t r u me n t r o p yd u r i n gt h eb e n c ht e s t sn o r m a lo p e r a t i o n i nt h e d i s c u s s i o no fc o t t h ep a p e ri n c l u d e d 、 ，i t ht h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o do ft h e r e v o l u t i o na n dt h er a n g eo ft h ec h a r a c t e r i s t i cv a l u eo fo r d e ra n a l y s i s l a s t l y ，t h et h e s i s t e s t i f i e dt h ec o r r e c t n e s so ft h em o n i t o r i n gt e c h n i q u e m e a n w h i l e ，t h et h e s i sm a d eo u t t h es o f t w a r ew a ss u i t a b l ef o ru s ei nt h eb e n c ht e s tf b rm i n i v e h i c l e n ( 4 ) t h et h e s i sw a sa u t h o r i n gm o n i t o r i n gs o f t w a r em u s tb ei n c l u d e d 嘶t ht h e o n l i n ea n do f f - l i n em o d u l e sb a s e do ns h a n n o na n dp o w e rs p e c t r u me n t r o p ya n d o r d e ra n a l y s i s b e g i n n i n gf r o mt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，s t a n d i n go n t h eh e i g h to fm a t h e m a t i c a l m o d e l i n ga n du s i n gm a t h e m a t i cm e t h o di ns i g n a lp r o c e s s i n g ，t h et h e s i sf o u n d t h ew a y o ft h em o n i t o r i n ge n g i n eb e n c ht e s ta n dg a v eo u tt h em o n i t o r i n gt e c h n i q u ei no r d e rt o p r o t e c tt h eb e n c ha n do p e r a t o ra n da u t h o rt h em o n i t o r i n gs o f t w a r e k e yw o r d s ：b e n c ht e s t ；m o n i t o r i n gm o d e ；s h a n n o ne n t r o p y ；p o w e rs p e c t r u m e n t r o p y ；o r d e ra n a l y s i s 1 1 1 目录 第l 章绪论1 1 1 研究背景与意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 基于振动信号的发动机监测技术国内外现状2 1 2 2 信息熵监测技术的研究现状3 1 2 3 阶比分析技术研究的国内外现状3 1 3 主要研究内容与结构安排。4 1 4 本章小结5 第2 章发动机台架试验实时监测技术的理论基础。6 2 1 发动机台架试验实时监测的内容6 2 1 1 发动机台架试验6 2 1 2 发动机台架试验监测内容8 2 1 3 发动机台架试验实时监测的需求分析8 2 2 信号分析处理技术一8 2 2 1 振动信号的时域特征参数9 2 2 2 振动信号的频谱分析1o 2 3 信息熵的基本理论l3 2 3 1 信息熵的概念一1 3 2 3 2 信息熵的基本理论1 4 2 3 3 基于信息熵的振动信号实时监测技术1 5 2 4 阶比分析理论1 7 2 4 1 阶比分析的数学含义一18 2 4 2 计算阶比技术分析( c o t ) 19 2 4 3 阶比分析的内容一2 2 2 5 本章小结2 4 第3 章基于信息熵与阶比分析技术的发动机台架试验实时监测技术的实现2 5 3 1 基于信息熵特征值的实时监测技术的实现2 5 3 1 1 信息熵与发动机台架试验工况的关系2 5 3 1 2s h a n n o n 熵监测技术的模型建立2 8 3 1 3 基于信息熵监测技术的实现3 2 3 2 基于阶比分析的实时监测技术的实现3 4 3 2 1 转速信号的采集3 4 3 2 2 振动信号的滤波与重采样。3 7 3 2 3 阶比分析的实现3 7 3 2 4 基于阶比分析的实时监测特征值范围的选取3 9 3 3 本章小结。4 0 第4 章基于虚拟仪器的实时监测技术软件的开发4 l 4 1 实时监测技术软件设计。4 1 4 1 1 虚拟仪器技术的介绍4 l i v 4 1 2 实时监测技术软件的总体构建4 2 4 2 信号采集模块4 4 4 2 1 振动信号的采集4 4 4 2 2 发动机台架试验实时监测其它信号的采集4 5 4 3 信号处理模块4 6 4 3 1 s h a n n o n 熵监测模块4 6 4 3 2 离线分析模块。4 7 4 4 数据记录模块4 9 4 5 预警记录查询模块4 9 4 6 本章小结5 0 第5 章发动机台架试验实时监测软件运行结果分析与验证5 l 5 1 发动机台架试验实时监测软件验证概述5 l 5 2 s h a n n o n 熵实时监测与功率谱熵结果验证。5 l 5 2 1 振动信号测试部位的选择5 l 5 2 2 测试设备连接5 2 5 2 3 s h a n n o n 熵实时监测结果验证和功率谱熵计算结果5 3 5 3 阶比分析验证5 4 5 3 1 测试条件的选择5 4 5 3 2 测试结果的分析5 5 5 4 本章小结5 7 第6 章总结与展望5 8 6 1 主要研究成果与总结5 8 6 2 研究展望5 8 参考文献5 9 致谢6 2 附录一研究生期间发表的论文6 3 附录二研究生期间参与的项目6 4 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 中国汽车工业经过近3 0 年的努力，特别是中国加入w t o 后，中国汽车工 业全面融入世界汽车工业体，进入了一个市场规模、生产规模迅速扩大的时代。 近年来，由于微型汽车价格低廉、低油耗、低污染、投资少、回报快等自 身独特的优势，我国的微型汽车产业处于飞速发展的状态。2 0 0 9 年，在国家 “汽车下乡”等利好政策的推动下，某微型汽车公司销量达到1 0 6 万辆，同比增长 超过6 5 ，更是成为国内产销增长最快车企。2 0 1 0 上半年，公司销量超过6 8 万 辆，在保持微车市场领先地位的同时再次开创国内车企产销纪录。 随着中国汽车的产销量的上升，作为汽车的动力心脏的发动机需求将越来 越多。同时随着车型品种的不断增加，也将产生更多对新品种的发动机。新开 发一种发动机，不仅在设计过程中进行不断的校验，而且在设计完成、装配成 功后还必须对其进行性能及耐久性试验，并根据试验结果不断的改进设计。汽 车发动机本身结构复杂，特别是对开发阶段、技术还未成熟的发动机，发生故 障的可能性将更大。发动机试验是考核发动机的动力性、经济性和工作可靠性 及检查整机和零部件的制造质量、可靠性和耐磨性等不可缺少的手段，也是研 究、设计、制造新型发动机的一个必不可少的重要环节l l 】。发动机在耐久试验过 程中，承受较大的多交变机械负荷及热负荷，有设计缺陷的发动机极易产生渐 变的结构故障。某微型汽车公司动力环保试验室目前已拥有六台发动机性能 试验台架，其中包括：2 台1 2 0 k w 的a c 测功机，控制系统为p u m ao p e n 2 3 版：4 台1 6 0 k we c 测功机及控制系统。2 0 0 9 年，试验室曾发生过试验 中连杆主轴承脱落将缸体击穿、传动轴断裂等事故，同时试验中的发动机的不 确定因素导致的事故发生率将更高。发动机试验过程中的这些事故将对试验人 员的人身安全具有很大的威胁，同时对昂贵的发动机台架也产生非常大的损害。 因此，有必要研究一套监测系统，对被测微型汽车发动机进行状态监测， 并在微型汽车发动机产生重大故障前，发出以起到保护试验人员和试验台 架为目的的停止试验预警信息。 本文研究的意义可以概述为： ( 1 ) 为微型汽车发动机重大事故发生前可及时关闭发动机台架测试系 武汉理工大学硕士学位论文 统，降低微型汽车发动机试验室伤害事故发生率，提供安全的工作环境； ( 2 ) 减少测试发动机非正常运行对试验台架的危害，降低台架维护成 本；通过振动等信号在线、离线分析，缩短测试发动机故障原因查找时间。 ( 3 ) 在发动机台架试验状态监测的基础上，提供研究发动机台架试验 振动信号特征值提取的方法。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 基于振动信号的发动机监测技术国内外现状 近几年，发动机实时监测技术越来越受到关注。目前，国内外对发动机 实时监测技术的研究颇多，也取得较多的成果。 国内研究的文献中有南京航空航天大学王小进等人利用x r f 技术对发动 机进行智能监测。利用x r f 技术预测油液金属含量和发动机状态从而判别发 动机的工况和元素分组，继而开发了发动机智能监测软件系统1 2 1 ；中北大学于 丽霞等人阐述发动机振动信号分析主要方法的基础上，结合虚拟仪器的研究 成果，运用l a b v i e w 开发平台在w i n d o w s 下构建了发动机振动信号的虚拟 分析处理系统。该系统具有信号预处理、统计特性分析、时域分析、频域分 析和时频联合分析等功能，具有良好的人机交互界面，操作方便p j 。 然而，具体至试验台架过程的发动机状态监测基本没有且多为航空航天发 动家实时监测研究，进而对保护台架设备的预警系统开发缺乏相应的研究，且 对发动机故障模式单一化不能全面体现发动机的故障表征。目前，国内外存在 的主要成果有： 湖南大学刘孟祥、龚金科等人为了提高车用发动机运行过程经济性，采用编 写的通信类在v i s u a lc + + 中开发了串行通信程序，并与o d b c 技术相结合，开发了 车用发动机热工状况在线监测系统，动态显示测点的温度、压力等参数。实验结 果表明，该系统能较好地实现车用发动机热工状况主要特征参数的采集、查询、 异常报警、历史趋势图和热效率显示【4 】；西北工业大学马建仓等人在提取混沌振 动信号方面，使用快速独立分量分析( f a s ti c a ) 盲分离方法分离出飞机发动机振 动信号中的混沌信号，利用功率谱l y a p u n o v 指数( le ) 方法进行了判定，根据计 算结果对发动机状态做出判断，验证了盲分离方法分离混沌振动信号的有效1 5 j ； 徐州空军学院刘玉兵等人利用模糊神经网络处理不确定性复杂问题的能力，融合 多种监测参数的信息，建立了基于趋势分析的5 级状态监测警报系统，通过实例 2 武汉理工大学硕士学位论文 验证了监测模型的正确性1 6 。 国外研究的成果有1 9 9 2 年g e 公司运输系统部使用的结合温度、压力、转 速等传感器技术以及n e u c e 振动信号处理技术的专家系统。该系统经过发展现 在已能够诊断发动机气阀与阀座冲击、燃油喷射故障以及活塞环断裂或过度磨 损等；c a p t e rp i l l a r 公司研究柴油机故障诊断问题所使用的高速数据采集器对柴 油机的振动、噪声、以及温度和压力信号进行采集；c o i n l n i n s 发动机公司研究 发动机故障主要采用灭缸实验法以及应用测功器来监测发动机的工作状态。此 外，德国r e d a n t 公司的产品m i g l 6a q s 和m i g l 6s f e ，也是利用振动信号对 发动机运行状态进行监测和故障分析，并能一定程度上对故障趋势进行预测， 达到提前预知故障并进行台架保护的目的。 目前国外的研究方向还主要包括有：通过发动机机体表面振动信号识别压 力示功图；利用振动信号推算瞬时转速用以计算发动机缸内压力变化；通过时 频分析、小波分析等现代信号分析与处理方法来处理发动机表面振动信掣卜b 】。 1 2 2 信息熵监测技术的研究现状 信息熵是对系统不确定性程度的表述，在对振动信号进行信息熵计算可以 对设备状态的变化情况进行度量。华中科技大学陈菲等人在实验室模拟转子机 械故障，分别求的时域、频域等的信息熵，得出每一种故障在不同量化域中， 都会有特定的信息熵值1 1 4 】；西北工业大学杨文献等人利用振动信号奇异值分解 并通过试验验证了奇异熵在振动信号信息能量评估等方面的可行性f l 习； c h a n g m a ns o n 等人在d d u m n i t r e s c u 研究的模糊熵测度理论基础上发展该理论 并进行了应用性研刭蛉1 7 1 。 此外，国内外研究对信息熵的功率谱熵以及不同信号的信息融合技术上都 有广泛的研究。但是研究普遍存在信息熵测度对设备状态识别是基于先验信息 情况下进行的，在实际应用研究中仍有不足。 1 2 3 阶比分析技术研究的国内外现状 发动机作为旋转机械设备，在发动机台架试验中发动机出现的故障占绝大 多数，所以基于旋转机械振动信号的特征分析是台架试验实时监测技术的重要 保证。阶比分析是一种将非平稳时间信号通过等角度采样转变为等角度稳定信 号的分析技术，该技术更好反映振动信号随主轴旋转速度的关系，更解决了发 动机升降速过程中频率模糊的现象。 3 武汉理工大学硕士学位论文 自r p o t t e r 提出计算阶比方法后，k mb o s s l e y 等人对软硬件件结合的阶比 分析进行了研究；b o a s h a s hb 提出阶比分析可以不需转速机及鉴相装置而利用 瞬时频率估计对振动信号进行转速估计从而得到等角度采样振动信号f l8 j ；国内 重庆大学张详春、秦树人等人也利用短时傅里叶变化及g a b o r 变换等得到从振 动信号分离出的转速估计，进行软件阶比分析1 1 9 1 。国内外生产阶比分析仪器的 厂商主要有丹麦b & k 公司7 7 0 2 型阶比分析仪，还有带有附加阶比分析功能的 动态分析仪，比如美国a g i l e n t 公司3 6 7 5 0 动态信号分析仪、d a t ap h y s i c s 公司的 a c e 动态信号分析仪和比利时l m s 公司的振动试验测试系统。国内北京的东方 振动和噪声技术研究所研发的d a s p 振动测试分析仪、江苏东华测试公司的旋 转机械状态监测和故障诊断系统等。 阶比分析作为振动信号特征分析的一种方法，可以很好地解决振动信号随 转速变化带来的频谱“模糊”以及“漂移”现象。在旋转机械状态监测过程中，国内 外研究从平稳信号转移到非平稳信号。阶比分析作为一种简单实效的分析技术 已经在理论研究以及工程实际应用中得到了广泛发展。 1 3 主要研究内容与结构安排 基于发动机台架试验的特点以及振动信号对机械设备状态监测、信息熵与 阶比分析研究的国内外现状，本文从发动机台架试验实时监测理论基础的研究 出发，介绍实现发动机台架试验实时监测技术实现的过程，并根据建立的监测 技术模型从而基于l a b v i e w 软件编写发动机台架试验实时监测软件，软件的编 写还包括报告状态信息异常预警模块以及报警记录查询模块等，本文最后对基 于振动信号的发动机台架试验实时监测技术与软件进行验证，从而论证技术的 可行性与正确性以及监测软件的适用性。 本文的结构安排概括为： 第一章，绪论。主要阐述本文研究的背景与意义，介绍发动机状态监测、 信息熵技术以及阶比分析技术的国内外现状； 第二章，发动机台架试验实时监测技术的理论基础。通过介绍发动机台架 试验、信号分析处理技术的基本理论，阐述信息熵与阶比分析的数学内涵、实 现方式等内容； 第三章，基于信息熵与阶比分析技术的发动机台架试验实时监测技术的实 现。主要建立基于s h a n n o n 熵的监测模型，试验得到振动信号功率谱熵正常谱 4 武汉理工大学硕士学位论文 值带。介绍结合台架试验特点实现阶比分析的过程与技术难点处理方法，试验 得到阶比分析特征值； 第四章，基于虚拟仪器的实时监测软件的开发介绍虚拟式仪器技术以及 l a b v i e w 软件，建立软件编写流程图、定义主要功能模块，主要阐述各主要功 能模块的编写； 第五章，发动机台架试验实时监测团建运行结果分析与验证。通过软件运 行验证软件的适用性与基于s h a n n o n 熵的监测模型参数设置的合理性，同时验 证功率谱熵的监测结果。对离线功能分析模块中阶比分析的结果进行分析，从 而验证阶比分析技术实现的合理性以及特征值提取的正确性。 第六章，总结与展望。对全文结论予以总结，并提出下一步工作方向。 1 4 本章小结 本章旨在对论文建立初步了解。介绍本文研究的目的以及研发发动机台架 试验实时监测软件的重要意义，分析基于振动信号的机械设备状态监测以及信 息熵和阶比分析国内外研究现状并介绍本文主要的研究内容及论文组织结构。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章发动机台架试验实时监测技术的理论基础 机械设备的各种状态和运转过程通常以其“二次效应”反映出来，典型的 二次效应有振动、噪声、温度等。通过电测手段可将这些物理量侧取记录下 来，其中从振动信号中提取反映振动状态的信息和参数是科学研究与工程应 用中经常采用的方法之一。振动信号通过振动传感器( 如加速度传感器等) 和信号调理获取。初始振动信号往往是杂乱无章的，包含信息不明确、不直 观，很难获得机械设备运行状态信息。进而需要对信号进行变换处理，从不 同的信号处理方法获取最直接、最有效的信号特征。振动信号处理方法可由 硬件或者软件进行，同时可从多分析域、多角度进行观察。信号分析处理方 法的选择以及结果的准确性对机械设备的状态监测具有较大影响i z o j 。 目前工程技术领域对振动信号采用较多地多为时域分析、频域分析。在 时域分析范围内，台架试验过程中运行状态不稳定的时候其振动情况相对于 正常状态发生改变。从振动信号的角度看，表现出统计特征原来平稳有序的 信号中混杂了不一致的成分，其振动蕴含的信息复杂程度也发生了变化，所 以可以通过对发动机试验台架振动状态复杂性的评价来判断设备运行的状态 【2 。从振动信号的频域分析可以判断实时监测机械设备运行状态，但对发动 机等旋转机械升降速工况下等的运行状态评价易出现错误判断。在发动机台 架试验实时监测中，引入阶比分析的概念解决非平稳工况下的实时监测结果 可信度的问题。 2 1 发动机台架试验实时监测的内容 2 1 1 发动机台架试验 汽车发动机试验一般可分为常规试验和单项专题性研究试验两大类。在常 规试验中又可分为性能试验和可靠性试验。对发动机的常规试验根据不同的对 象又可分为定型、验证和抽查三种类型田j 。 世界上各国都制定了相应的内燃机或发动机试验标准，这些标准通常都是 按内燃机种类和用途分类制定的。我国也制定了相应的内燃机和发动机试验方 法，如1 9 8 7 年制定颁布的“内燃机台架性能试验方法”( g b l l 0 5 3 1 9 8 7 ) ，国家 汽车行业标准“汽车发动机性能试验方法”( q c t5 2 4 1 9 9 9 ) 和“汽车发动机可靠 6 武汉理工大学硕士学位论文 性试验方法”( q c t5 2 5 1 9 9 9 ) 等。本文主要研究的发动机台架试验是车用发动 机性能试验和耐久试验，它们分别采用的试验标准为“汽车发动机性能试验方法” ( g b t 1 8 2 9 7 2 0 0 1 ) 和“汽车发动机可靠性试验方法”( g b t 1 9 0 5 5 2 0 0 3 ) 。 通常发动机台架试验是在专用的试验间进行的，发动机台架试验室通常由 试验间和控制室组成，其结构示意图如图2 1 所示。发动机台架试验系统主要由 测功机、联轴器、燃油供给系统、冷却水系统、进排气系统、润滑油系统和发 动机监控系统组成。 图2 1 发动机台架试验测试系统示意图 测功机也称测功器，是发动机试验的主要执行部分，主要用于对发动机进 行转速、扭矩和有效功率的测试及性能试验、耐久试验等。它是采用间接测量 个 的方法，即直接测出发动机输出轴的转矩1 q ( n m ) 和转速n ( r m i n ) ，然后按下式 计算有效功率：p 一7 ，一( k w ) 。 9 5 4 9 变速箱用于实现发动机试验过程中传动比的改变，扩大转速的变化范围， 使发动机能够根据需要处于起动和怠速等工况。 冷却系统、燃油仪表和给油系统是发动机能正常运转的保障，保证发动机 运转过程中燃油、机油和冷却水的正常供应以及控制他们在一定的温度范围内。 试验人员可通过计算机操作界面操作控制整个试验过程，对相关数据进行 显示、分析和通讯。通过键盘或鼠标输入相关的数据，起动试验过程控制软件 和数据采集软件；控制单元是对试验台架的设备，如发动机、测功机和各种类 型传感器等所有数据进行采集和传送，由交流驱动控制器对传送过来的各参数 值进行分析并对控制单元进行反馈控制。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 发动机台架试验监测内容 为了保护试验用发动机和台架设备免受损害，发动机台架试验测试系统自 行监测控制某些参数在允许的界限值内，其监测的参数为：冷却水出口温度、 润滑油温度、润滑油最低压力、进气管压力、以及转速和扭矩。如果实际值达 到了设定边界值的9 0 ，相应值在屏幕上显示红色；如果超过了边界值，控制 计算机自动关闭试验台架。但是，对于台架试验测试系统，发动机、变速箱和 传动轴任一机构发生故障都将在试验室产生破环性的重大事故。并且对于处于 故障状态的发动机，其故障状态并不能实时的反映为上述参数的变化，因此， 有必要对可以反映发动机实时状态的参数进行监测，达到发动机状态实时监测 的目的。 2 1 3 发动机台架试验实时监测的需求分析 发动机、变速箱、传动轴和测功机组成了发动机试验系统，在试验过程中， 发动机、变速箱和传动轴任一机构发生故障都将在试验室产生破坏性的重大事 故。发动机的机构故障主要是主运动副活塞曲柄连杆机构故障，变速箱故 障主要是由于齿轮副失效引起的。当测功机位置固定后，变速箱的故障将对传 动轴产生交变的载荷导致传动轴的断裂。基于振动信号的发动机台架试验实时 监测技术需要对发动机主要零部件进行结构监测，同时，实时监测技术及软件 实现还需要满足以下要求i z 州： 1 ) 发动机台架试验状态监测连续化。发动机台架试验实时监测软件的实现 需要对输入通道信号都可以进行实时不间断监测； 2 ) 振动信号数据处理实时化。实时监测要求加快对数据信号的处理，提高 实时性水平，及时了解台架运行状态，防止重要故障引起安全事故； 3 ) 信号分析多功能化。在对发动机台架试验状态实时监测的要求满足基础 上，提供分析信号、查找故障原因的离线信号分析功能； 4 ) 实时监测结果合理化。实时监测的结果分析应具备一定的可信度，同时 软件设计还应提供多分析通道验证预警结果的正确，减少实时监测预警结果的 错误输出，同时还可修正软件参数设置。 2 2 信号分析处理技术 1 9 世纪初傅里叶提出傅里叶变换以后，人们对信号采用两种最基本的形 8 武汉理工大学硕士学位论文 式来描述信号，即时域形式和频域形式。信号的时域和频域的便是极大地帮 助人们了解信号的一些基本属性，如波形中心、均方持续、频率中心等。 2 2 1 振动信号的时域特征参数 在发动机台架试验过程中，台架设备变现出的载荷变化大多属于低频性 质，低频载荷故障对发动机及台架损伤取决于机件载荷幅值大小及出现的次 数，而与载荷幅值变化的速率无关。所以，在测得载荷信号的时间历程后， 需要研究幅值的最大值和最小值、平均值和均平方根值以及其概率分布等。 对于给定时间序列信号x ( ”，其时域波形的基本特征常用信号能量、波 形中心、均方持续等特征来描述。 l 、信号能量 信号x ( t ) 的能量( s i g n a le n e r g y ) 定义为： e = i l x ( t ) 1 1 2 ：e l x ( t ) 1 2d 。 ( 2 。) 从式2 1 可以看到，i x ( t ) 1 2 为单位时间内的能量，因此i x ( t ) 1 2 也称为能 量密度或者瞬时功能。若对能量有限信号的能量进行归一化，即总能量取1 ， 则称该信号为能量归一化信号。即e = l 。 2 、波形中心 如果把i x 1 看作时间密度，那么平均时间可定义为： 而= c t lx ( t ) 1 2 d t ( 2 - 2 ) 信号的平均时问又称为波形中心。信号的时间平均不尽可以给处信号能 量密度的大致特征，同时还可以给处密度集中在什么位置。 3 、均方持续 均方持续又称为时间平方平均。相似于定义时间平均一样，时间均方持 续定义： 丽= c f 2 l x ( t ) 1 2 d t 3 ， 4 、幅值的平均值、方差和标准差 振动信号幅值的平均值、方差和标准差给出振动信号载荷的中心位置和 9 武汉理工大学硕士学位论文 变化的平均水平。对于两个幅值最大值相i 司的波形信号而言，其振动信号中 一i i , 位置可能不同。因此，为了确切表述振动信号特性，必须给出振动信号 x = - x , l i = 0 ，1 ，2 ，一1 平均位置的平均值，简称均值，也称为直流( 静态) 分量： 叉= 土毛 n 智1 ( 2 4 ) 振动信号的平均值仅仅给出振动信号在中心位置上下波动的情况，对于 中心位置波动的程度则未进行描述。因此，描述波动程度的方差反映了振动 信号的动态部分。除此之外，任何随即振动的一般强度还可用均方值来表述， 等于方差加上均值的平方，反映出振动动态和静态总的平均能量水平。振动 信号的方差、标准差及均方值的公式如下： 一2 专孙帚 ( 2 - 5 ) 听2 瓜2 后喜吣 协6 ， 又2 = 专善# 7 ， 5 、信号的有效值( r m s ) 在机械设备发出的振动中，平均值、均方值分别反映出振动瞬时值的中 心位置变化的趋势的对均值的集中程度，同时，信号的有效值r m s 还可代表 振动的量级水平。工程上经常用一个恒定的当量幅值来表示整个振动载荷的 大小，这就出现了有效值的改变，即均方值的方根，称为均方根值： k = 厅2 后善# 8 ， 2 2 2 振动信号的频谱分析 工程技术领域所测的振动信号一般为时域信号。为了通过所测得的振动 信号观测掌握监测对象的动态情况，因为故障或失稳情况下机械设备的振动 信号往往出现频率结构的变化。频率领域内信号分析的基础是频谱分析，亦 称为频率分析f 2 4 l 。 1 、离散时间序列傅里叶变换 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 利用频谱分析方法，是使用某种数学变换，将复杂的信号分解为简单信 号的叠加。使用最普遍的变换方法是傅里叶变化。傅里叶变换是将复杂信号 分解为有限或无限个频率的谐波分量；也将是将一个组合振动分解为它的各 个频率分量，将谐波分量按一定顺序排列就形成了频谱。由在【o ，r 】上的连续 时间信号x ( ，) 得到离散时间序列x = 毛l 待o ，1 ，2 ，n - 1 ( n = t a t ， a t = 1 l ，z 2 f m ) 的傅里叶变换为： ( 缈) x 心e 一舭， ( 2 - 9 ) 其中，x ( 彩) 叫作x 的傅里叶变换，常记为x ( o ) = x x ，l 。工程领域习惯使用 频率fc j 自变量( f = 2 x o ) ，同时将频序号k ( k ：0 ，1 ，2 ，一1 ) 替换频率f ， 公式2 - 9 可以改写成另外一种形式，即 x ( 后) ：y n - ix i e - j 2 = k i 三月 ( 2 - 1 0 ) x ( 后) = x i e 州 ( ) 2 ) 振动信号的能量与频谱特征 根据帕塞瓦尔恒等式，在频域范围内信号的能量可表示为： e = 篆l x a i = 万1 缶n - ii x ( k 1 2x 0 ) 1 2 ( 2 e = l= 百己i ( ) 1 2 ( 2 一l1 ) ，= o o ，2 假若设信号为能量归一化信号，i f q c ) 1 2 2 7 可称为单位频率的能量密度， 简称为能谱密度；当 f ( k ) 1 2 2 石表示频率密度，那么就可用来计算频域范围内 的某些平均值，与时域特征值类似，通过求均值反映频谱密度的大致特征。 3 ) 振动信号频域谱值 频谱分析是机械设备状态监测中使用广泛的信号处理方法。机械设备故 障或者失稳状态的出现都会引起振动频率的变化。这种变化体现在两方面： 一是增加新的频率成分；二是原有频率的某些或全部幅值增大。在设备状态 监测以及设备故障诊断常用的频谱类型很多，本文介绍几种频谱的特点。 幅值谱是把一个振动信号从时域变换到频域，是用有限或无限个简谐函 数表示振动信号的一种方法，简谐函数的数量是由振动信号的频率成分决定。 武汉理工大学硕士学位论文 每个简谐函数都有一个确定的频率与之对应，一个频率代表一个简谐函数。 幅值谱图表现出振动信号x ( ，) 中各个谐波分量饿幅值与频率间的关系，反映 出信号在不同频率下幅值特性和变化特征。图2 2 为原始振动信号时域波形和 其幅值谱图，从波形可以看出信号为准周期信号，在l o o h z 及其倍频处可以 观察到信号的主要频率成分。 信号幅值谱 图2 2 原始信号时域波形与幅值谱图 自功率谱表示振动信号x ( t ) 中各谐波分量的频率与信号能量的关系， 在工程领域中应用于故障诊断等方面。自功率谱函数是在频域中对信号能量 或功率分布情况的描述，它可由相关函数的傅里叶变换求的，自相关函数计 算公式为： 个 月r