船用柴油机气阀漏气声发射监测系统研制.docx

船用柴油机气阀漏气声发射监测系统研制余永华；刘强2,胡旭钢3,张舒I潘长海I（1武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉430063,2海军装备研究院，北京IoOO73,3中国船舶重工集团公司七一一研究所，上海201108.）摘要：介绍了适用于工程应用的柴油机气阀漏气声发射便携式监测诊断系统。其中，声发射传感器通过手持式安装座便携式放置在柴油机缸盖，以STM32F103VC微处理器为核心的便携式信号采集控制器远距离控制NlFPGA数据采集卡的高速数据采集，LabVIEW平台下开发的声发射信号分析软件对采集的信号进行预处理后，进行EMD信号分析处理，提取气阀漏气特征参数，监测柴油机气阀状态。经某中速机的试验验证，系统能适用于船舶现场工程环境。关键字：船用柴油机，气阀漏气，声发射，监测系统中图分类号：U664.121文献标识码：ADevelopmentofvalvesleakagemonitoringsystembasedonacousticemissiontechniqueformarinedieselenginesYUYong-hua,1LiuQiang,2HuXu-gang，PanChang-haif11,ZhangShiI(lSchlofEnergyandPowerEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China,2NavalAcademyofAnnament,Beijing1(XX)73,China,3ShanghaiMarineDieselEngineResearchInstitute,Shanghai201108,China.)Abstract:Thedevelopmentofavalveleakagemonitoringsystemwasmainlyintroducedinthisworkwhichissuitableforengineeringapplication.AnAEsensorcanbeportablylocatedonthecylinderheadthroughaportablesensoradapter,ahandhelddataacquisitioncontrollerbasedonSTM32F103VCmicroprocessorwasdevelopedtoremotelycontrolthedataacquisitionofahighresolutionFPGAdataacquisitiondevice,aLabVIEWmonitoringsoftwarewasdevelopedtopreprocess,EMD(EmpiricalModeDecomposition)handling,featureparametersextraction,andvalveconditionmonitoring.Finally,theapplicabilityandfeasibilityofthismonitoringsystemunderfieldenvironmentswasverifiedonamedium-speedmarinedieselengine.Keywords:marinedieselengine,valveleakage,AcousticEmission,monitoringsystem0引言柴油机气阀漏气故障率高，如出现严重漏气故障，可能造成恶性事故，故对柴油机气阀漏气监测十分重要。声发射（ACoUStiCEmiSSiOn）是指材料局部能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象，也称为应力波发射，声发射信号频率高可达数MHz,分析频率远高于背景噪声，信号频率成分丰富，信噪比高IL目前国外在气阀间隙故障和漏气故障方面都做了相关研究臼，MANB&W公司研发中心在二冲程4缸试验用船舶柴油机上（缸径50Omm）进行了三种不同漏气状态的排气阀故障模拟试验研究，采用主成分分析法对试验数据进行特征参数提取，运用神经网络识别法进行故障识别，其故障识别率达95%以上。文献4通过试验发现，声发射应用于往复机械监测诊断存在一定的共性，提出了声发射信号特征参数提取的基本方法，并以汽油机燃烧故障、柴油机气缸垫漏气和压缩机气阀故障的试验为例验证了方法的有效性。德国EUB研究所开发的EUB-CDS（ComplexDiagnosisSyStem）柴油机故障诊断系统采用声发射信号监测气阀漏气状态。国内武汉理工大学气阀漏气故障诊断做了大量的研究工作，在不同型号的柴油机上进行气阀漏气故障模拟试验，研究不同声发射信号分析处理方法应用于气阀漏气监测诊断的可行性5力。本文旨在介绍应用己有的研窕成果研制的能适用于工程现场环境的船用柴油机气阀漏气监测诊断系统的研制。1监测系统硬件和软件设计柴油机气阀漏气监测系统整体结构示意图如图1所示。监测系统主要由手持式传感器安装座（含声发射传感器）、上止点传感器、便携式信号采集控制器（含声发射信号前置放大器）、数据采集卡和计算机（上位机）组成。图1气阀漏气监测系统整体结构示意图手持式传感器安装座：内置声发射传感器，系统选用美国声学物理公司Micro80D型声发射传感器。声发射传感器通过手持式安装座紧贴在气缸盖上，将安装座放置在不同气缸盖声发射信号敏感测点，对柴油机各缸的气阀漏气进行监测。上止点传感器：系统选用磁电式传感器。上止点传感器安装在曲轴飞轮端或凸轮轴上，用于定位和提取不同时间段的声发射信号。便携式数据采集控制器：采集控制器内置有声发射传感器的前置信号放大器，同时通过与上位机（计算机）的双工串口通信，控制上位机对声发射信号的采集和存储。采集卡：根据声发射信号的特征，选用NI公司PCI6115型高速四通道数据采集卡，其最大采样率达2M,安装在计算机内。计算机：系统分析计算软件安装在计算机内，与便携式数据采集控制器通信，实现上止点信号和声发射信号的采集、存储、显示、声发射信号分析处理和特征参数的提取。1.1 传感器及手持式安装座传感器及手持式安装座如图2所示，其中声发射传感器安装在手持式安装座罩壳的中央，传感器导线由支座的空心手柄内引出，传感器四周镶嵌强磁力磁铁。测试时，将手持式安装座放置在气阀漏气信号敏感测点位置上，在磁铁磁力和传感器压紧弹簧的作用下，声发射传感器紧贴在被气缸盖表面，以保证测试信号的稳定。图1手持式安装座设计图1.2 便携式信号采集控制器船舶柴油机气阀漏气的监测，一般通过逐缸测量气缸盖声发射信号来实现的，根据机舱设备的布置，监测用计算机布置在集控室或专用监测室内，如图1所示。若采用传统的传感器前置放大器采集卡测试系统，为了保证监测的同步性，则至少需要两人同时参与测试，一名技术人员在计算机旁负责信号采集，另一名技术人员负责移动声发射传感器，所以测试过程复杂。根据船舶现场应用环境，简化测试过程，开发便携式信号采集控制器非常必要如。L便携式信号采集控制器除了内部嵌入声发射信号前置放大器，对声发射信号调理和放大外，还有电源模块、通信模块、显示模块、键盘模块。该控制器与计算机进行RS485串口通信，能远距离控制计算机信号采集和存储。图2为便携式信号采集控制器内部组成示意图，其采用STM32F103VC作为微处理器，外接12V电源通过LM2575和AS1117电压转换芯片给微处理器及其它芯片供电；JPAG调试电路及键盘电路与微处理器相应I/O门相连，LCD1602液晶显示模块与微处理器相应I/O口相连，串口通信电路通过SP3485芯片与微处理器相应I/O口相连。声发射信号输入端通过继电器及信号放大电路后与信号输出端相连，微处理器相应DO与继电器相连,以控制继电器的开断。*12V图5上位机软件模块框图图6上位机软件前面板图3便携式信号采集控制器内部组成示意图便携式信号采集控制器软件的控制流程如图3所示，测试前，控制器与计算进行信号握手，在显示屏的提示下输入测试缸号等信息，即可声发射信号的测试，测试结束后计算机程序会提示用户是否结束或进行下一缸测试。图4便携式信号采集控制器软件控制流程2上位机软件设计上位机软件是在LabVIEW平台下开发的，通过485串口与便携式信号采集控制器通信。气阀漏气监测系统上位机软件结构框图如图5所示。主要部分包括：参数设置模块、通信模块、信号采集与自检模块、信号存储与数据库管理模块、信号分析模块、报表生成与打印模块，软件界面如图6所示。2.1 通信模块上位机软件与便携式信号采集控制器通信，根据用户的操作完成声发射信号的采集控制。测试某缸声发射信号时，当控制器与上位机连接成功后，采集控制器提示用户输入当前测试的气缸号等信息，上位机接受到控制器的信号后，先检测数据的有效性，若通过信号检测，向采集控制器发送提示信息，用户按“采集”按钮，上位机立即启动数据采集模块根据设定的时长采集数据，并存储在指定的文件夹中，存储结束后发送提示信息到采集控制器，至此，当前缸测试结束,用户可以将手持式安装座移动到其它缸继续测试；若未通过信号检测，则用户需要检查各路信号是否连接正确。2.2 数据自检与采集模块数据采集之前，需先检测信号的有效性，以剔除畸变信号，保证监测结果的正确性。信号有效性检测步骤如下：1)监测各通道采样数，且仅当所有通道采样数非空时进行下一步。2)对信号进行周期截取，随机抽取某单个周期信号，计算该周期声发射信号均方根值、上止点信号峰峰值作为检验参数。3)基于3。法则对上述参数进行检验，进而判断信号有效性。3。法则是服从正态分布统计量的概率分布规律，若一个变量服从正态分布N(,。)，则该变量观察值落在口-3。，+3。区间的概率为99.6%。因此，若观测到的变量值不在该区间,则认为当前观测值为奇异值，予以剔除。信号有效性通过后，采集程序根据软件中预先设定的采集参数，如信号通道、采样率、采样时长等，对上止点和声发射信号进行采集。采集结束后，数据存储在指定的文件夹中，其中采集的时长设置应保证至少能采集到10个以上周期的信号。3气阀漏气监测诊断算法02胆oyOJ-OH(b)滤波后信号图7柴油机气缸盖声发射信号3.2声发射信号区间的提取柴油机缸盖表面的声发射信号，它是由缸内气体燃烧产生的冲击、气阀与阀座的撞击、机体的振动，以及缸内燃烧时气体泄露对缸盖的冲击等激励源产生的。柴油机做功冲程初期，进排气阀关闭，缸盖声发射信号只受漏气冲击激励，故提取此区间信号进行分析处理671。根据WP10-240柴油的配气相位图，如图8所示，截取2#缸燃烧上止点25CA至80CA的声发射信号如图9所示。气阀漏气监测诊断主要分四步，首先，对原始信号进行滤波处理，如图7所示；其次，根据上止点信号和柴油机转速提取燃烧段的声发射信号；再次，采用EMD信号分析方法计算燃烧段的声发射信号特征值，最后根据特征值判断气阀状态。上止点后25CA-80CA3.1信号滤波参考Micro80D声发射传感器工作频率范围，设置截止频率为175kHzO图7(a)和(b)分别WP10-240型柴油机额定工况正常状态下一个工作循环内滤波前后的声发射信号。(a)原始信号图8WP10-240型柴油机配气相位图00.0050.010,0150.020.0250.03时间射点发压止声EI上:止点后25CA至80CX'图9声发射信号特征参数段划分3.3声发射信号的EMD分解信号经过EMD分解可以得到若干不同时间尺度特征的IMF分量。满足下面两个条件可称为IMF分量。(1)局部极大值以及局部极小值的数工况PlP2P3P4P5P60%负荷正常态61.2221. 139. 983. 092. 031.29轻微故障71.3211.258. 252. 892. 650. 98严重故障75.819. 394. 082.811.851.5625%负荷正常态69.4110. 987. 333. 652. 571.96轻微故障75. 3310. 955. 353. 122. 651.25严重故障80. 798. 353. 992. 741.590. 8550%负荷正常态63. 0519. 388.213. 693. 181.25轻微故障70. 4515. 657. 651.982. 540. 98严重故障78.511.324.211.831. 140.7175%负荷正常态65. 2515. 438. 654. 282. 481.67轻微故障73.0110. 268.013. 251.981.25严重故障75. 149. 367. 253. 322.011.02100%负荷正常态63. 1218. 898. 983. 962. 951.65轻微故障71.0812. 867. 883.112. 981.99严重故障73. 8611.857. 112. 892.011. 14表1不同气阀状态前6个IMF分量能量占总能量的百分比()目之和必须与过零点的数目相等或最多只能差Io(2)在任何时间点，局部极大值所定义的上包络线与局部极小值所定义的下包络线的平均值为零。EMD的分解过程其实是一个“筛分”过程，每个IMF反映了信号内部固有的波动性，在它的每一个周期上，仅仅包含一个波动模态，不存在多个波动模态混叠的现象。越早被分离出来的IMF分量对应的频率越高，然后依次降低。EMD分解算法如文献1切所示，限于篇幅原因，此处不再累述。3.4声发射特征参数其中特征参数£定义如下：截取燃烧上止点后25oCA至80oCA区间的气缸盖声发射信号进行EMD分解，可以分解得到6个IMF分量和1个残余分量R(t)o计算分解得到的6个IMF分量的能量占总能量的比例，设它们分别为Pl、P2、P3.P6。并定义信号的特征参数如下：C-C-<>4系统验证以6DK20型柴油机为试验研究对象，进行故障模拟验证试验。监测系统设定轻微故障时特征参数£阀值为10,严重故障时特征参数£阀值为15,并参照阀值计算故障百分率。柴油机气阀漏气声发射监测系统，分析不同气阀状态下气缸盖声信号，获得特征参数如表1、图10所示。图7特征参数£试验数据通过验证试验，系统运行正常，能相对准确地监测气阀轻微漏气或严重漏气，并给出报警。对于不同的柴油机，可通过试验适当调整特征参数的阀值，以提高其准确度。5结论船用柴油机气阀漏气声发射监测系统是柴油机气阀漏气状态监测的重要技术手段，适用于船舶的工程环境，其中手持式安装座简化了声发射传感器的安装，便携式信号采集控制器较好地实现了声发射信号的远距离采集控制，声发射分析处理软件根据EMD信号分析处理方法,利用不同IMF分析能量的变化，监测诊断气阀的漏气状态。本文开发的气阀漏气监测诊断系统主要采用EMD信号分析处理方法提取信号特征，虽然在某中速柴油机得到了验证，但测点的敏感性、不同机型的适用性还有待于进一步试验。参考文献1 Fathi-Elamin,Y.Fan,F.Gu.DetectionofDieseIEngineValveClearancebyAcousticEmissionJl,ProceedingsofComputingandEngineeringAnnualResearchersConference,2009,7-13.2 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