船用柴油机气阀漏气声发射监测系统研制.docx
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1、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
2、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,2
3、NavalAcademyofAnnament,Beijing1(XX)73,China,3ShanghaiMarineDieselEngineResearchInstitute,Shanghai201108,China.)Abstract:Thedevelopmentofavalveleakagemonitoringsystemwasmainlyintroducedinthisworkwhichissuitableforengineeringapplication.AnAEsensorcanbeportablylocatedonthecylinderheadthroughaportablese
4、nsoradapter,ahandhelddataacquisitioncontrollerbasedonSTM32F103VCmicroprocessorwasdevelopedtoremotelycontrolthedataacquisitionofahighresolutionFPGAdataacquisitiondevice,aLabVIEWmonitoringsoftwarewasdevelopedtopreprocess,EMD(EmpiricalModeDecomposition)handling,featureparametersextraction,andvalvecondi
5、tionmonitoring.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
6、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
7、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
8、。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
9、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
10、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STM32F103
11、VC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
12、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
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