一種發動機異響故障在線診斷系統和診斷方法
2023-06-11 13:40:46 1
一種發動機異響故障在線診斷系統和診斷方法
【專利摘要】本發明提供了一種發動機異響故障在線診斷系統和診斷方法，診斷系統包括聲信號傳感器、聲信號採集儲存模塊和分析診斷模塊，所述分析診斷模塊包括通過頻譜分析獲得頻譜參量的頻譜分析診斷模塊、通過小波分析獲得能量參量的小波分析診斷模塊，以及通過心理聲學分析獲得心理聲學參量的心理聲學分析診斷模塊；頻譜分析診斷模塊、小波分析診斷模塊和心理聲學分析診斷模塊分別提取頻譜參量、能量參量和心理聲學參量來表徵異響故障特徵。本發明能替代人工完成發動機異響故障的在線診斷工作，其診斷的準確性和一致性高，能夠滿足發動機生產線實時、快速、準確的異響故障診斷需求，提高了發動機檢測線的工作效率。
【專利說明】一種發動機異響故障在線診斷系統和診斷方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種發動機檢測技術，尤其是涉及一種發動機異響故障在線診斷系統和診斷方法。
【背景技術】
[0002]在發動機下線檢測過程中，異響故障診斷是其中的重要一環，當前的發動機異響故障在線檢測是依靠有經驗的工人師傅進行人工聽診分辨，篩選出存在異響的故障發動機。這樣的主觀判定篩選受到諸多因素影響，如環境噪聲幹擾、工人師傅的工作狀態、不同師傅的判定尺度不同等等，這些都會導致診斷結果不同甚至完全相反，給發動機的下線檢測和質量控制帶來極大的困擾。
[0003]為解決此問題，中國實用新型專利(專利號:ZL200720094131.6)公開了一種汽車發動機異響檢測儀，該檢測儀由聲音傳感器、數據採集卡以及計算機軟硬體構成，採用小波變換極大模特徵，採用閾值法和矢量法相結合的技術手段對異響信號的非平穩特徵進行提取與識別。異響故障類型包括活塞敲缸、活塞銷響、曲軸軸承響、連杆軸承響、氣門響、挺杆響等，但其測試過程需要2分鐘，操作需要4個以上的步驟，這種診斷方式適用於離線的故障診斷，採樣時間較長(2分鐘)且操作步驟相對較多，不適用於生產節拍較快的發動機生產線，且採用的特徵提取算法單一，缺乏對不同異響特徵的針對性，也缺乏多指標相互印證交叉判定，不利於提高異響故障診斷結果的準確性。另一件中國實用新型專利(專利號:ZL200820167967.9)公開了一種發動機異響分析儀，該分析儀採用振動傳感器、信號處理器、計算機來代替人工判斷發動機狀態，其主要方法是將振動傳感器安裝在發動機的適當位置，通過比較振動信號與標準信號的波形、頻率、幅度，來得到發動機的工作狀態，但振動傳感器的安裝對於鐵質發動機機體可用磁座較為方便，而對於目前普遍採用的鋁質發動機機體則難以安裝，若用膠水固定則效率低且會破壞發動機表面；另一方面，該實用新型對異響評判方式採用較為簡單的波形、頻率、幅度的比較，並沒有通過信號處理方法提取各類異響對應的特徵值及判別閾值以便於系統自動分析判定，這樣的信號比較需要人工幹預分析判定過程，在發動機異響故障在線診斷系統中無法採用。
[0004]國外的發動機故障診斷在70年代已開始研究，在90年代便已逐步開發出相應的智能診斷系統，如 United States Patent 「US5932801Failure Diagnosis System forAutomobile Engine」, 1999年,該系統採用反拖發動機和離線信號處理的方式，並且採用了聲信號+曲軸轉角信號+凸輪軸轉角信號三個信號結合的信號採集方式，這種信號離線處理和多信號採集的方式不適用於在線故障診斷，且故障診斷過程發動機不點火，這與發動機工作的實際運行情況不符，缺少引起發動機振動噪聲的最大激勵源。又如=UnitedStates Patent 「US7187773B2System for evaluating abnormal sound, sound recorderand apparatus for evaluating abnormal sound，，，2007 年，該系統提出了一套基於網絡的分布式異響記錄診斷系統，該系統適用與遠程診斷和遠程技術支持使用，不適用於快速高效的現場在線診斷，並且只是提出了一個系統架構並沒有考慮實際應用層面的軟硬體支撐平臺。再如:United States Patent 「US7933742B2Abnormality diagnosing methodfor sound or vibration and abnormality diagnosing apparatus for sound orvibration」，2011年，其中提出了一套異常(故障)判斷的方法，此方法首先將振動或噪聲信號進行低通濾波，然後採用復小波的算法，並且用相關係數這一參數來辨別出是否異常。這種方法局限於低頻的特徵，而發動機異響大多數情況是由於機械故障引起的中高頻的振動噪聲信號，因而這一方法也是不適用於發動機的異響故障診斷的。另外，這種方法僅採用單一的復小波算法，異響特徵指標單一，缺乏多指標交叉判定，對於不同種類的異響故障特徵提取難以全面覆蓋，難以保證複雜異響故障辨別的準確性。
[0005]為解決此問題，有必要研製一套用於發動機檢測線的發動機異響故障在線診斷系統，以替代人工完成發動機異響故障的在線診斷工作，用客觀統一的判定標準來進行發動機異響故障的下線檢測。
【發明內容】
[0006]針對現有技術中存在的上述問題，本發明所要解決的技術問題在於提供一種發動機異響故障在線診斷系統和診斷方法，它能替代人工完成發動機異響故障的在線診斷工作，其診斷的準確性和一致性高，能夠滿足發動機生產線實時、快速、準確的異響故障診斷需求，提高了發動機檢測線的工作效率。
[0007]本發明的技術方案如下:包括相連接的聲學傳感器、聲信號米集儲存模塊和分析診斷模塊，所述聲學傳感器為一個並安裝在一處檢測，所述分析診斷模塊包括通過頻譜分析獲得頻譜參量的頻譜分析診斷模塊、通過小波分析獲得能量參量的小波分析診斷模塊，以及通過心理聲學分析獲得心理聲學參量的心理聲學分析診斷模塊；頻譜分析診斷模塊、小波分析診斷模塊和心理聲學分析診斷模塊分別提取頻譜參量、能量參量和心理聲學參量來表徵異響故障特徵並與預設的相應故障特徵閾值比較，來判定是否為正常機或異響機。
[0008]進一步地，所述頻譜參量的獲取，是對測得的聲信號進行傅立葉變換並計算出功率譜，然後統計出功率譜中各個峰值與相鄰谷值之間的差值以及峰谷值連線的陡峭程度。
[0009]進一步地，所述能量參量的獲取，是採用母小波對測得的聲信號進行連續小波變換，做出小波能量譜曲線，並在時域和頻域上共同觀察信號特徵。通過小波能量譜可以看到更多的信息，如頻率、脈衝的時間間隔以及能量的大小，這些特徵可以有效地識別發動機異響特徵，特別是對心理聲學所不能很好識別的某些異響有較強的識別能力。
[0010]進一步地，所述心理聲學參量包括響度、粗糙度和尖銳度，用這些心理聲學參量來表徵人對聲音的主觀感受量化指標，定量地反映出噪聲所造成的聽覺感受差別程度，考慮了人耳的聽覺特性，在異響特徵頻率的識別中具有獨特的優勢。
[0011]進一步地，為保證診斷結果的有效性，達到經驗師傅的理想人耳判定標準，所述故障特徵閾值的設定，是在統計正常發動機的異響故障特徵值和各類常見異響發動機的異響故障特徵值的基礎上，再通過互動濾波的方式，由人工對採集的各類型異響發動機樣本進行回放聽音和濾波確認來進行。
[0012]進一步地，為了提高檢測效率和降低操作難度，便於現場實施使用，本診斷系統還包括發動機工況判斷模塊，當發動機工況判斷模塊判斷發動機處於怠速轉速範圍內時，才進行聲信號採集。[0013]本發明還提供了一種發動機異響故障在線診斷方法，在發動機下線檢測臺上安裝上述發動機異響故障在線診斷系統，將所述聲學傳感器安裝於發動機曲軸箱上方且靠近曲軸箱的位置，將測功機輸入軸與發動機輸出軸相連接，對發動機進行包括以下步驟的異響故障檢測:
[0014]步驟100，發動機工況判定，測轉速後，由發動機工況判斷模塊判斷發動機是否處於怠速工況，若判定發動機處於怠速工況則進入步驟101，否則在調整節氣門後重新開始步驟 100 ；
[0015]步驟101，聲信號採集，通過聲學傳感器採集聲信號，並通過數據採集前端進行模擬信號調理和數位訊號轉換；
[0016]步驟102，信號保存，由聲信號採集儲存模塊對聲音數位訊號進行保存；
[0017]步驟103，信號分析，由分析診斷模塊的頻譜分析診斷模塊作頻譜分析，由小波分析診斷模塊作小波分析，由心理聲學分析診斷模塊作心理聲學分析；
[0018]步驟104，異響故障特徵提取，三個分模塊分別通過頻譜參量、能量參量和心理聲學參量來提取異響故障特徵，心理聲學參量包括響度、粗糙度、尖銳度和抖動強度；
[0019]步驟105，異響故障判斷診斷，三個分模塊分別將步驟104提取的異響故障特徵與各模塊中預設的相應故障特徵閾值進行比較，若在故障特徵閾值範圍內為正常機，否則為異響機；
[0020]步驟106，診斷結果輸出、保存。
[0021]進一步地，在步驟101的聲信號採集完成後進行轉速復檢和發動機工況判定，若判定發動機處於怠速工況則進入步驟102，否則轉入步驟100。
[0022]進一步地，所述心理聲學參量包括響度、粗糙度、尖銳度和抖動強度。
[0023]本發明僅採用I個聲學傳感器進行發動機聲信號測試，整個異響診斷的測試過程只需用一個聲學傳感器在一個固定的異響故障診斷測試點進行一次測試便可完成；克服了傳統檢測系統只採用一種特定的算法來獲得某一特定參量，並用以表徵單一異響故障特徵的不足，採用頻譜分析獲得頻譜參量、採用小波分析獲得能量參量、採用心理聲學分析獲得心理聲學參量，用多個參量的特定組合來表徵異響故障特徵，能適應不同類型的異響故障特徵，異響故障覆蓋範圍廣；並且採用了表徵人對聲音主觀感受的量化心理聲學參量來作為異響故障的特徵參量，融合人工聽診技能和診斷法則，創造性的通過模擬工人師傅的異響故障聽診感受來確認故障特徵閾值，使工人師傅的聽診經驗固化為客觀的故障特徵評判準則。
[0024]因而本發明的有益效果是:
[0025]1.診斷快速、高效。異響故障診斷測試過程的信號採集時間為4秒，整個測試分析診斷過程不超過5秒，能夠滿足發動機生產線品質檢驗的實時、高效、要求。
[0026]2.診斷準確、全面。通過提取多種異響故障特徵，能覆蓋不同類型的異響故障特徵，融合人工聽診的技能和評判法則，進行多特徵量的交叉診斷評判，提高了異響故障診斷的準確率，在高效故障診斷的同時，對常見異響故障診斷的準確率達95%。
[0027]3.操作簡便。I鍵式操作，工人師傅將聲學傳感器放置到測試點後僅需點擊「開始」 一個按鍵，之後系統便自動完成發動機工況判定、信號採集、信號保存、信號分析、異響故障特徵提取、異響故障診斷、異響故障診斷結果顯示，從測試開始至結果顯示全程無需人工幹預。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明診斷系統的功能模塊框圖。
[0029]圖2是本發明診斷系統的硬體結構示意圖。
[0030]圖3是本發明工作過程的流程示意圖。
[0031]圖4是通過本發明對某發動機進行檢測時獲得的異響發動機小波能量譜圖。
[0032]圖5是通過本發明進行檢測獲得的正常機心理聲學參數曲線圖示例。
[0033]圖6是通過本發明進行檢測獲得的異響機心理聲學參數曲線圖示例。
【具體實施方式】
[0034]以下將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細說明。
[0035]如圖1所示，本發明是一種發動機異響故障在線診斷系統，包括相連接的聲學傳感器、發動機工況判斷模塊、聲信號採集儲存模塊和分析診斷模塊。所述聲學傳感器為一個並安裝在發動機缸體旁側的固定位置進行檢測，當發動機工況判斷模塊判斷發動機處於怠速工況時，才進行聲信號採集；所述分析診斷模塊包括通過頻譜分析獲得頻譜參量的頻譜分析診斷模塊、通過小波分析獲得能量參量的小波分析診斷模塊，以及通過心理聲學分析獲得心理聲學參量的心理聲學分析診斷模塊；頻譜分析診斷模塊、小波分析診斷模塊和心理聲學分析診斷模塊分別提取頻譜參量、能量參量和心理聲學參量來表徵異響故障特徵並與預設的相應故障特徵閾值比較，來判定是否為正常機或異響機。而故障特徵閾值的設定，是在統計了足夠多的正常發動機的異響故障特徵值和各類常見異響發動機的異響故障特徵值的基礎上，由有經驗的工人師傅通過對採集的各類型的異響發動機樣本進行回放聽音和濾波確認來判定異響的特徵頻率範圍和異響類型以及異響的嚴重程度，再最終確定異響故障特徵閾值。
[0036]如圖2所示，本發明診斷系統安裝在發動機下線檢測臺11上，診斷系統的硬體包括聲學傳感器2、數據米集前端4、發動機點火控制系統9、觸控式一體機7、測功機10,聲學傳感器2通過信號線3與數據採集前端4連接，數據採集前端4通過點火觸發信號線6和數據線5分別與發動機點火控制系統9和觸控式一體機7相連接，測功機10通過測功機連接軸8與發動機I的輸出軸相連接。被測發動機I與測功機10聯接,模擬發動機實際工作負荷，發動機工況監控通過採集發動機點火觸發信號來監控發動機轉速，從而判斷發動機工況。例如，對一款摩託車用排量為IlOml的臥式發動機進行檢測，聲學傳感器2使用I級精度1/2英寸的自由場傳聲器，其檢測位置為曲軸箱正上方中間區域距離曲軸箱高約IOcm處，檢測位置是根據主觀聽診時採用的位置來確定的，根據不同發動機的測試需要可以調整到其他位置，一旦確定測試的有效區域則不能隨意更改測試位置，否則影響判定法則。
[0037]通過本發明提供的發動機異響故障在線診斷系統進行診斷的方法是:參照圖2和圖3，將所述聲學傳感器2安裝於發動機I的曲軸箱上方且靠近曲軸箱的位置，包括以下步驟的異響故障檢測:
[0038]步驟100，發動機工況判定，測轉速後，由發動機工況判斷模塊判斷發動機是否處於怠速工況，若判定發動機處於怠速工況則進入步驟101，否則在調整節氣門後重新開始步驟 100 ；
[0039]步驟101，聲信號採集，通過聲學傳感器採集聲信號，並通過數據採集前端進行模擬信號調理和數位訊號轉換；
[0040]步驟102，信號保存，由聲信號採集儲存模塊對聲音數位訊號進行保存；
[0041]步驟103，信號分析，由分析診斷模塊的頻譜分析診斷模塊作頻譜分析，由小波分析診斷模塊作小波分析，由心理聲學分析診斷模塊作心理聲學分析；
[0042]步驟104，異響故障特徵提取，三個分模塊分別通過頻譜參量、能量參量和心理聲學參量來提取異響故障特徵，心理聲學參量包括響度、粗糙度、尖銳度和抖動強度；
[0043]步驟105，異響故障判斷診斷，三個分模塊分別將步驟104提取的異響故障特徵與各模塊中預設的相應故障特徵閾值進行比較，若在故障特徵閾值範圍內為正常機，否則為異響機；
[0044]步驟106，診斷結果輸出、保存。
[0045]作為一種實施方式，可以在上述步驟101的聲信號採集完成後進行轉速復檢和發動機工況判定，若判定發動機處於怠速工況則進入步驟102，否則轉入步驟100，重新開始步驟100。
[0046]對於頻譜分析診斷模塊的分析診斷過程，是對測得的聲信號進行傅立葉變換並計算出功率譜，然後統計出功率譜中各個峰值與相鄰谷值之間的差值以及峰谷值連線的陡峭程度，這兩個特徵即頻譜參量，當這兩個特徵達到所設閾值時，可判定該發動機存在異響故障。
[0047]如圖4所示，對於能量參量的獲取，採用cmorlO-0.7母小波對測得的聲信號進行連續小波變換，做出發動機的小波能量譜曲線，並在時域和頻域上共同觀察信號特徵，箱體異響頻帶能量主要集中於一處，在頻率800Hz附近有峰值出現，圖中脈衝成分很明顯，這些脈衝的發生時間有明顯的規律性，通過計算可知，發動機每進行一個工作循環，該異響發生一次。因而從小波能量譜中可以看到更多的信息，如頻率、脈衝的時間間隔以及能量的大小，這些特徵可以有效的識別發動機異響特徵，特別是對心理聲學所不能很好識別的某些異響有較強的識別能力，這些特徵就是小波的能量參量。
[0048]如圖5和圖6所示，本發明實施例中異響故障分析的心理聲學參量包括響度、粗糙度、尖銳度和抖動強度。心理聲學參數分析考慮了人耳的聽覺特性，能夠定量地反映出噪聲所造成的聽覺感受差別程度，在異響特徵頻率的識別中具有獨特的優勢，圖5和圖6是正常和異響發動機的心理聲學參量計算結果的比較，從圖中可對比可以看出，正常機的各心理聲學參數曲線都比較平緩，沒有突出的峰值，且各參數的總值偏小；而異響機的各心理聲學參數的總值相比正常機有明顯差異，特別是粗糙度相差很大，這與箱體異響的調製程度相對應，在臨界頻帶SBark附近，響度、粗糙度和抖動強度都有明顯的峰值，分別比正常機高了 1.6sone、0.25asper、0.02vacil,表明該頻帶引起了人耳聽覺的差異,這些響度、粗糙度、尖銳度、抖動強度等就是心理聲學參量，響度、粗糙度和抖動強度超過異響故障特徵閾值，此機被判定為異響機。
[0049]本發明的檢測過程是:操作者按照發動機一般檢測方法將發動完成啟動和其他檢測項目，然後將預先布置好的聲學傳感器放置到測試點，點開始按鈕同時讓發動機保持測試需要的轉速工況，系統會自動判斷工況是否達到測試條件並自動完成後續的一系列工作並給出診斷結果。
[0050]以上僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護範圍並不局限於此，本發明的結構還可適用於摩託車、電動車等類似車輛。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種發動機異響故障在線診斷系統，包括相連接的聲學傳感器、聲信號採集儲存模塊和分析診斷模塊，其特徵在於:所述聲學傳感器為一個並安裝在一處檢測，所述分析診斷模塊包括通過頻譜分析獲得頻譜參量的頻譜分析診斷模塊、通過小波分析獲得能量參量的小波分析診斷模塊，以及通過心理聲學分析獲得心理聲學參量的心理聲學分析診斷模塊；頻譜分析診斷模塊、小波分析診斷模塊和心理聲學分析診斷模塊分別提取頻譜參量、能量參量和心理聲學參量來表徵異響故障特徵並與預設的相應故障特徵閾值比較，來判定是否為正常機或異響機。
2.根據權利要求1所述的發動機異響故障在線診斷系統，其特徵在於:所述頻譜參量的獲取，是對測得的聲信號進行傅立葉變換並計算出功率譜，然後統計出功率譜中各個峰值與相鄰谷值之間的差值以及峰谷值連線的陡峭程度。
3.根據權利要求1所述的發動機異響故障在線診斷系統，其特徵在於:所述能量參量的獲取，是採用母小波對測得的聲信號進行連續小波變換，做出小波能量譜曲線，並在時域和頻域上共同觀察信號特徵。
4.根據權利要求1所述的發動機異響故障在線診斷系統，其特徵在於:所述心理聲學參量包括響度、粗糙度和尖銳度。
5.根據權利要求1至4任一所述的發動機異響故障在線診斷系統，其特徵在於:所述故障特徵閾值的設定，是在統計正常發動機的異響故障特徵值和各類常見異響發動機的異響故障特徵值的基礎上，再通過互動濾波的方式，由人工對採集的各類型異響發動機樣本進行回放聽音和濾波確認來進行。
6.根據權利要求5所述的發動機異響故障在線診斷系統，其特徵在於:還包括發動機工況判斷模塊，當發動機工況判斷模塊判斷發動機處於怠速轉速範圍內時，才進行聲信號米集。
7.一種發動機異響故障`在線診斷方法，其特徵在於:在發動機下線檢測臺上安裝如權利要求I所述的發動機異響故障在線診斷系統，將所述聲學傳感器安裝於發動機曲軸箱上方且靠近曲軸箱的位置，將測功機輸入軸與發動機輸出軸相連接，對發動機進行包括以下步驟的異響故障檢測: 步驟100，發動機工況判定，測轉速後，由發動機工況判斷模塊判斷發動機是否處於怠速工況，若判定發動機處於怠速工況則進入步驟101，否則在調整節氣門後重新開始步驟`100 ； 步驟101，聲信號採集，通過聲學傳感器採集聲信號，並通過數據採集前端進行模擬信號調理和數位訊號轉換； 步驟102，信號保存，由聲信號採集儲存模塊對聲音數位訊號進行保存； 步驟103，信號分析，由分析診斷模塊的頻譜分析診斷模塊作頻譜分析，由小波分析診斷模塊作小波分析，由心理聲學分析診斷模塊作心理聲學分析； 步驟104，異響故障特徵提取，三個分模塊分別通過頻譜參量、能量參量和心理聲學參量來提取異響故障特徵； 步驟105，異響故障判斷診斷，三個分模塊分別將步驟104提取的異響故障特徵與各模塊中預設的相應故障特徵閾值進行比較，若在故障特徵閾值範圍內為正常機，否則為異響機；步驟106，診斷結果輸出、保存。
8.根據權利要求7所述的發動機異響故障在線診斷方法，其特徵在於:在步驟101的聲信號採集完成後進行轉速復檢和發動機工況判定，若判定發動機處於怠速工況則進入步驟102，否則轉入步驟100。
9.根據權利要求7所述的發動機異響故障在線診斷方法，其特徵在於:所述心理聲學參量包括 響度、粗糙度、尖銳度和抖動強度。
【文檔編號】G01H17/00GK103558029SQ201310499436
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月22日 優先權日:2013年10月22日
【發明者】楊振冬, 楊誠, 謝德雲, 段偉兵, 劉侃 申請人:重慶建設摩託車股份有限公司