一種柴油機氣缸診斷裝置及方法
2023-10-11 18:51:19 2
專利名稱：一種柴油機氣缸診斷裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種柴油機氣缸診斷裝置及方法，特指一種通過檢測氣缸振動及供油
壓力波來判斷柴油機氣缸工作狀態的裝置及方法，屬於檢測技術領域。
背景技術：
柴油機包括四衝程柴油機和兩衝程柴油機兩種形式，其中四衝程柴油機應用最為 廣泛，其工作過程包括進氣、壓縮、燃燒作功、排氣四個工作過程。柴油機由於動力強勁、油 耗低(比汽油機油耗低15% 30% )、汙染物排放低、可靠性高等突出的優點，在人們節能 環保意識不斷提高的今天，成為當今人類社會中應用最為廣泛的一種動力機械，廣泛地應 用在國民經濟的各個領域，如汽車、拖拉機、工程機械、小型農用動力、工業固定發電、鐵路 機車、船舶、軍用艦艇、坦克等。 由於受當前技術診斷水平的制約，目前我國柴油機的維修方式還主要採用以零部 件磨損理論為基礎的定期維修模式，以及柴油機出現故障無法運行時的應急維修模式。柴 油機維修時不論其實際運用狀態如何，均需要按一定的檢修周期和預先制定的檢修範圍， 對柴油機進行解體檢查，對柴油機氣缸套、活塞、活塞環、氣門、氣門座、曲軸、凸輪軸等磨擦 面的尺寸進行測量以及氣缸的氣門間隙、配氣相位、噴油提前角等所有參數的調整值進行 重新測量調整。維修過程僅憑藉維修人員的個人經驗，以手觸、眼窺、耳聞等傳統的檢查方 式對其進行判斷。此維修體制和方式存在明顯的缺陷1、產生了大量的過剩修理，造成不必 要的人力、物力浪費，維修時不管設備的實際狀態如何，都要對整個設備進行解體檢查、測 量，耗費了大量的人力、物力和財力；2、不能保證柴油機在兩次維修間隔時間內可靠運行， 定期維修模式是以零部件磨損理論以及概率統計理論為基礎的，是按一定的置信區間和可 接受的經濟費用來設定維修間隔時間的，這樣，維修間隔時間小，維修費用就高，維修間隔 大，兩次維修間隔時間內出現故障的概率就高。不管如何設置維修間隔時間，都不能保證設 備在兩次維修間隔時間內可靠運行；3、維修質量難以保證，目前維修方式下，由於缺少必要 的檢測設備，僅憑藉維修人員的個人經驗，以手觸、眼窺、耳聞等傳統的檢查方式對其進行 判斷，不可避免地要受檢查者個人情緒和判斷能力等隨機因素的影響，不能對故障部位進 行迅速準確地判斷_隔離_處理，造成漏檢、漏修，給柴油機今後的運行埋下隱患；4、維修時 間長，維修費用高，目前柴油機的維修工作主要依賴維修人員的個人經驗，高水平的維修人 員難以培養，費用很高。並且由於難以找到故障原因，普遍存在錯修、錯換的現象，這些都造 成維修時間長，維修費用高。
發明內容
本發明的目的在於提供一種不需解體柴油機快速診斷柴油機氣缸的工作狀態的 裝置及方法。 為了克服上述不足，本發明提供了改善上述不足之最新的柴油機氣缸狀態診斷 裝置及方法。本發明解決其技術問題所採用的方案是一種柴油機氣缸診斷裝置，包含主CPU、從CPU、高速同步A/D轉換器、輸出設備、輸入設備、電源隔離轉換器件DC/DC、氣缸蓋振 動傳感器、氣缸套振動傳感器、油壓傳感器；所述電源隔離轉換器件DC/DC將電源轉換為相 互隔離不同電壓的直流電源給所述柴油機氣缸診斷裝置不同器件供電；所述氣缸蓋振動傳 感器、氣缸套振動傳感器、油壓傳感器分別檢測柴油機氣缸蓋的振動、氣缸套的振動和供油 高壓油管的壓力波，檢測信號經所述高速同步A/D轉換器同步採樣後，送入所述從CPU進 行信號處理；所述從CPU對檢測信號進行小波分解與重構，除去噪聲，再進一步計算分析氣 缸蓋振動值、氣缸套振動值、進氣門關閉振動值、排氣門關閉振動值、噴油壓力值、噴油提前 角、配氣相位、噴油壓力波形異常值；所述從CPU最後將氣缸的特徵參數及原始測量數據傳 給主CPU，同時主CPU將特徵參數以表格的形式、測量原始數據以曲線的形式從所述輸出設 備輸出，以幫助維修人員準確判斷出柴油機故障所在，指導維修工作；所述輸入設備給所述 柴油機氣缸診斷裝置發出指令。 優選的，所述氣缸蓋振動傳感器、氣缸套振動傳感器均採用磁座式振動傳感器，缸 蓋振動傳感器依靠磁力安裝於氣缸蓋上部平面上，氣缸套振動傳感器依靠磁力安裝於氣缸 套側壁上。 優選的，所述油壓傳感器採用外卡式，油壓傳感器夾持在高壓油管氣缸蓋入口水 平段上。 優選的，所述主CPU為ARM，所述從CPU為DSP。 優選的，所述輸出設備為顯示器件LCD ;也可以為列印器件。
優選的，所述輸入設備為鍵盤；也可以是按鍵。 優選的，所述柴油機診斷裝置還包含存貯器件，用於存儲主CPU上的數據。 優選的，所述柴油機診斷裝置還設有通信接口 ，所述通信接口與遠程監測中心服
務器相連，可以將原始數據和計算的特徵參數傳送到遠程監測中心伺服器上，以實現組建
遠程在線監測網和遠程分析診斷。
—種利用所述柴油機氣缸診斷裝置進行診斷的方法
1)、測量柴油機轉速； 2)、柴油機氣缸蓋的振動信號、氣缸套的振動信號和供油高壓油管的壓力波信號 採樣； 3)、信號處理，除去噪聲； 4)繪製0° 720°配氣相位圖； 5)繪製0° 720°噴油相位圖和氣缸套振動相位圖；
6)供油系統特徵參數計算；
7)氣缸狀態特徵參數計算； 8)依據特徵參數根據標準值對氣缸的工作狀態及磨損情況、供油系統工作狀態進 行診斷評判。 本發明所述的柴油機氣缸診斷裝置及方法，採用氣缸振動及供油壓力波頻域分析 法和時域分析法分析診斷柴油機氣缸狀態、磨損情況和供油系統工作狀態，和傳統的方法 相比，具有明顯的優點 1、可以作為柴油機的"動態心電圖儀"，不需解體柴油機，就可對柴油機進行"體 檢"，判斷柴油機工作是否正常。
2、可以快速查找柴油機故障，並對故障進行定位，指導維修工作。 3、可以實現對重要設備如鐵路機車、遠洋船舶、艦艇及特大型工程機械上的柴油
機的在線監測，對設備出現的故障隱患提前預警，保障設備安全運行。 4、利用所述裝置的通信功能，可以組建柴油機工作狀態遠程監測網，建立資料庫 及專家系統，實現對柴油機各種疑難問題的遠程診斷，並指導維修工作。
5、為柴油機維修體制從目前的"定期維修"體制向"狀態維修"體制的變革提供技 術手段，大大提高設備的保障率，同時降低維修費用。 6、極大地提高了我國大型動力機械設備的現代化管理水平和維護水平。
下面結合附圖對本發明進一步說明 附圖1是本發明的一種柴油機氣缸診斷裝置的電路原理框圖； 附圖2是本發明的一種柴油機氣缸診斷裝置的傳感器安裝圖； 附圖3是本發明的一種柴油機氣缸診斷裝置的氣缸蓋振動圖譜。 附圖4是本發明的一種柴油機氣缸診斷裝置的配氣相位圖。 附圖5是本發明的一種柴油機氣缸診斷裝置的供油相位圖。 附圖6是本發明的一種柴油機氣缸診斷裝置的氣缸套振動相位圖。 附圖7是本發明的一種柴油機氣缸診斷裝置的供油特徵參數計算圖,
具體實施例方式
如附圖1 7所示的本發明的一種柴油機氣缸診斷裝置，包含主CPU、從CPU、高 速同步A/D轉換器、顯示器件LCD、鍵盤、存貯器件(SRAM、 EEPR0M、 FLASH)、通訊接口 (LAN、 RS485、RS232、USB)、電源轉換器件DC/DC、氣缸蓋振動傳感器、氣缸套振動傳感器、油壓傳感 器等。主CPU採用飛利浦公司ARM晶片LPC2468，負責操作、顯示、數據管理、通訊等功能，從 CPU採用TI公司DSP晶片TMS320C5402，負責數據的實時高速採集和數據處理。所述氣缸 蓋振動傳感器、所述氣缸套振動傳感器採用磁座式振動傳感器，內設前置放大器，依靠磁力 可以很方便地進行現場安裝。氣缸蓋振動傳感器安裝於氣缸蓋頂部平臺上，而氣缸套振動 傳感器安裝於氣缸套側壁上，分別檢測氣缸蓋和氣缸套的振動信號。所述油壓傳感器為外 卡式油壓傳感器，夾持在高壓油管上，檢測高壓油管的壓力波信號。所有傳感器的安裝均可 以在柴油機工作時方便地安裝和拆除，不會對柴油機的工作產生任何影響。傳感器分別檢 測到的氣缸蓋振動信號、氣缸套振動信號和高壓油管壓力波信號經信號電纜接入所述柴油 機氣缸狀態診斷裝置。檢測信號經信號調理電路後進入所述高速同步A/D轉換器。由於柴 油機屬於高速機械設備，對配氣、噴油都有嚴格的相位要求，普通A/D轉換器無法達到檢測 信號的同步採集要求。本柴油機診斷裝置的高速同步A/D轉換器採用6MHZ的12位的並行 A/D轉換器THS1206，它可以保證四路信號同時採樣。檢測信號經過信號調理電路，輸入到 THS1206的輸入埠， THS1206的採樣頻率由從CPU的定時器來控制，定時器輸出採用脈衝 方式，滿足啟動THS1206轉換的脈寬要求，而且可以通過設置定時器的值，達到改變採樣的 頻率的目的。每次檢測針對氣缸蓋振動信號、氣缸套振動信號和高壓油管壓力波信號經A/ D轉換器同步採樣4096次，獲得3X4096個採樣信號。所述高速同步A/D轉換器將傳感器
5檢測的氣缸蓋振動、氣缸套振動和油壓模擬信號轉變為數位訊號後，送入所述從CPU進行
處理。由於氣缸蓋表面振動信號、氣缸套表面振動信號以及高壓油管壓力波信號，具有較強
的非線性特性，採用傳統的線性算法難以識別。小波分解與重構具有良好的相位特性，因此
對氣缸蓋表面振動信號、氣缸套表面振動信號以及高壓油管壓力波信號採用小波分解與重
構的辦法來分離信號，去除噪聲並保留信號的相位特徵。本裝置所述從CPU先採用BP神經
網絡對振動信號、高壓油管壓力波信號進行訓練、識別，再對振動信號和壓力信號進行小波
分解與重構，以除去噪聲。在此基礎上，從CPU進一步計算出柴油機氣缸的特徵參數1)氣
缸蓋振動值，2)氣缸套振動值，3)進氣門、排氣門關閉振動值，4)噴油壓力值，5)噴油提前
角，6)配氣相位，7)噴油壓力波形異常值，8)氣缸蓋、氣缸套振動波形異常值。 從CPU最後將氣缸的特徵參數及原始測量數據傳給主CPU，主CPU將數據送入
FLASH存貯，同時主CPU將特徵參數在LCD上以表格的形式顯示，將振動和油壓原始測量數
據以曲線的形式在LCD上顯示，以幫助維修人員準確判斷出柴油機故障所在，指導維修工
作。當所述柴油機氣缸診斷裝置處於連網狀態，主CPU將原始數據和計算的特徵參數通過
乙太網、GPRS、 RS232/485等方式傳送到遠程監測中心伺服器，以實現組建遠程在線監測網
和遠程診斷功能，可利用大型計算機上的大型資料庫基礎上構建的專家系統或行業內的權
威專家進行遠程分析診斷，指導現場的維修工作。 —種利用上述柴油機氣缸狀態診斷裝置的檢測方法 1)、測量柴油機轉速 a、轉速測量以油壓檢測信號為測量信號。 b、操作人員選中所述柴油機氣缸狀態診斷裝置"轉速測量"功能，根據柴油機轉速 表顯示的轉速，從鍵盤上輸入當前轉速大約值後，按下"確認"鍵。
c、確定採樣頻率 柴油機轉速共測量4096個點，高壓油管壓力波信號要涵蓋大約兩個柴油機工作 周期，即曲軸旋轉約4X 360° ，如柴油機約轉速為n，則A/D採樣頻率f = nX 4096+ 2+ 60。 主CPU將計算出的採樣頻率傳送給從CPU。
d、信號採樣 從CPU控制高速同步A/D以主CPU給定的採樣頻率f進行採樣，共採樣4096個點。 採樣過程中A/D採樣值不斷地被送入從CPU。
e、信號處理 採樣結束後，從CPU採用小波分解與重構的辦法來分離信號，以除去噪聲，同時保
留信號的相位特徵，計算出每個噴油壓力波的中心時點。 f、計算柴油機的準確轉速 從CPU根據相鄰兩個噴油壓力波的中心時點t2，計算相鄰兩個噴油壓力波的時 間間隔At = t廠tj秒)，最後計算出柴油機準確轉速n' = 2X60+At(轉/分)。
g、從CPU將準確的柴油機轉速值傳送給主CPU。 2)、柴油機氣缸蓋的振動信號、氣缸套的振動信號和供油高壓油管的壓力波信號 採樣 a、操作人員選中所述柴油機氣缸狀態診斷裝置"檢測"功能，按下"確認"鍵。
b、確定採樣頻率
6
柴油機氣缸蓋振動信號、氣缸套振動信號、高壓油管壓力波信號共檢測3X4096 個點，信號要涵蓋兩個柴油機工作周期，即曲軸旋轉4X360° ，如柴油機轉速為n'(轉/ 分)，則A/D採樣頻率f' =n' X 4096+ 2+ 60 (Hz)。主CPU將計算出的採樣頻率傳送給 從CPU。 c、信號採樣 從CPU控制高速同步A/D以採樣頻率f'對柴油機氣缸蓋振動信號、缸套振動信 號、高壓油管壓力波信號同步進行採樣，共採樣3 X 4096個點。採樣過程中A/D採樣值不斷 地被送入從CPU。
3)、信號處理，除去噪聲 採樣結束後，從CPU採用小波分解與重構的辦法來分離信號，以除去噪聲，同時保 留信號的相位特徵。 4)繪製0° 720°配氣相位圖(見附圖3、4)
a、取氣缸蓋振動信號作為分析信號。
b 、找出排氣門關閉時的振動波的波峰。 在柴油機機設計中，進氣門關閉相位、排氣門關閉相位是固定不變的，它是由配氣 凸輪確定的，例如16V240ZJB柴油機，其排氣門關閉相位角是402。，進氣門關閉相位角是 582° 。氣缸蓋振動激勵源主要是進氣門關閉、排氣門關閉和氣缸的爆發，因此根據進氣門 關閉、排氣門關閉的相位關係在氣缸蓋振動信號圖譜上可以找出排氣門關閉時的振動波的 波峰位置。 c、確定基準點相位 由於排氣門的氣門間隙大於進氣門的氣門間隙，因此排氣門關閉時在氣缸蓋上激
勵的振動信號要大於進氣門關閉時在氣缸蓋上激勵的振動信號。取排氣門關閉產生的振動
開始點為基準相位點。如16V240ZJB柴油機，排氣門關閉相位角是402。，因此氣缸蓋上振
動信號圖譜上排氣門關閉時的振動波的開始點的相位為基準點相位402° (每種類型的柴
油機在其手冊上都可以查到其排氣門關閉時的相位)。 d、確定其他信號採集點的相位，繪製氣缸配氣相位圖 由於所有採集點都有時間信息，基準點相位確定後，所有採集點的相位就確定了。 以相位為坐標軸，繪製O。 720°氣缸蓋振動相位圖。 e、根據排氣門開啟、進氣門開啟、排氣門關閉、進氣門關閉的固定相位關係，在氣 缸蓋振動圖譜上分別標註排氣門開啟點、進氣門開啟點、排氣門關閉點、進氣門關閉點，完 成配氣相位圖的繪製。 5)繪製0° 720°噴油相位圖和氣缸套振動相位圖，見附圖5和附圖6。
噴油相位圖和氣缸套振動相位圖分別根據高壓油管壓力波信號和已繪製的配氣 相位圖來繪製。由於氣缸套振動、噴油壓力的採樣是和氣缸蓋振動採樣嚴格同步的，因此氣 缸蓋振動各採樣點相位確定後，氣缸套振動、噴油壓力各採樣點的相位就確定了。據此可以 繪製0° 720°噴油相位圖和氣缸套振動相位圖。
6)供油系統特徵參數計算，見附圖7。 根據噴油相位圖計算起噴點壓力Pl、最大噴射壓力P2、針閥關閉後最大壓力P3、 噴油提前角tO、起噴角tl、最大壓力角t2、針閥關閉角t3，據此判斷供油系統是否正常。
7)氣缸狀態特徵參數計算 根據配氣相位圖上排氣門關閉振動波形、進氣門關閉振動波形、爆發振動波形，分 別計算排氣門振動值、進氣門振動值、爆發排氣門振動值，據此分別判斷排氣門、進氣門及 爆發是否工作正常。根據氣缸套振動波形，計算氣缸套振動值，據此判斷氣缸套、活塞、活塞 環磨損情況。 8)依據特徵參數根據標準值對氣缸的工作狀態及磨損情況、供油系統工作狀態進 行診斷評判。 本發明所述的柴油機氣缸診斷裝置及方法，採用氣缸振動及供油壓力波頻域分析 法和時域分析法分析診斷柴油機氣缸狀態、磨損情況和供油系統工作狀態，和傳統的柴油 機檢測方法相比，具有明顯的優點 1、可以作為柴油機的"動態心電圖儀"，不需解體柴油機，就可對柴油機進行"體 檢"，判斷柴油機工作是否正常。 2、可以快速查找柴油機故障，並對故障進行定位，指導維修工作。 3、可以實現對重要設備如鐵路機車、遠洋船舶和艦艇及特大型工程機械上的柴油
機的在線監測，對設備出現的故障隱患提前預警，保障設備安全運行。 4、利用所述裝置的通信功能，可以組建柴油機工作狀態遠程監測網，建立資料庫 及專家系統，實現對柴油機各種疑難問題的遠程診斷，並指導維修工作。
5、為柴油機維修體制從目前的"定期維修"體制向"狀態維修"體制的變革提供技 術手段，大大提高設備的保障率，同時降低維修費用。 6、極大地提高了我國大型動力機械設備的現代化管理水平和維護水平；本發明所 述的柴油機氣缸狀態診斷技術及裝置由於採用了現代化的數位化信息技術，對每臺柴油機 的檢測數據可以建立資料庫進行管理，不同時期的狀態、維修前後的差異完全數位化，極大 地提高了我國大型動力機械設備的現代化管理水平和維護水平。 上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人 士能夠了解本發明的內容並加以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍，凡根據本發明 精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍內。
權利要求
一種柴油機氣缸診斷裝置，其特徵在於包含主CPU、從CPU、高速同步A/D轉換器、輸出設備、輸入設備、電源隔離轉換器件DC/DC、氣缸蓋振動傳感器、氣缸套振動傳感器、油壓傳感器；所述電源隔離轉換器DC/DC將單一的電源轉換為相互隔離的直流電源給所述柴油機氣缸診斷裝置不同器件供電；所述氣缸蓋振動傳感器、氣缸套振動傳感器、油壓傳感器分別檢測柴油機氣缸蓋的振動、氣缸套的振動和供油高壓油管的壓力波，檢測信號經所述高速同步A/D轉換器同步採樣後，送入所述從CPU進行信號處理；所述從CPU對測量信號進行小波分解與重構，除去噪聲，再進一步計算分析氣缸蓋振動值、氣缸套振動值、進氣門關閉振動值、排氣門關閉振動值、噴油壓力值、噴油提前角、配氣相位、噴油壓力波形異常值；所述從CPU最後將氣缸的特徵參數及原始測量數據傳給主CPU，同時主CPU將特徵參數以表格的形式、測量原始數據以曲線的形式從所述輸出設備輸出，以幫助維修人員準確判斷出柴油機故障部位，指導維修工作；所述輸入設備給所述柴油機氣缸診斷裝置發出指令。
2. 根據權利要求l所述的柴油機氣缸診斷裝置，其特徵在於所述氣缸蓋振動傳感器、 氣缸套振動傳感器均採用磁座式振動傳感器，氣缸蓋振動傳感器依靠磁力安裝於氣缸蓋上 部平面上，氣缸套振動傳感器依靠磁力安裝於氣缸套側壁上。
3. 根據權利要求1所述的柴油機氣缸診斷裝置，其特徵在於所述油壓傳感器採用外 卡式，油壓傳感器夾持在高壓油管氣缸蓋入口水平段上。
4. 根據權利要求1所述的柴油機氣缸診斷裝置，其特徵在於所述主CPU為ARM，所述 從CPU為DSP。
5. 根據權利要求1所述的柴油機氣缸診斷裝置，其特徵在於所述輸出設備為顯示器件LCD ;也可以為列印器件。
6. 根據權利要求l所述的柴油機氣缸診斷裝置，其特徵在於所述輸入設備為鍵盤；也 可以是按鍵。
7. 根據權利要求1所述的柴油機氣缸診斷裝置，其特徵在於所述柴油機診斷裝置還 包含存貯器件。
8. 根據權利要求1所述的柴油機氣缸診斷裝置，其特徵在於所述柴油機診斷裝置還 設有通信接口 ，所述通信接口與遠程監測中心伺服器相連，可以將原始數據和計算的特徵 參數傳送到遠程監測中心伺服器上，以實現組建遠程在線監測網和遠程分析診斷。
9. 一種使用權利要求1所述的柴油機氣缸診斷裝置進行診斷的方法，其特徵在於檢 測步驟為1) 、測量柴油機轉速；2) 、柴油機氣缸蓋的振動信號、氣缸套的振動信號和供油高壓油管的壓力波信號採樣；3) 、信號處理，除去噪聲；4) 繪製0° 720°配氣相位圖；5) 繪製0° 720°噴油相位圖和氣缸套振動相位圖；6) 供油系統特徵參數計算；7) 氣缸狀態特徵參數計算；8) 依據特徵參數根據標準值對氣缸的工作狀態及磨損情況、供油系統工作狀態進行診斷評判。
全文摘要
本發明公開了一種柴油機氣缸診斷裝置及方法，包含主CPU、從CPU、高速同步A/D轉換器、輸出設備、輸入設備、電源隔離轉換器件DC/DC、氣缸蓋振動傳感器、氣缸套振動傳感器、油壓傳感器；所述氣缸蓋振動傳感器、氣缸套振動傳感器、油壓傳感器分別檢測柴油機氣缸蓋的振動、氣缸套的振動和供油高壓油管的壓力波，檢測信號經所述高速同步A/D轉換器同步採樣後，送入所述從CPU進行信號處理計算出特徵參數；所述從CPU將氣缸的特徵參數及原始測量數據傳給主CPU，主CPU將獲得的數據從所述輸出設備輸出；所述輸入設備給所述柴油機氣缸診斷裝置發出指令；及一種使用所述柴油機氣缸診斷裝置進行診斷的方法。
文檔編號G01M15/05GK101706370SQ20091010690
公開日2010年5月12日 申請日期2009年4月29日 優先權日2009年4月29日
發明者劉永欣, 王汝剛, 白海江, 黃偉 申請人:深圳市普祿科智能檢測設備有限公司