摘 要

船舶的主柴油机是船舶的主推进动力装置，有着十分重要的地位。而柴油机具有零部件多且彼此关联、运动庞杂工作环境差等特点，使柴油机发生毛病的可能性增大，监测气缸内的燃烧情况是诊断柴油机故障的重要环节。在条件不变的工况下，柴油机的瞬时转速主要受到气体压力和往复惯性力的影响，气体压力的波动会直接体现在瞬时转速的波动中，而往复惯性力的影响主要是发生在柴油机高速运转过程中。通过仿真和分析瞬时转速的信号来监测气缸内的燃烧情况是可以应用在柴油机故障诊断上的。瞬时转速传感器安装便利，价值低廉，使用寿命长，不会破坏柴油机的结构等优点，所以利用瞬时转速诊断气缸的故障更具有适用性。

本论文研究的对象6L16/24型柴油机，以ADAMS软件为研究平台，运用ADAMS/Engine模块建立柴油机的三维模型。本文通过改变改变气缸压力输入参数，模拟了柴油机正常和故障工况下的瞬时转速。对比输入的缸压曲线和得出的瞬时转速的变化可以得出如下结论：

1)柴油机的瞬时转速变化可以反映出气缸压力的变化。气缸压力变化越大，瞬时转速的波动越明显。

2) 可以将柴油机的瞬时转速信号的波动转化成频谱图，从频谱图中观察0.5次谐波分量和3次谐波分量幅值变化来确定柴油机是否存在单缸故障。

3)利用极坐标处理瞬时转速波动的波动可以很好的实现对单缸故障气缸的定位。

关键字：仿真计算；瞬时转速；ADAMS；极坐标

Abstract

Main Diesel engine plays a very pivotal role for ship because it is the major propulsion device. But diesel engine has some characteristics, such as, various parts interrelated, complex operation and severe work environment, etc, which increases the possibility of malfunction. Monitoring condition of combustion in cylinder is a pivotal part to diagnosis malfunction of diesel engine. In a stable condition, instantaneous speed of the diesel engine is mainly affected by gas pressure and reciprocating inertial force because fluctuations in gas pressure will be directly reflected in fluctuations in instantaneous speed. Therefore, it is feasible to monitor the combustion in cylinder through simulation and analysis of signals of instantaneous speed. Since instantaneous speed sensor has advantages like easy to install, price-friendly, long working life and so on, it is more practical to diagnosis malfunction in cylinder through instantaneous speed.

This paper takes 6L16/24 diesel engine as the research object, combined with ADAMS software as research platform and ADAMS /Engine as the module, to establish three-dimensional model of diesel engine. The paper simulates the instantaneous speeds of diesel engine in normal condition and malfunction condition by changing the input parameters of cylinder pressure characteristics. By comparing cylinder pressure inputted and instantaneous speed drawn, conclusions can be made as follow:

1) Variations of instantaneous speed can reflect changes of cylinder pressure in diesel engine. The greater cylinder pressure variations are, the more obvious the fluctuations of instantaneous speed become.

2) Fluctuations of signals of instantaneous speed in diesel engine can be converted to spectrum map, from which amplitude variations of 0.5 order harmonic component and 3rd harmonic component can be observed to diagnose whether there is a single cylinder failure in diesel engine.

3) The adoption of polar coordinates to treat fluctuation in instantaneous speed can achieve good positioning to single cylinder with malfunction.

Key word: Simulating calculation; Instantaneous speeds; ADAMS; Polar coordinates

目录

摘要 I

Abstract II

1.1 课题研究的目的及意义 1

1.2 国内外的研究现状及意义 2

1.2.1 国内研究现状 2

1.2.2 国外研究现状 3

1.3 本文主要的研究工作 3

第2章 瞬时转速法的诊断原理 4

2.1 柴油机动力学原理 4

2.2 柴油机的瞬时转速计算原理 7

2.2.1 瞬时转速的概念 7

2.2.2 曲轴瞬时转速的测取原理 7

第3章 多体动力学理论与ADAMS软件 9

3.1 多体动力学理论 9

3.2 ADAMS软件 9

3.2.1 ADAMS软件简介 9

3.2.2 ADAMS/Engine(发动机设计模块) 10

3.3 柴油机的刚体动力学模型 11

3.3.1 6L16/24柴油机主要参数 11

3.3.2 建立柴油机刚性模型过程 12

第4章 柴油机的动力学仿真计算及结果分析 14

4.1 模拟参数的设置 14

4.2 不同工况下的瞬时转速仿真结果 14

4.2.1 气体力和瞬时转速的关系 14

4.2.2 瞬时转速仿真波形图及其频谱图 17

第5章 利用极坐标的方法定位故障气缸 24

5.1 极坐标 24

5.1.1 极坐标的定义 24

5.1.2 极坐标法的原理 24

5.2 利用极坐标法诊断柴油机故障 25

第6章 总结与展望 28

6.1 本文主要研究工作及结论 28

6.2 研究展望 28

参考文献 29

致谢 32

第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的及意义

自从内燃机被发明以来经历了一百多年的发展和完善,在国家经济和日常生活中有着重要的作用,作用领域非常广泛比如说：汽车、船舶、飞机、火箭等领域。和其他动力类机器对比来说的话，内燃机在燃烧过程中机械能损失小，具有较高的热效率。在同等功率下，尺寸、重量和其他热机相比也具有明显的优势。由于内燃机互相关联的零部件比较多、运动过程复杂多样、运行中的工作环境恶劣等特点,使其发生故障的可能性增大。对内燃机运行的状况进行监测,在内燃机的故障诊断方面和保证其正常运行中具有非常重要的意义。

到目前为止,大多是基于缸内压力信号的方式来诊断内燃机的工作状况。内燃机气缸内压力是在故障诊断中使用的最重要的性能参数之一,利用它可以对内燃机的燃烧过程、换气过程等作出精准的判断,也能够利用数学的方法来计算出内燃机的指示功，最高的爆发压力和压缩压力，对内燃机的实际工作状况进行进一步评估。

直接测量气缸压力具有一定的难度，不但需要昂贵的测量仪器，在使用的过程中安装复杂，而且传感器的寿命短及可靠性差等缺点也限制了这一方法在柴油机的广泛应用^[1]。