摘 要

为了能够及时的在柴油机发生故障的时候，对其作出反应，以降低柴油机故障所带来的各种损失，为了达到这个目的，本文主要讨论设计一款能够读取柴油机振动信号，从而通过对数据进行处理得到特诊参数，并判断所属工况的软件。

本文先是讨论了柴油机振动信号的激励源，以及其激励力的传递，然后基于此讨论了由此产生的振动信号的特征，并分析了时域特征参数和频域特征参数的提取方法。而后介绍了模糊理论的基本原理，以及模糊聚类在柴油机振动故障的运用。之后本文给出了基于MATLAB的软件设计的主要程序以及相关说明，并展示了基于MATLABGUI所设计的图形用户界面。通过这个软件，读取多种工况下的柴油机振动信号数据，并基于此做了对比分析。

关键词: 柴油机 特征参数 时域分析 频域分析 MATLAB 模糊聚类

Abstract

In order to be able to respond to the diesel engine failure in time, to reduce the loss caused by the diesel engine failure. In order to achieve this purpose, this paper mainly discusses the design of a diesel engine vibration signal which can be read to get the diagnosis parameters and determine the working conditions. Software.

In this paper, the excitation source of the vibration signal of diesel engine and the transmission of its excitation force are discussed. Then the characteristics of the vibration signal are discussed based on this, and the extraction method of the time domain feature parameters and the feature parameters in the frequency domain is analyzed. Then it introduces the basic theory of fuzzy theory and the application of fuzzy clustering in diesel engine vibration fault. After that, the main procedures and related instructions of the software design based on MATLAB are given, and the graphical user interface based on MATLABGUI is demonstrated. Through this software, we can read the vibration signal data of diesel engine under various conditions, and do some contrastive analysis based on this.

Key words：diesel engine feature parameter time analysis frequency analysis MATLAB fuzzy clustering

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.3论文内容安排 4

第2章 柴油机激励源分析 5

2.1柴油机气缸盖振动激励源及振动信号特性 6

2.1.1 柴油机气缸盖振动激励源分析 6

2.1.2柴油机气缸盖振动信号特性分析 7

2.2柴油机气缸盖振动特征提取方法研究 10

2.2.1柴油机气缸盖振动时域特征分析 10

2.2.2柴油机气缸盖振动频域特征分析 12

2.3本章小结 14

第3章基于模糊理论的柴油机故障诊断 15

3.1模糊理论基础 15

3.1.1模糊集合 15

3.1.2 模糊关系 17

3.1.3模糊变换与模糊综合评判 18

3.1.4模糊推理 18

3.2 模糊聚类分析 19

3.2.1 模糊聚类基本概念 19

3.2.2模糊C均值聚类分析原理及步骤 20

3.3模糊神经网络 22

3.4 本章小结 23

第4章程序设计 24

4.1软件设计环境 24

4.2 MATLABGUI运用 24

4.3程序主体 26

4.4 用户图形界面展示 34

4.5本章小结 36

第5章不同状态下的柴油机信号分析处理 37

5.1同一状态下相同负荷不同转速下的信号分析 37

5.2同一状态下相同转速不同负荷下的信号分析 44

5.3同一工况下不同状态的柴油机振动信号分析 49

5.4本章小结 57

第6章 总结与展望 58

第7章 致谢 59

参考文献 60

第1章 绪论

1.1研究背景

随着当今社会工业化水平的迅猛发展，柴油机作为最常用的动力机械设备，广泛应用于石油矿场、固定发电、铁路牵引、工程机械及特种船舶等领域，日益朝着大型化、高速化、精密化方向发展，工作性能不断改善，自动化程度越来越高，一方面它将大大提高劳动生产率，提高产品质量，降低生产成本和能耗:但另一方面，带来的问题是，一旦其中某一部分或某一环节发生故障，往往会造成停工停产，直接或间接造成巨大的经济损失，甚至造成关键设备损坏，危及人身安全^[1]。
机械设备故障诊断技术是利用测取机械设备在运行中或相对静止条件下的状态信息，通过对所测信号的分析和处理，并结合诊断对象的历史状况，来定量识别机械设备及其零部件的实时技术状态，并预测异常故障的未来技术状态，从而确定必要的对策的一种技术。由于动力机械设备结构的复杂化，影响因素和环节也越来越多，表现出来的行为也随之复杂多变，这给正确提取故障特征、精确故障定位带来很大困难，如何从带故障动力设备的复杂状态行为中提取故障特征，及时准确地找出故障源，避免重大事故的发生，是一个急待解决的问题^[2][3]。
机械设备发生故障的主要特征是机器伴随异常的振动和噪声，其振动信号从幅域、频域和时域反映了机器的故障信息。因此，了解设备在故障状态下的振动机理，对于检测机器的运行状态和提高诊断故障的准确率都非常重要。利用振动监测系统可及时发现和识别这些异常振动现象，通过振动发展趋势观察分析，控制或减少振动，从而可避免重大事故的发生。
1.2国内外研究现状

设备故障诊断技术以故障机理和检测技术为基础，以信号处理和模式识别为基本方法，并随着计算机及通信技术的发展而迅速发展^[4].

现代意义的柴油机故障振动诊断技术是随着计算机技术和信号处理技术的发展而发展起来的.柴油机是一个既有旋转机构又有往复机构的复杂系统。振动源多，如缸内爆发振动 气阀机构撞击振动，传动件的啮合振动以及机体与各部件的固有振动，另外还有活塞不平衡往复损性力，曲轴不平衡回转惯性力矩以及随机激励等激励力，包含了机械，电子，热力学，化学等诸多领域的知识^[5]。

在我国，20世纪70年代后期一些部门和学者对故障诊断技术开始有所研究。20世纪80年代初，我国才开始对内燃机故障诊断进行探索性研究。其中，华中科技大学、西安交通大学、清华大学、山东大学等高校在利用柴油机振动信号进行故障诊断研究方面做了大量的研究工作(王志华2004;吴震宇2009)^[6][7]。由于柴油机工作时必然会产生振动，柴油机零部件的状态信息也会通过一定的传递途径反映到表面振动信号中(余成波等1997)^[8]，所以通过进行故障诊断来对柴油机进行故障诊断是可行的。周轶尘和彭勇(1988)对发动机缸盖振动系统特性进行了研究，接着又研究了利用振动信号诊断发动机气门故障^[9]。舒歌群等(1992)对内燃机缸盖振动传递特性进行了研究^[10]。谭达明等(1992)对柴油机工作过程故障诊断的基础作了研究^[5]。郝志勇等(1994)对内燃机气缸压力振动识别进行了研究^[11]。黄德中(1995)对柴油机振动分析及故障诊断进行了研究^[12]。于明进等(1998)研究了振动特征参数在发动机故障诊断中的应用^[13]。刘世元等(1999)研究了内燃机气缸压力的振动信号倒谱识别方法^[14]。金萍等(2000)研究了内燃机表面振动信号的性质^[15]。曹龙汉(2001)研究了柴油机智能化故障诊断技术^[1]。王志华(2004)研究了基于模式识别的柴油机故障诊断技术^[16]。唐娟(2007)研究了柴油机振动信号特征参数提取方法^[17]。吴震宇(2009)对内燃机故障诊断中的理论与相关技术作了研究^[7]。费红资等人（2016）对柴油机气门故障特征提取的相关技术做了研究^[18]。朱丽娜等人（2018）提出了一种基于ＲeliefF、主成分分析(PCA)以及支持向量机(SVM)的柴油发动机故障诊断方法^[19]。

在国外，美国是最早开展故障诊断技术研究的国家之一，早在1961年美国就成立了国家机械故障诊断研究所，1967年在美国宇航局的倡导下，成立了机械故障预防小组，从事故障机理、检测诊断技术、可靠性分析的研究以及耐久性评价等工作。目前，美国故障诊断技术在航空航天、军事、核能等尖端工业方面得到了广泛的应用，并处于世界领先地位。早在20世纪80年代中期，美国就已研制出机车、船舶柴油机故障诊断专家系统。近年来，Wavebook公司开发了一套适合于内燃机振动和噪声信号分析的软件包，正推广应用到全世界内燃机研制和开发能力较强的知名企业。20世纪70年代初，英国成立了机械保障与状态检测协会(MHMGamp;CMA)该协会奠定了故障诊断技术在英国的普及与发展。目前英国柴油机摩擦、磨损故障诊断方面具有领先地位。在欧洲其它国家中，对故障诊断技术及诊断分析仪器的开发与研究中，各有特色并有很大成效，如丹麦Bamp;K公司侧重于振动、噪声监测技术，且该公司研制开发的振动噪声测试设备处于领先水平;挪威的船舶柴油机监测与诊断研究所遍及世界各地，并建立服务于全球的各级船级社，在国际上具有较大的影响，不过他们的测试手段和分析方法相对比较简单^[16]。

国外针对柴油机的振动噪声预测也做过许多研究。2010年，Lezza A. Mignery and Christopher Conklin等人提出通过将各部分载荷分别加载而得到基体表面的速度和各因素对振动的贡献率，从而计算柴油机的声学特性^[20].T.Zheng和A.Y T.Leung提出在对柴油机的声学进行研究之前首先要明确声音的构成并且建立数学模型，并且提出了一种结合线性时域分析和非线性时域分析有点的方法，并通过声学信号来检测喷油嘴工作过程中的发生的异常^[21], S.J.Hwang, K.T.Yoo,U.K.Kim也在CIMAC上提出对二冲程柴油机轴系扭振控制的方法，提议从增大曲轴直径、提供适当的发火顺序等方面来改善其振动情况。Romulus Raeea和Stanley Walke:对隔振器展开了研究，认为如果质量刚度的频率小于激励频率，那么通过刚度后的激励力会被显著减小，通过对隔振器的细致研究以达到减少柴油机振动噪声的目的^[22]。Rychter T.J对压缩比在发动机定负荷下对燃烧噪声的影响进行了研究^[23] .Bowen Caroline E和Kondo Masahiko应用废气循环技术((EGR)来改善燃烧过程降低燃烧噪声进行了研究^{[24] [25]}. Schulte Horst研究了喷油率、喷油定时以及引燃喷油对燃烧噪声的影响^[26]; Kohketsu S通过降低双弹簧喷油器初次开启压力和调节喷油器针阀的预升程来抑制空气和燃料混合气的形成对怠速工况的燃烧噪声的影响^[27].

由上可知，虽然众多学者在柴油机故障诊断方面颇有建树，但基于此的能用于实际的产品却寥寥无几，为了更好的将前沿知识化为可用于实践的物质资源，开发一款柴油机振动智能故障诊断仪软件是其中的一条研究方向。

1.3论文内容安排

论文主要讲述：

（1）绪论：概述了进行柴油机振动智能故障诊断仪软件开发研究背景和意义；总结了基于振动信号的柴油机故障诊断的发展和研究现状；概述本文研究的主要内容和章节安排。

（2）讨论了柴油机振动的激励源的产生以及柴油机振动信号特征参数的提取。

（3）简要介绍了模糊理论，模糊理论在柴油机故障诊断的应用以及与神经网络的联动。

（4）介绍了程序的编程环境，以及如何通过编程实现信号处理，特征参数的提取以及模糊算法于之间的简单运用。

（5）对不同状态下柴油机的振动信号进行分析。

第2章 柴油机激励源分析

柴油机机身表面振动是内部各种激励力共同作用的综合反映，一般来讲，主要的激励源有：（1）气体压力；（2）活塞横向撞击脉冲；（3）气体压力和活塞往复惯性力通过连杆、曲轴而产生的周期性激励，以及曲轴系本身由于各种原因而产生的激励；（4）气门机构运动冲击；（5）其他机构激励及若干随机激励。

为了通过柴油机振动信号来做柴油机故障诊断，首先要了解柴油机产生振动信号的激振力的来源和其传播特性，图2.1为柴油机各激振力的传播示意图。

图2.1 激振力传播示意图

2.1柴油机气缸盖振动激励源及振动信号特性

2.1.1 柴油机气缸盖振动激励源分析

由图2.1可以看出，直接作用于机体上的激振力主要有活塞的敲击激振以及由往复惯性力和气体作用力共同作用传递到轴承上的轴承力;而直接作用于缸盖上的振动激励力主要有燃烧气体力和气门机构的作用力。由于缸盖和机体结构是通过螺栓等连接部件连接在一起的，因此，如果在传递过程中，信号的传递不受材料的阻尼和刚度影响，则在缸盖或机体上测得的振动信号包含的信息量应该是相同的。

四冲程柴油机工作时，一般可以反映出以下几个主要的激振力:燃烧激振力、排气门开启时气体节流冲击、排气门落座冲击、进气门落座冲击及活塞换向对缸套的冲击等。为了更好的分析气缸盖激励源，可以通过图2.2柴油机工作循环过程示意图来分析^[28]。

图2.2 柴油机工作循环示意图

（1）燃烧激振力分析

燃烧激振力主要包含压缩和燃烧两部分，在不发生燃烧时，气缸内气体力主要是由气体压缩形成，这是气体力和往复惯性力的合力产生的周期性激励，在频谱上的表现为低频成分。当发生燃烧时，在上止点附近，由压缩和燃烧形成的缸内气体压力急剧升高，极大的压力升高率包含着激励的高频分量。在柴油机运行过程中，燃烧发生的时间很短，燃烧激励的作用范围大约在上止点附近曲轴转角的区域。爆发阶段振动信号蕴涵丰富的特征信息，是缸内燃烧过程的直接反映。

（2）气门撞击激振力分析

配气机构的作用是保证气门在规定时刻的启闭，同时为气缸具有良好的换气质量提供保障。对缸盖振动信号进行分析可以的得到与气门机构相关的故障。研究表明，进气门和排气门落座产生的振动响应相似，均为高频响应信号。随着气门间隙的增大，落座速度增大，缸盖振动急剧增加，而且增加的主要是高频成分^[17]。

（3）排气门节流冲击力分析

排气门打开瞬间，高温高压气体通过气门与气门座之间的空隙，形成喷流的状态。排气节流对系统造成的冲击是一个频率范围很宽的准白噪声激振力。排气门节流击在主燃烧期引起的响应比较明显。

从上面的分析可以看出，气体燃烧力和气门撞击激振力直接影响缸盖的振动情况。当柴油机出现某种故障时，相应的激励力在缸盖上的振动响应信号在时间和频率上都会有所体现。所以，可以通过提取缸盖振动信号的特征参数对柴油机进行故障诊断。

2.1.2柴油机气缸盖振动信号特性分析

（1）缸盖振动信号的时域特性

缸盖振动信号的时域特性是指各激励力响应信号在作用时刻及其作用强度等方面体现出来的特性。

对于单缸机而言，各激励力产生的响应信号在时间相位上相差较大，较易于在时域内加以分离:对于多缸机而言，尽管邻缸的激励力在传递过程中衰减较快，但在一般情况下是不容忽视的。此时，时域特性显得尤为重要，这是柴油机缸盖振动信号的一个最基本特性。根据四冲程柴油机的工作特点，可以知道缸盖振动信号包含了相当多的信息，是多种激励源的总和，缸盖响应主要受到燃烧冲击和气阀敲击的影啊。

图2.3 缸盖振动时域信号

以4120SG型柴油机为例，图2.3是在1500r/min，75%负荷工况下以50KHz对第三缸缸盖表面振动进行采样获得的波形分析图，从图中可以看出，对于4缸机，气阀冲击与燃烧激励响应信号冲击能量较大明显，采用抽区间采样法能简单地分离出上述激励源，但对于多缸机而言，所测缸的振动时域响应在一定程度上还会受到其他缸的干扰，因此在抽区问分析时应综合考虑^[29]。

（2）缸盖振动信号的频域特性

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