柴油发动机的故障诊断与排除.docx

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柴油发动机的故障诊断与排除

摘要

柴油发动机是一种用途非常广泛动力机械。

其可靠性和耐久性在运行过程中地位日益突出。

由于发动机强化程度提高,其结构变得极为复杂,工作条件也十分恶劣,发生故障可能性大大增加。

为确保发动机安全运行,提高其可靠性和安全运转率,必须加强发动机运行管理,加强对发动机故障早期诊断和预防。

柴油发动机因其具有贮备功率大，经济性能良好，适应范围广等优点，在交通运输和工程机械中得到了广泛应用。

柴油发动机作为工业生产和各种设备主要动力源，其运行状态好坏直接关系着生产效益以及安全问题。

对柴油机进行故障诊断，能够有效地避免事故发生，降低维修成本，从而带来巨大经济效益。

本文介绍了一些主要故障诊断技术和方法，并且指出了当前故障诊断技术存在难点和以后可能发展前景。

关键词：

柴油发动机；故障诊断；故障排除

Abstract

Dieselengineisaveryversatilemachinery.Itsreliabilityanddurabilityintheprocessofrunningstatusisincreasinglyprominent.Increasedduetotheengine,itsstructurebecomesverycomplex,theworkingconditionisverybad,thepossibilityoffailure.Inordertoensurethesafeoperationoftheengine,toimprovethereliabilityandsafetyoperationrate,wemuststrengthentheengineoperationandmanagement,tostrengthentheearlydiagnosisandpreventionofenginefailure.Dieselenginesbecauseofitsreservepower,theeconomicperformanceisgood,adapttotheadvantagesofwiderange,intransportationandengineeringmachineryhasbeenwidelyused.Dieselengineasthemainpowersourceofindustrialproductionandavarietyofequipment,itsrunningstateisgoodornotdirectlyrelatedtotheproductionefficiencyandsecurityproblems.Fordieselenginefaultdiagnosis,caneffectivelyavoidthehappeningofaccidents,reducethemaintenancecost,whichbringhugeeconomicbenefits.Thispaperintroducessomemaintechniquesandmethodsoffaultdiagnosis,faultdiagnosistechnologyandpointsoutthecurrentexistingdifficultiesandfuturepossibleprospectsfordevelopment.

Keywords:

DieselEngine;Faultdiagnosis;troubleshootinge

第一章引言

随着科学技术高速发展，现代化生产机器设备日趋大型化、复杂化和自动化。

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。

但是另一方面，一旦出现故障，往往造成停工停产，带来巨大经济损失，甚至给生命财产安全带来严重威胁。

在这种情况下，故障诊断技术就显得格外重要。

故障诊断111是上世纪六十年代产生并发展起来一门综合性边缘学科，是随着生产设备现代化发展，由于设备安全性和维修迫切需要而产生。

它包含对设备状态进行监测和在发生异常情况后对设备进行分析和诊断。

故障诊断技术综合了很多学科内容，它能实现设备在带负荷运行时，或基本上不拆卸情况下，通过对其状态参数检测和分析、判定是不是存在异常和故障以及故障位置和原因，并对设备未来状态进行预测。

这一技术对于实现设备科学管理和采取合理维修具有重要意义[1]。

由于柴油发动机贮备功率大，并具有良好经济性和动力性，所以，适用范围比较广泛，在交通运输和工程机械中得到广泛应用。

但在发动机使用中，随着工作时间增加，各零部件都会产生磨损、腐蚀、变形、损伤和松动，从而破坏了原有配合性质，致使机器产生性能上衰退，甚至恶化，导致机器故障产生。

正确地诊断出故障产生原因，迅速将故障排除掉，以恢复发动机原有性能，这是发动机维持正常工作运转关键所在。

有些故障诊断和排除十分便捷，这些通常称之为常见故障。

可以借助“发动机故障诊断仪”、“示波器”、“尾气诊断仪”等仪器设备来进行。

但也有一些故障，按常见故障去检查和推理，却都不能找出故障产生原因。

只有通过非常规方法，才能判断出故障原因，从而把故障消除掉。

我们将这类故障称之为发动机疑难故障。

疑难故障诊断是比较麻烦，但最后找到引起故障原因往往是出乎意料地简单，有甚至是啼笑皆非。

疑难故障具有以下特点：

一是偶然性，二是单一性，三是非常规性，四是不可预料、出乎意料性[2]。

本文针对柴油发动机产生疑难故障原因进行诊断和分析，旨在对疑难故障有一个比较清晰认识，对疑难故障诊断逻辑思维过程有一个大概了解，为柴油发动机故障正确诊断和排除提供思路。

第二章疑难故障产生原因及分析

柴油发动机疑难故障产生原因，总来说有以下三个方面

2.1因配件质量问题而造成疑难故障

一台双排座1.25吨庆铃汽车，已行驶28万公里，因发动机烧机油并严重喘气而进厂大修。

修后，发动机动力性能良好，出厂后发现在车辆高速行驶时，会出现不规律、偶然发动机突然熄火。

汽车重新进厂，要求排除故障。

据分析，问题应出在发动机燃油油路上，即为高速断油[1]。

因为大修时，发动机高压喷油泵、喷油器都进行过调试校正，是不可能出现问题，所以推断：

低压油路在高速时供油不足，问题应出在低压油路。

为此，按常见故障诊断进行。

首先，检查低压油路不漏油，不漏气，油箱通气孔畅通等全部正常；其次，检查油水分离器启动泵，为防止问题产生，将低压油路中各接管全部拆下清洗，并更换柴油滤芯；再次，检查回油电磁阀，出油阀片等，这一切均也合格；最后，对燃油质量进行检查，没有问题。

对低压油路中常见故障范畴原因都进行了检查，没有发现问题。

启动发动机对汽车进行高速路试，故障未能消除。

我们用总成置换法再一次证明不是高压油泵故障。

当我们将油箱拆下清洗时发现，油箱内壁清洁，无沉淀物，油箱传感器正常，在油箱底板上，有一个大小和吸油直管管径大致相当印痕，且直管管口和油箱底板距离很近，用手按压油箱底板时，底板会产生凹凸变形。

经分析，油箱底板刚性不足，和吸油直管距离过近，油箱底板因车辆行驶振动，发生变形，进而堵塞进油口，造成故障。

对吸油直管进行处理后，故障消除[3-4]。

从由此案例，我们认为：

因汽车零部件质量不佳而造成故障，一般是较难诊断。

2.2由于驾驶员使用维护不当造成疑难故障

驾驶员在日常工作中，不认真进行技术维护，不按操作规程正确使用，汽车出现故障，这类疑难故障诊断起来也会比较困难。

如一台长江大客车，配6110柴油发动机，新车行驶3万公里，发动机工作正常。

后在行驶中，出现油门拉杆不回位，松开油门后，发动机转速降不下来，这在柴油发动机中，是出现“飞车”预兆。

对此故障进行诊断和排除：

首先，我们检查高压油泵和调速器，正常。

调速器拉杆不滞不卡，运动自如。

用总成置换法进行检验，故障现象消除，这说明问题就出在高压油泵上。

在试验台上正常，装在车上却出现故障，我们就要按疑难故障来处理了，我们试着从调速器上来考虑：

高压油泵润滑是属于压力润滑，压力油是由机体主油道来供给，油道和油泵凸轮轴腔相通，当压力过高时，调速器调速性能会受到影响，可能发生发动机“飞车”故障。

检查油压，正常。

再细看结构，发现在油泵机油管路上设有一个回油螺钉，油道中压力大小，由该回油螺钉进行调整。

检查回油螺钉后，发现回油道已被油垢堵塞，回油孔不回油，整个油路压力骤然增大是造成此疑难故障原因，清洗油道后故障消除[5]。

此案例说明：

在日常使用中，因保养维护不当导致疑难故障，是很难找出其产生原因，只要正确地维护使用，有些“人为”故障是可以避免。

2.3因修理工作失误而造成疑难故障

在修理工作中，由于修理人员知识水平局限，或对现代汽车新结构了解不够，甚至有时工作上马虎大意，都会造成疑难故障。

如一台日本小松公司生产PC300-6挖掘机，在进行土方施工时，因发动机冒烟严重而停机检修，故障现象为：

加油过程，冒烟逐渐减少，油门踩到底时，冒烟现象消失；减油过程中，冒烟加剧。

在排故时，首先，检查燃油供给系，无问题。

此故障征象和常理不合，查阅资料可知，这些均和常见故障征象正好相反，它违背了发动机燃烧理论。

常规方法处理不了，就得按疑难故障来分析。

在进行结构分析时发现：

在现代增压柴油机调速器上增设了一个气压控制式“防冒烟限制器”。

经查资料得知，“防冒烟限制器”是利用进气管中压力变化，通过膜片变形形成机械推力，自动改变喷油泵齿条供油位置，使其在一定时刻相应地改变供油量，以保证合适空燃比，防止发动机产生冒烟现象。

这样，我们就把目标集中在“防冒烟限制器”上，拆下“防冒烟限制器”检查，发现冒烟限制弹簧上皮碗因长期使用而老化，更换皮碗后，故障消除。

从这一案例中，说明修理人员因知识水平限制，结构不熟悉，使故障诊断遇到了困难，从而造成了一些不必要麻烦。

第三章柴油发动机故障诊断技术和方法

柴油机是生产、生活中常见动力源，广泛应用于钻探、各类大型工程机械、船舶和汽车等。

它结构复杂、零件众多、工作条件恶劣。

造成柴油机故障原因大致分为磨损、形变过大、腐蚀等。

因此，柴油机故障诊断和普通设备有共同之处，还有它自己独特方面。

柴油机故障

诊断理论和方法常见有如下几类[7]。

3.1基于物理和化学分析诊断方法

通过观察柴油机运行过程中物理、化学状态来进行故障诊断，分析其声、光、气味、温度变化，再和正常状态进行比较，凭借经验来判断设备是否故障。

常见诊断方法有:

油液分析法，运用铁谱、光谱等分析方法，分析油液中金属磨粒大小、组成、含量来判断发动机磨损情况;尾气分析，对柴油机排出尾气进行化学成分分析，也可以判断出柴油机工作状态。

这种诊断方法方便快捷，但是大多是依赖经验定性分析，缺乏定量分析，可能出现误诊情况。

3.2基于信号处理故障诊断方法

对柴油机工作状态下信号进行诊断，当超出一定范围即判断出现了故障。

信号处理对象主要包括有时域、频域以及峰值等指标。

运用相关分析、频域、小波分析等信号分析方法，提取方差、幅值、频率等特征值，从而检测出故障。

在发动机故障领域中常用检测信号是振动信号和转速波动信号。

比如，以现代检测技术、信号处理、模式识别为基础，在频域范围内，进行快速傅立叶变换分析等方法，描述故障特征特征值，通过采集到发动机振动信号，确定了实验测量位置，利用加速传感器、高速采集卡等采集了发动机振动信号，并根据小波包技术，提取了发动机故障信号特征值。

这种诊断方法缺点在于只能对单个或者少数振动部件进行分析和诊断。

而发动机振动源很多，用这种方法有一定局限性。

3.3基于模型故障诊断方法

所谓基于模型方法，是在建立诊断对象数学模型基础上，根据有模型获得预测形态和所测量形态之间差异计算出被诊断系统最小诊断。

它基本原理是:

首先通过测量获取所观察形态，然后基于系统输人和所有组件正常状态模型获得预测形态。

根据这两种形态差异计算出最小冲突集。

利用最小冲突集计算出最小诊断。

其中，最小诊断就是关于故障元件假设。

基于模型故障诊断方法在发动机故障诊断已有许多研究阎。

基于模型诊断方法具有不依赖于被诊断系统诊断实例和经验，因而使用于新和未有经验系统故障诊断。

但是随着模型复杂度增大，诊断速度就会变慢，而且诊断精度严重依赖于模型精度，一旦模型有所偏差，就会导致诊断失败或误诊。

3.4基于知识诊断方法

近年来，人工智能及计算机技术迅猛发展，为故障诊断技术提供了新理论基础[3]。

基于知识诊断方法，不需要对象精确数学模型。

基于知识故障诊断方法主要分为:

神经网络故障诊断方法;基于粗糙集故障诊断方法;模糊故障诊断方法;故障树故障诊断方法;专家系统等。

3.4.1基于神经网络诊断方法

神经网络是一种通过模拟人脑来处理信息方法。

它以分布式方式储存信息，利用网络拓扑结构和权值分布实现非线性映射，并利用全局并行处理实现从输人空间到输出空间非线性信息变换。

神经网络优点是它具有高度非线性、容错能力和联想记忆能力，对于特殊问题适当建立神经网络故障诊断系统，可以从输人数据（故障状态）直接推出输出数据（故障原因），从而实现故障诊断。

但是，神经网络在故障诊断应用也存在一些缺点，比如无法融人经验性知识，神经网络“黑箱”结构难以了解系统行为等。

目前神经网络诊断方法主要运用于提取稳态特征参数[8]。

3.4.2基于粗糙集故障诊断方法

粗糙集理论是波兰数学家Z.Pawlak在1982年提出一种分析数据数学理论[9]。

它最大特点就是不需要提供问题所需处理数据集合之外任何先验信息。

作为一种处理不确定和不精确问题工具广泛应用于数据挖掘和模式识别领域，近年来也用于智能故障诊断领域。

在故障模式识别中，粗糙集能够在保证信息不丢失前提下，对决策系统进行有效约简，去除多余信息，减轻故障分类器压力，对不完备信息系统采用直接处理方法，将粗糙集理论中不可分辨关系在不完备信息系统下进行扩充。

3.4.3基于模栩集故津诊断方法

模糊理论最初是由zadeh在1965年提出，其目是为描述和处理广泛存在不精确、模糊时间和概念提供相应理论工具。

模糊集对模糊信息具有强大处理能力，这使得它成为故障诊断一种有力工具。

第一种方法是通过确立故障征兆和各故障之间模糊隶属度，建立征兆和故障模糊关系，根据模糊变换原理和最大隶属度原则，可对发动机进行诊断闭。

第二种方法是运用模糊聚类算法，对原始数据进行模糊C均值[10]。

3.4.4基于故障树诊断方法

故障树是一种体现故障传播关系有向图，以诊断对象最不希望事件作为顶事件，按照对象结构和功能关系，运用逻辑门逐层展开，直到不可分事件（底事件）为止。

故障树分析法原来用于系统可靠性设计，现已广泛用于故障诊断领域。

但是，由于故障树是建立在部件联系和故障模式分析基础之上，因此不能诊断不可知故障。

故障诊断结果严重依赖于故障树信息完整程度。

如果给定故障树不完全、不详细、不精确，那么对应诊断也会不完全、不详细、不精确。

3.4.5基于专家系统故阵诊断方法

专家系统利用专家经验，从大量样本中提取故障特征，描述故障和征兆之间关系网。

在进行故障诊断时，根据已知事实，采用基于推理机通过故障原因和征兆进行匹配。

专家系统是诊断领域最引人注目，也是研究最多、应用最广一类智能诊断技术。

它主要应用于没有精确数学模型或者很难建立数学模型复杂系统。

在实际运用中，有基于网络故障诊断专家系统诊断并讨论在建立此系统时诊断过程和相关困难。

3.4.6其它故降诊断方法

除了上述理论和方法外，在故障诊断领域中，还有基于向量机诊断方法，基于遗传算法诊断方法，基于灰色理论诊断方法，基于Petri网诊断方法以及把各种诊断相结合方法。

综上所述，单一故障诊断技术有着各自优缺点，难以满足复杂系统诊断要求。

因此，将各种不同诊断方法有效结合起来，对故障诊断有着重要意义，是故障诊断技术发展一个趋势。

第四章影响柴油机故障诊断步骤及发生原因

随着现代科学技术发展，特别是计算机技术带来重大变革，故障诊断技术，诊断理论和方法也得到了很大发展，但是仍然存在很多因素，影响着柴油机故障诊断技术进一步发展[4,5]。

4.1影响柴油机故障诊断技术发展主要问题

l）柴油机结构组成:

柴油机又可以分为几个子系统，每个子系统组成也很复杂而且结构紧凑，传感器安装布置不易，要求在发动机设计和制造中安装灵敏、精确传感器。

2）信号测试方法和测试设备:

目前，测试方法多种多样，不同测试方法之间可能会造成一定差别。

测量分析仪器和诊断仪器相脱离，便携式多为分析系统，一般为传感器，频谱仪等，缺乏诊断系统，而较好仪器多为固定、专用系统，一般在大型设备或厂房里，给现场诊断带来一定困难。

3）柴油机故障机理和故障特征:

柴油机结构复杂，工作环境恶劣。

各部件工作方式，受力大小、方向各不相同。

激励源众多，传递路径复杂，一个部件可以引起不同故障，同一故障也可以由不同部件引起。

另外，柴油机型号众多，结构存在或多或少差异，使得难以寻找共通故障特征。

4）故障诊断方法:

柴油机故障诊断方法众多，把不同故障诊断方法结合起来具有一定难度。

目前还没有形成一种较为通用性方法和理论。

这也是制约柴油机故障诊断技术发展一个主要因素。

4.2疑难故障诊断步骤

在疑难故障诊断中，一定要耐心地用排查法一个一个去寻找，相信最终总会有收获[6]。

一般来说，疑难故障诊断应按以下步骤进行：

4.2.1行动之前要先进行思考、观察,仔细研究故障

1）在故障之前出现过哪些警告特征。

通常情况下,柴油机发生故障前其转速、声音、排气、水温、机油压力等方面均会表现出某种异常迹象,即故障预兆特征。

工作人员可以根据预兆特征迅速做出正确判断,果断采取措施避免事故发生。

例如:

气门漏气,发动机就会冒黑烟;曲轴轴瓦和轴颈磨损过甚,发动机就会发出一种发闷“镗镗”敲击声。

2）在这之前进行过哪些修理和保养工作。

通常一些不当修理或保养会造成一些故障出现,工作人员可以从这些修理或保养中找出线索。

3）以前是否出现过类似故障。

4）如果发动机还在转动,让它继续转下去,以便做更多检查是否安全

4.2.2先从最简单、最容易做原因查起

大多数故障都是简单和容易排除,工作人员应先检查最容易和明显事,这样就能节约时间,快速找出原因、排除故障,减少一些不必要麻烦。

例如“功率不足”通常是由于油门机构松动和燃油滤清器脏引起;“机油消耗过大”通常是由于密封垫和油管接头泄漏引起。

4.2.3在开始拆卸工作之前要重复检查思考

多数发动机故障不只是起源于某一部件,而是可以追溯到各部件之间关系。

在故障排除过程中,常常会出现这样一种情况:

整台发动机被拆散以寻找某一故障原因,以致在拆散过程中破坏了寻找故障所有线索。

所以应当再一次检查思考,看是否忽略了一个容易解决办法。

例如,不充电不仅仅是调速器故障,也有可能是风扇皮带过松造成。

4.2.4找出并排出故障发生根本原因

在机械失效被改正以后,还要将故障发生根本原因找出并加以排除,免得以后出现类似故障。

“喷油咀柱塞粘结”,可以用换掉失效柱塞来解决,但总是有个因素导致柱塞粘结,这可能是喷油咀调整不当,也可能是由于燃油中有水等原因造成[7,8]。

按照以上4个步骤进行故障诊断和排除,基本能从根本上找出故障发生原因和排除方法,可以避免杂乱无章、毫无头绪情况发生。

2．常见故障诊断后，决定不了故障部位及故障原因时，就得采用疑难故障诊断，这时候要求对故障原因进行多方位思考和推理。

对于结构，应对每个细节都进行推敲，这些细节都有可能是解决问题关键所在。

3．疑难故障诊断是否对路，其关键在于诊断时方向把握，目标一开始就要清楚，一旦弄错了方向，诊断就会陷入泥潭。

诊断方向把握，是建立在对结构分析和对理论逻辑推导基础上，盲目猜想是不可取。

4.3典型故障发生原因

4.3.1“飞车”故障

预兆特征:

转速突然升高,而且越来越快,不受油门控制,声音异常、刺耳,排气管冒出大量蓝烟或黑烟。

“飞车”属于超速空转,在负荷下工作不会发生,都是在刚起动或工作中负荷突然去掉或减轻情况下,才有可能出现。

其主要原因是调速器系统发生故障,使供油失去控制或油底壳机油过量而引起。

出现“飞车”预兆,如不立即采取紧急措施,最后会导致捣缸、断轴等重大事故[9]。

处理措施:

主要是通过断油或断气达到熄火目。

可以采取紧急措施有:

1）关油门停止供油,并踏下制动器;2）堵塞进气管,切断空气进入;3）迅速松开高压油管停止供油;4）车用柴油机行走中可用高档重负荷（制动）,使发动机因扭气不足而熄火。

4.3.2粘缸故障

预兆特征:

转速下降、运转无力、声音沉闷、水温超高,配有水温表指示超过100℃。

此时,向机件洒一些水会迅速蒸发。

主要原因是严重缺水,水冷却系统失效。

若立即熄火停机,可能产生粘缸。

处理措施:

怠速运转一段时间或熄火摇转曲轴帮助冷却,使水温降至40℃左右,再缓慢加入冷却水。

注意不要立即加冷却水,否则会导致机件因局部温度突然下降过快而变形或产生裂纹。

4.3.3捣缸故障

预兆特征:

曲轴箱部位有“嗒嗒”声,象小锤子轻敲硬地板声音,即俗称“敲缸声”机油压力下降,急加速时更明显。

捣缸是破坏性较大机械故障,主要原因是由于连杆螺栓松退或螺栓拉伸缩颈,连杆轴配合间隙过大,造成螺栓松脱或折断所致[10]。

若有敲缸声,但机油压力正常,则不是捣缸预兆,应从调整供油提前角方面考虑。

处理措施:

立即停机检修,更换新件。

4.3.4烧瓦故障

预兆特征:

声音发闷,好象负荷突然加重,转速降低,机油压力下降,排气冒黑烟。

烧瓦会导致轴瓦和轴颈抱死而熄火,主要原因是轴瓦表面润滑油膜被破坏,轴瓦和轴颈表面金属直接接触,摩擦温度迅速上升,表面产生胶合所致。

处理措施:

立即停机检修,更换新件。

4.3.5自行熄火

预兆特征:

发动机油门加不起油。

主要原因是:

燃油系中含有大量空气或水分,喷油泵或调速器工作不良,输油泵不输油或供油不畅,活塞和汽缸壁咬死或轴瓦烧蚀等原因引起。

处理措施:

在确定燃油没有问题情况下,检查油路、喷油泵、输油泵或调速器,确定有不良状态时进行更换、修理。

从以上可以看出,发动机出现故障都有一定特征和规律可循,抓住这些特征和规律,按照四步走原则,可以快速、准确地排除这些故障。

第五章柴油机故障诊断及排除发展趋势

当前柴油机故障诊断理论和技术有如下几个可能发展方向，柴油机故障诊断技术和现代科学技术结合是发展趋势，具体来说，可以大致分为以下几个方向。

5.1实时在线诊断

研制出适合柴油机故障诊断专用新型集成传感器，特别是采用长寿命可埋于柴油机内传感器。

另外，可以集成多种方法，取长补短，利用现代时、频分析、模糊逻辑、小波分析、粗糙集等信号处理方法提取状态信息故障特征，结合神经网络、专家系统等实现故障自动诊断。

5.2多源信息融合

在柴油机运行过程中，可以利用状态信息有很多，比如振动、声响、油温、油压、水温、输出功率、转速、扭矩等。

如何对这些大量信息进行融合，是今后故障诊断技术研究重点方向。

5.3向网络化远程化发展

随着计算机网络及相关技术发展，远程故障诊断技术逐渐成为故障诊断领域一个新发展方向。

网络化可以实现诊断信息资源、硬件资料、软件资料等各种资源共享，为维修人员和用户提供了所需故障诊断信息，打破了地域和时间限制，提高了故障诊断质量和精度，从而改变了传统故障诊断模式。

另外，它对改善机组管理，减少设备投资，提高设备利用率，也有一定帮助作用。

第六章总结

本文首先对柴油发动机进行故障诊断,必须选定间接评价发动机状态方法和手段。

合理方法应用于相应故障现象诊断，可取到事半功倍效果。

其二，对柴油发动机故障诊断需要做大量实验研究和经验积累，同时故障诊断方法也要多样化。

在应用振动法检测柴油发动机同时，还需应用油样铁谱分析技术、光谱分析技术等故障诊断方法。

尽可能采用多种检测手段进