柴油发动机的检测与故障诊断解读.docx

柴油发动机的检测与故障诊断解读.docx

《柴油发动机的检测与故障诊断解读.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《柴油发动机的检测与故障诊断解读.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

柴油发动机的检测与故障诊断解读

毕业设计（论文）

题目：

柴油发动机的检测与故障诊断

20xx年xx月

毕业设计（论文）摘要

柴油机作为一种重要的动力机械，广泛应用于各个行业，在国民经济和日常生活中起着举足轻重的作用。

柴油机集往复、回转、冲击等运动部件于一体，具有结构复杂、工作条件恶劣、运用负荷范围大的特点。

对柴油机的状态进行追踪并进行故障诊断可以有效提高柴油机运行效益。

为提高柴油机动力装置的安全性和可靠性，对柴油机进行检测和故障诊断具有十分重要的意义。

本论文主要通过四部分分析了柴油机的检测诊断技术，第一步部分总结柴油机故障诊断国内外研究现状与发展动态。

第二部分是通过查找资料总结出柴油机检测诊断的几种重要方法。

第三部分是对柴油机的燃油供给系的检测与诊断，这部分主要通过分析柴油机燃油供给系统高压油管的油压波形特征和供油正时的检测研究了燃油供给系统的检测诊断策略。

第四部分是简要介绍电控柴油机的检测与故障诊断，这部分是主要通过对电控柴油机的故障检测与诊断的原则，方法和原因分析进行说明，从而对电控柴油机检测与诊断有所了解。

第五部分是对柴油机未来检测与诊断的展望，说明以后的发展趋势。

关键词：

柴油机；检测方法；故障诊断；燃油供给系统

毕业设计（论文）外文摘要

Title：

Detectionandfaultdiagnosisofdieselengine

Abstract：

Dieselengineasamajorpowermachinery,widelyusedinvariousindustries,innationaleconomyanddailylifeplayadecisiverolein.Dieselenginesetofreciprocating,rotary,shockandothermovingpartsinone,hasacomplexstructure,poorworkingconditions,usingtheloadrangecharacteristics.Onthestateofdieselenginefortrackingandfaultdiagnosiscaneffectivelyimprovethedieselenginerunningbenefits.Inordertoimprovethesafetyofdieselenginepowerplantandthereliabilityofdieselengine,faultdetectionanddiagnosisisveryimportant.

Thispapermainlythroughthefourpartoftheanalysisofthedieselenginetestinganddiagnosistechnology,thefirststepofdieselenginefaultdiagnosisresearchstatusathomeandabroadandthedevelopmenttrends.Thesecondpartistofindtheinformationbysummingupdieselenginedetectionanddiagnosismethods.Thethirdpartofthedieselenginefuelsupplysystemofdetectionanddiagnosis,thispartmainlythroughtheanalysisofthefuelsupplysystemofdieselenginehighpressureoilpipeoilpressurewaveformcharacteristicsandfuelinjectiontimingdetectionoffuelsupplysysteminthedetectionanddiagnosisstrategy.Thefourthpartisthebriefintroductionofelectroniccontroldieselenginefaultdetectionanddiagnosis,thispartismainlybasedonelectroniccontrolleddieselenginefaultdetectionanddiagnosisprinciple,methodandtheanalysisofthereasonsforthat,soonelectroniccontrolleddieselenginedetectionanddiagnosisknowledge.Thefifthpartisthedetectionanddiagnosisofdieselenginethefutureprospect,illustratesthedevelopmenttrendofthefuture.

Keywords:

dieselengine;detectionmethod;faultdiagnosis;fuelsupplysystem

目录

1引言………………………………………………………………………………………………6

1.1柴油机故障诊断国内外研究现状与发展动态………………………………………………6

1.2柴油机故障诊断目前存在的问题分析………………………………………………………7

1.3柴油机故障诊断技术的发展趋势……………………………………………………………8

2柴油机检测诊断的方法…………………………………………………………………………9

2.1仪器检测诊断法和传统经验检查法…………………………………………………………9

2.2振动噪声检测…………………………………………………………………………………9

2.3油样分析………………………………………………………………………………………10

2.4基于神经网络的诊断法………………………………………………………………………10

2.5灰色系统法……………………………………………………………………………………10

2.6无损探伤技术…………………………………………………………………………………10

3传统柴油发动机燃料供给系统的检测与故障诊断……………………………………………11

3.1柴油机的供油压力及波形分析………………………………………………………………11

3.2主要检测项目及波形介绍……………………………………………………………………12

3.3常见的几种故障波形…………………………………………………………………………14

3.4柴油机供油正时的检测………………………………………………………………………15

3.5柴油机故障诊断实例分析……………………………………………………………………17

4电控柴油发动机的故障检修……………………………………………………………………18

4.1故障诊断与检修的基本原则…………………………………………………………………18

4.2故障诊断方法及原因分析……………………………………………………………………18

5柴油机的检测与故障诊断的展望………………………………………………………………21

结论………………………………………………………………………………………………22

致谢………………………………………………………………………………………………23

参考文献…………………………………………………………………………………………24

1引言

柴油发动机是一种用途非常广泛的动力机械。

其可靠性和耐久性在运行过程中的地位日益突出。

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,发生故障的可能性大大增加。

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,加强对发动机故障的早期诊断和预防。

目前,对柴油机的故障处理普遍采用定期检修保养和事后维修方法,这种方法缺乏事故预见能力、维修成本高、效率低。

随着电子技术、检测技术、信号处理技术和计算机技术的发展,柴油机故障诊断技术也在不断地提高。

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。

随着柴油机工作性能的不断改善，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。

1.1柴油机故障诊断国内外研究现状与发展动态

目前国外在机械故障诊断领域的研究十分活跃，德国、瑞典、日本和美国等国家的技术相对比较先进。

这些国家的通用机械故障诊断技术比较发达，如信号处理技术、测振仪器仪表等。

日本吸取别人的新技术，总结经验，迅速消化吸收，发展自己的诊断仪，开发了一些使用简单方便的简易测定诊断仪表。

如世界著名的工程机械综合厂小松制作所生产的CDK799一200发动机检测仪。

美国GE公司在他们制造的机车柴油机上安装了在线监测系统用不同类型的传感器来测量柴油机的曲轴箱压力、转速、水温、油温及油压等参数，从而实现对柴油机工作状态的监测。

国内在柴油机故障诊断方面也做了大量的工作，经过十几年的努力，虽然应用范围还比较小，但已逐渐进人实用研究阶段。

如北京铁路局把油液分析技术应用于柴油机车对柴油机的状态监测，通过对198台运行中的柴油机的监测，预报故障在70%以上，取得了可观的经济效益。

石家庄铁道学院应用油液分析技术对施工机械进行监测，也取得了成效。

尽管柴油机故障诊断己经取得了长足的发展，但它是一门正在发展的新兴学科，还远没有达到完善的水平呀。

基于振动信号分析的旋转机械故障诊断技术已较成熟，在大电机、汽轮发电机组等

的故障诊断方面发挥了重要作用，取得了重大的经济效益和社会效益。

但是，柴油机是一种复杂的往复式动力机械，由于结构复杂，运动部件多等因素，柴油机的故障诊断十分困难，对柴油机故障诊断技术的研究一直是人们潜心研究的一个难题。

柴油机故障诊断技术是利用柴油机的状态信息和历史状况，通过分析和处理来定量识别并预测异常故障未来状态的一门建立在多学科基础上的综合技术。

柴油机状态监测与维修己从最开始的事后维修发展到定时检测，再到基于现代故障诊断技术的视情维修，国内许多高校和研究所也正对柴油机故障诊断技术进行研究。

机械故障诊断学是上世纪60年代开始形成并在近年来取得迅速发展的一门学科，它的研究内容是机器或机组运行状态的变化在诊断信息中的反映，是机械运行状态的科学。

由于不断吸收近代科学技术发展的最新成就，诊断和应用技术都有了长足的进步，目前已发展为一门集数学、物理、力学、化学、计算机与微电子技术、信息处理技术、人工智能等多种专业学科于一体的新兴交叉学科。

诊断技术的发展体现在设备诊断的整个过程中，包括故障的研究、状态信息的采集、信号处理、故障特征提取、设备状态的分析以及信息的贮存与管理等内容。

1.2柴油机故障诊断目前存在的问题分析

近年来，柴油机故障诊断技术有了较快的发展，各种方法也在推陈出新。

但是，这些方法多局限在实验室内的模拟阶段，离实际应用还有距离。

其困难表现在:

（l）柴油机是典型的多系统、多层次的复杂系统。

其结构异常复杂，输入与输出的关系很不明显，很难用合适的模型来表达其结构、功能或状态。

（2）故障与征兆之间关系的不确定性。

一种故障可能引起多个征兆，而一个征兆可能有多个故障引起，而且经常可能是多个故障同时发生。

（3）柴油机的工作环境大都比较恶劣，是在强振、强噪声、高温等的因素下工作的，许多有用的信号往往被噪声淹没。

（4）柴油机内部高度相互影响的部件很接近，使得来自这些部件的特征信号发生重叠和混响，难以解调分离。

对于小型紧凑的柴油机尤其如此。

（5）柴油机结构、运动状态复杂，型号多样，难以归纳出共性。

适用于某型号的柴油机的分析方法，对另一型号的柴油机未必可行;对同一机型取不同的测点进行测量，即使故障类型相同，所测量的结果都有可能是矛盾的。

（6）发展不平衡。

旋转机械的故障诊断理论和实践都取得了较成熟的效果，而往复式机械（柴油机）的诊断理论和实践都有待于提高。

（7）测量分析仪器和诊断仪器相脱离。

便携式的测量分析仪器一般为传感器、放大仪、数据采集系统加频谱仪，无具体设备的特征数据并缺乏诊断型系统。

而较好的诊断仪器多为专用的、固定式的，一般固定在工厂里或设备上，并专为该设备服务。

（8）柴油机的诊断专用系统还比较落后。

现有的诊断手段主要有测功台、简易柴油机诊断仪表、精密信号分析仪等几种。

这几种诊断方式都满足不了对柴油机进行综合故障诊断的实际需要。

上述问题大大增加了柴油机故障诊断的难处。

事实证明，对于柴油机这样的复杂机械系统，使用有限的诊断参数或有限的知识是不能有效地进行故障诊断的。

必须有目的地拓宽监测范围，并将各个诊断参数综合使用，在大量地积累诊断知识的基础上，通过计算机的系统分析，才能得到有效的结果。

这就必然使柴油机的故障诊断技术走上智能化的道路。

1.3柴油机故障诊断技术的发展趋势

柴油机故障诊断技术的发展趋势是实时在线诊断、多源信息融合和网络化。

在实时在线诊断方面，应重点研制适合柴油机故障诊断的专用新型集成化传感器，特别是长寿命的可预埋于柴油机内的传感器。

在分析柴油机运动状态及振动机理的基础上，寻找各缸振动信号之间相互交叉影响最小的最佳测点。

利用现代时频分析、模糊逻辑、小波分析和粗糙集理论等信号处理方法提取柴油机状态信息的故障特征，利用神经网络、专家系统等实现故障的自动诊断。

充分利用神经网络等的自学习能力并对历史数据进行数据挖掘，最终实现在线故障诊断。

在柴油机故障诊断过程中，可以利用的状态信息很多，诸如机器振动、机器声响、机器运行过程中的如油温、水温、排气温度、油压、输出功率、转速、扭矩等过程量和过程参数以及油样、烟色等机器残留物及排放物信息等等。

如何对大量信息进行多源信息融合和综合利用，是今后柴油机故障诊断技术需要重点研究的课题之一。

网络化也是柴油机故障诊断技术的发展方向，利用网络将多个故障诊断系统联系起来，实现资源共享，可以提高诊断的质量和精度。

将故障诊断系统与数据采集系统结合起来组成网络，有利于机组的管理，减少设备投资，提高设备利用率，必要时可与企业的MIS系统相联结，促进企业管理的现代化。

2柴油机检测诊断的方法

由于柴油机的复杂性和其故障与征兆之间关系的复杂性，形成了它检测诊断是一种探索性的过程特点。

就柴油机故障诊断技术这一学科来说，重点不仅在于研究故障本身，而是在于研究检测诊断的方法。

对柴油机检测诊断过程由于其复杂性，不可能只采用单一的方法，而要采用多种方法，下面介绍几种对柴油机检测诊断时常用的方法：

2.1仪器法检测诊断法和传统经验检查

仪器检测诊断法：

是综合利用机械、电子、流体和振动、声学、光学等技术，在不解体的情况下，通过参数、曲线、波形的变化，测试汽车性能和故障。

还可以应用微机自动分析、判断、打印检测结果。

其优点是准确性高，能定量分析，容易掌握。

人工经验检查法：

是通过设备运行工作情况的观察，凭借检验人员丰富的实践经验，借助感官，眼看、耳听、手摸、鼻子闻，对设备运行状况进行定性分析或对故障部位和原因进行判断的一类检查方法。

目前，这类方法仍被广泛使用着，如车辆的外观检查。

随着汽车行驶里程增加，零件产生磨损、腐蚀、疲劳、变形、老化，或意外事故损坏，均会表现出种种外部症状。

如车体不周正，车身和驾驶室钣金件开裂、变形，油漆脱落、锈蚀，甚至一些能引起重大事故的部位有问题，如转向横、直拉杆球头松旷，传动轴螺栓松动，都可以通过人工检查来发现。

2.2振动噪声检测

振动分析法是测试柴油机在工作时产生的振动信号，然后进行数据分析和处理，诊断内部零件的状态。

分析柴油机表面振动信号的方法主要有时域分析和频域分析两方面。

时域分析主要研究柴油机部件的传递函数特性，对采集到的柴油机表面振动信号使用倒谱分析分离重叠信号，解调混响，再利用倒滤波技术消除由于结构谐振和吸收造成的信号失真，恢复机体内部的源信号。

频域分析是频谱分析或功率谱分析，再加以适当的滤波技术。

该方法将振动信号分解成它的频率分量或谐波，这些谐波又分为不同的振动阶次，每个阶次都有其独特的含义，把故障状态下振动信号的特征与正常状态下振动信号的特征进行对比，得出故障模式。

2.3油样分析

在机械故障诊断中，检测润滑油中铁的含量可以间接判定金属部件的磨损。

在柴油机状态监测中，润滑油的铁谱及光谱分析是可行而有效的方法。

铁谱和光谱在其监测功能上有各自的优势和不足，光谱可以准确地测定润滑油中磨损元素的含量，但不能了解其存在的形状，而且其监测灵敏度又受到磨粒本身粒度的影响，因此无法判断磨损的类型。

铁谱可以直观地了解磨粒的形状、大小和成份等重要的磨损信息，但对有色金属就不具有与铁系磨粒相同的灵敏度，而且分辨能力不如光谱分析仪。

所以联合采用铁谱及光谱技术，获得了取长补短的效果。

2.4基于神经网络的诊断法

神经网络的诊断方法是通过选择关键参数作为网络的输入层，故障类型在输出层给出。

BP神经网络由于具有较强的非线性映射能力而被广泛应用于故障诊断领域。

它通过对故障实例的训练和学习，用分布在神经网络中的连接权值来表达所学习的故障诊断知识，具有对故障的联想记忆、模式匹配和相似归纳的能力，可以实现故障和征兆间的复杂的非线性映射关系。

但是，基本BP算法存在着局部极值和收敛速度慢等缺点。

在神经网络中引入模拟退火法和遗传算法，可以有效地解决局部极值，提高算法的收敛速度。

2.5灰色系统法

灰色诊断法是灰色系统理论在故障诊断中的应用。

灰色系统理论是我国学者邓聚龙教授于1982年提出的，目前已在科技及社会经济各领域内获得了成功的应用，具有一定的世界影响。

任何动态过程都可以称之为系统。

当系统的参数及其内部的结构和与外部联系的关系（即传递函数的特性）已知时，其输入输出关系便确定了。

这种系统可称之为“白色”系统。

当系统的参数和内部结构及特征无法获知时，这种系统便称为“黑色”系统或黑箱。

而对系统的参数，结构和特征部分已知，部分未知时，这种系统则称之为“灰色”系统。

或者更概括地说，部分信息已知，部分信息未知的这类系统便可称之为“灰色”系统。

灰色系统理论是用一种新颖思路和独特方法研究利用已知信息来确定系统之未知信息而使系统由“灰”变“白”的过程，又称为系统的“白化过程”。

一台运行中的设备就是一个复杂的灰色系统。

它主要表现在其故障（输入）和征兆（输出）之间关系的随机性和模糊性。

灰色系统理论则把这种关系统称为“灰色”关系，进行统一处理。

而整个故障诊断的过程就是灰色系统理论处理问题过程的具体体现。

因此自80年代末期以来，灰色诊断法在崭露头脚的短短的几年中便受到普遍的关注和青睐，具有很大的发展前途。

2.6无损探伤技术

无损探伤技术是一种从材料和产品的无损检验技术中发展起来的方法，它是在不破坏材料表面及内部结构的情况下检验机械零部件缺陷的方法。

它使用的手段包括超声、红外、X射线、Y射线、声发射、渗透染色等。

这一套方法目前已发展成一个独立的分支，在检验由裂纹、砂眼、缩孔等缺陷造成的设备故障时比较有效。

其局限性主要是其某些方法如超声、射线检测等有时不便于在动态下进行。

以上这些方法是我在这段时间在通过图书管、上网以及老师所提供的资料总结出来的，对柴油机检测诊断的方法还有很多，我就不做介绍了，在以后的章节中我将重点介绍仪器检测诊断法、振动噪声检测和油样分析法在柴油机检测诊断中的应运。

3传统柴油发动机燃油供给系统的检测与故障诊断

3.1柴油机的供油压力及波形分析

柴油机燃料供给系工作性能的好坏，在很大程度上取决于喷油泵及喷油器的工作质量。

喷油泵和喷油器的工作质量，可通过高压油管中的压力变化情况及针阀升程情况反映出来。

因此，用示波器观测高压油管中的压力波形与喷油泵凸轮轴转角的对应关系，观测喷油器针阀升程与凸轮轴转角及高压油管中压力的对应关系，就可以判断柴油机供给系的工作是否良好。

图1是在柴油机有负荷情况下实测的某缸高压油管内压力p和针阀升程S随凸轮轴转角θ的变化曲线，图中可以看出针阀升程S与压力p的对应关系。

其中：

pr为残余压力，po为针阀开启压力，pb为针阀关闭压力，pmax为最大压力。

在横坐标方向上，整个曲线可划分为三个阶段，其中：

I为喷油延迟阶段，若调高针阀开启压力po，高压油管渗漏，出油阀偶件或喷油器针阀偶件不密封，随意增加高压油管的长度或增加高压油系统的总容积（如漏装减容体）等，都会使这个阶段延长。

Ⅱ为主喷油阶段，该阶段的长短主要与柴油机负荷有关，对于柱塞式喷油泵来说，即与柱塞的供油有效行程长短有关，供油有效行程越长，该阶段越长。

III为自由膨胀阶段，若高压油管内最大压力pmax不足，可使该阶段缩短，反之使该阶段延长。

图1高压油管内压力曲线和喷油器针阀升程曲线

a）喷油泵端压力曲线；b）喷油器端压力曲线；c）针阀升程曲线

从图中可以看出，第I、Ⅱ阶段为喷油泵的实际供油阶段，第Ⅱ、III阶段为喷油器的实际喷油阶段。

在循环供油量一定的情况下，若I阶段延长和Ⅲ阶段缩短，则喷油器针阀升程所占凸轮轴转角减小，使喷油量减少。

反之，若I阶段缩短和III阶段延长，则使喷油量增大。

因此，曲线上三个阶段的长短，对该缸工作的好坏是有影响的。

多缸发动机各缸对应的I、Ⅱ、III阶段如果不一致，则对发动机工作性能的影响更大。

所以，必须将各缸的压力波同时取出，以多种形式进行对比观测。

3.2主要检测项目及波形介绍

利用示波器可观测柴油机燃料系的以下主要项目。

3.2.1观测压力波形

可观测到各缸高压油管中压力变化的波形。

这些波形能以多缸平列波、多缸并列波、多缸重叠波、单缸选缸波和全周期单缸波的形式出现。

⑴全周期单缸波：

即单独将某一缸高压油管中的压力随喷油泵凸轮轴转过360度时的变化情况显示出来的波形，如图2所示。

波形上有一个人工移动的亮点，指针式表头可以指示出亮点所在位置的瞬态压力。

因此移动亮点可准确测出某缸高压油管中的参与压力（Pr）针阀开启压力（Po）、针阀关闭压力（Pb）和最大压力（Pmax）

图2全周期单缸波

⑵多缸平列波：

即以各缸高压油管内的残余压力（Pr）为基线，将各缸波形按着火次序从左向右首尾项链的一种排列形式，如图3所示。

利用该波形可以观测到各缸点在高度上是否一致，因而可用于比较各缸上述压力值的一致性。

图3多缸平列波

⑶多缸并列波：

即将各单缸波形按着火次序自上而下单独放置并将其首部对齐的一种排列形式，如图4所示。

通过观察各缸波形三阶段面积大小，可用于比较各缸供油量、喷油量的一致性

图4多缸并列波

⑷多缸重叠波：

即将各单杠波形之首对齐并重叠在一起的一种排列形式，如图5所示。

利用该波形可观测到各缸波形在高度、长度和面积的一致程度，可用于比较P0、Pb、Pmax、Pr、供油量和喷油量的一致性

图3-5多缸重叠波

3.2.2观测针阀升程波形

可观测到喷油器针阀升程与喷油泵