基于MATLAB的发动机敲缸故障诊断.docx

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基于MATLAB的发动机敲缸故障诊断

昆明理工大学

报告论文

研究题目基于MATLAB的发动机敲缸故障诊断

学生姓名申龙章

所在学院机电工程

专业班级机械电子工程

指导教师郭瑜（教授）

完成日期2011年5月30日

基于MATLAB的发动机敲缸故障诊断

2010机电申龙章指导教师郭瑜

摘要：

本文主要是针对一组来源于某个发生故障的发动机实际测量数据，利用MATLAB软件的小波分析函数进行故障冲击信号的提取，并进行功率谱分析和短时傅里叶变换，最后得出敲缸故障成分为活塞敲缸造成，且频率为90-95hz之间。

关键词：

工程信号；小波分析；MATLAB；故障诊断

Abstract:

Thisarticleisforafailureoftheenginefromanactualmeasurementdata,usingMATLABsoftware,theimpactofwaveletanalysisforfaultfunctionsignalextractionandpowerspectrumanalysisandshorttimeFouriertransform,knockcametotheconclusionComponentfailurecausedbythepistonknock,andthefrequencyisbetween90-95hz.

Keywords:

EngineeringSignal；Waveletanalysis；MATLAB；Diagnosis

1、前言

工程信号这门课我们已经学了一个多月了，对信号处理有了初步的理解，也学会了MATLAB软件的使用和编程，作为研究生，我们要深入研究理论知识，而作为二十一世纪的大学生，我们要时刻注意理论联系实际。

对于本次项目研究，对象为一组来源于实际测量的数据，虽然没法实地测量和亲身感受，但通过使用软件进行分析能够将当时运行的情节还原，将会是一次更好的锻炼。

2、小波分析原理

虽然刚刚学完小波分析，但对于这么一门目前比较前沿的学科来说，作为一个初学者应该是没有多少发言权的，只能是得出一些心得吧。

总的说来，小波分析作为一种有用的分析工具，在很多领域都获得了很好的应用。

小波分析之所以在这十几年的发展中越来越受到重视，这与它在进行数据分析时众多的优点是分不开的。

它和传统的傅里叶分析相比，主要优点在于它在时域和频域同时具有良好的局部化性质，突破了傅里叶分析在时域没有任何分辨率的缺陷，能对指定频带和时段内的信号成分进行任意尺度的分析，使高频有较好的时间分辨率，同时能在很好的频率分辨率下对信号进行低频分析[1-8]。

本次项目研究的对象是混有噪声等随机信号的敲缸故障信号，信号内容复杂，频率不确定，是非平稳信号。

采用小波分析首先进行阈值去噪，然后进行多级分解，将原始信号和多级细节信号进行功率谱对比分析，最后完成短时傅里叶变换的图形显示。

3、软件设计流程和小波选取

3.1软件设计流程

根据小波分析原理和项目研究的要求与自上而下程序设计的原理，首先设计的MATLAB程序总体流程框图如下：

图1MATLAB程序设计流程框图

3.2小波选取

随着小波理论的日益成熟，小波分析的应用范围日益广泛，小波也出现了多种类型以满足不同应用领域的不同信号分析的需要。

因此，在进行小波变换进行分析时，选择合适的小波类型尤为重要。

实际选取小波的原则主要有以下三种[9]：

（1）自相似性原则。

对二进小波变换，如果选择的小波对信号有一定相似性，则变换后的能量比较集中，可以有效减少计算量。

（2）判别函数。

针对某类问题找出一些关键性的技术指标，得到一个判别函数，将各种小波函数代入其中，得到一个最优函数。

（3）支集长度。

大部分应用选择支集长度为5—9的小波，因为支集太长会产生边界问题，支集太短不利于信号能量的集中。

实际应用中信号的信息量太大，很难找到相应的模式，因此需要通过典型的小波分析结果与实际认识的反复对比来选取。

通过对小波形态与原始信号时域图形态的对比及对不同小波进行变换的结果分析，认为Daubechies小波在划分沉积旋回时具有较好的适用性。

从形态上看，该小波相对其他几种类型对称性比较差，变化特征明显，与原始信号曲线具有较好的相似性，符合小波函数选取的原则。

通过采用不同阶数的Daubechies小波分别对原始信号进行变换后发现，db1小波的能量集中较好，边界问题也不明显，划分的结果较为理想。

3.3db小波简介

Daubechies函数是由世界著名的小波分析学者IngridDaubechies构造的小波函数，她发明的紧支集正交小波是小波领域的里程碑，使得小波的研究由理论转到可行，这一系列的小波简写成dbN，其中N表示消失矩阶数。

除了dbl（即haar小波）外，其他小波没有明确的表达式。

db小波具有以下特点[10]：

（1）小波函数和尺度函数的有效支撑长度为2N-1。

（2）db小波大多数不具有对称性。

（3）正则性随着阶数的增加而增加。

（4）函数具有正交性。

4、软件分析结果

在Matlab环境下，通过运行所编制的程序，得到以下结果：

图2原始信号时域图

通过图二将原始数据的还原显示可以得出以下几点信息：

（1）原始数据由15000个采样点组成，且幅值变化为-4*104至3*104。

（2）信号为非平稳随机信号。

图3冲击信号时域图

图4各级逼近信号和细节信号

图5原始信号和各级细节信号的功率谱图

由图5可以很明显的发现，故障成分在第五级的分解时被提取出来，根据信号的幅值和频率成分可以得出。

由于发动机的敲缸冲击信号相比其他振动更明显，因而它表现的频率段的功率将会异常高，通过对比可以发现，第五级细节信号的成分不仅从强度还是频率都与原始信号吻合，故可以确定故障频率在90-95hz之间。

图6原始信号和各级细节信号的短时傅里叶变换图

5、结论

5.1分析结果

通过以上分析结果可以得出敲缸故障的频率在90-95hz之间，而根据分析结果可以知道此发动机的敲缸故障应为为活塞敲缸造成。

而所谓的活塞敲缸，是指活塞侧面拍打气缸壁产生的振动。

一般来讲，当活塞顶部产生轴向力的方向随着活塞从压缩冲程变为作功冲程时，就会产生活塞敲缸振动。

换句话说就是每次当活塞经过上止点向下运动时，活塞都将被迫撞击缸壁，导致活塞敲缸故障发生。

而活塞敲缸与否的决定因素在于活塞与缸壁之间的间隙，也就是我们通常所说的活塞间隙。

至于活塞间隙对敲缸的具体影响，主要表现出以下特点：

当活塞间隙过大时容易发生敲缸，之所以会出现这种现象，是由活塞的材质及其工作特性所决定的。

它给人的直观表现是发动机冷态时，活塞间隙大敲击声较大，但随着发动机温度的升高，活塞间隙相应会变小，敲缸振动也会随之减轻。

建议解决方案：

检查活塞安装是否正确，活塞与缸体配合有无问题，活塞是否磨损严重。

5.2总结

本次设计由于时间仓促，再加上对工程信号这门课程还有对matlab的应用比较陌生，所以现在不敢总结自己的优点，目前存在的主要问题还有以下几点：

（1）在进行小波分析时由于理论不是很过硬，目的不是很明确，以至于到最后的分析结果不尽人意。

（2）由于时间关系，好多预先设想的功能都没实现，诸如将冲击信号还原，以此分析冲击信号的来源，以及短时傅里叶变换后的三维显示等等。

6、体会

“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”，不能被一次小小的困难所击倒，要敢于面对现实中种种问题，只有抱有这种思想和精神，哪怕前面有多少艰难险阻，都要奋不顾身的勇往直前，我们的科学才能飞速发展，我们的技术才能不断进步。

在本次研究项目中，正是怀着这种思想，虽然所学的知识和研究的内容对于我来说都是一次陌生的挑战，但我却没有没困难所吓倒，终于完成本次作业。

首先要感谢郭瑜老师孜孜不倦的教导，郭老师严谨的治学态度和活跃的学术思维深深地影响了我。

还有郭老师那宽广的胸怀，他不惜将自己宝贵的经验展示出来与大家分享，这是最难能可贵的。

其次要感谢伍星老师和柳小勤老师的辛勤指导，最后还要感谢同班同学们的无私奉献和帮助，没有他们，就没有我今天的成绩。

参考文献

[1]熊诗波，黄长艺．机械工程测试技术基础[M]．机械工业出版社，2006．

[2]侯遵泽．小波分析及其在勘查地球物理中的应用[J]．物探与化探，1998，22

（1）：

71-75．

[3]史清江，王延江，孙正义，等．小波变换和沃尔什变换在测并曲线分层中的联合应用[J]．中国石油大学学报：

自然科学版，2006，30

（2）：

138—142．

[4]李春峰，CHRISTOPHERL．基于小波多尺度分析的奇性指数：

一种新地震属性[J]．地球物理学报，2005，48（4）：

882—888．

[5]焦翠华，李洪奇，李冰．小波分析技术在提高测井曲线纵向分辨率中的应用[J]．石油大学学报：

自然科学版，1999，23（6）：

20-23．

[6]王晓冬．数据结构与算法基础[M]．电子工业出版社，2000．

[7]杜功焕．声学基础[M]．南京大学出版社，2000．

[8]吴湘淇，肖熙，郝晓莉．信号、系统与信号处理的软硬件实现[M]．北京电子工业出版社，2002．

[9]长虹．Madab小波分析工具箱与应用[M]．北京：

国防工业出版社，2004：

20．

[10]胡昌华，张军波，夏军，等．基于MATLAB的系统分析与设计——小波分析[M]．西安：

西安电子科技大学出版社，1999：

6-7．

[11]王中鲜．MATLAB建模与仿真应用[M]．机械工业出版社，2010.10．

[12]刘保柱，苏彦华，张宏林．MATLAB7.0从入门到精通（修订版）[M]．人民邮电出版社，2010.5．

指导教师评阅意见

学生姓名

申龙章

专业班级

机械电子工程

论文题目

基于MATLAB的发动机敲缸故障诊断

指导教师

郭瑜（教授）

论

文

评

语

评定成绩：

指导教师签名：

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