基于振动信号的内燃机故障诊断与状态监测

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1、基于振动信号分形理论的发动机状态监测与故障分析摘要提出利用多重分形谱参数來表征发动机振动信号特征的新方法。运用多重分形理论对实测的发动机缸体振动信号进行分析，计算了振动信号的多重分形谱参数，并探讨多重分形谱参数与发动机运行状态Z间的内在联系。结果表明:多重分形谱参数能定量刻画振动信号的特征。随着发动机工作状态的不同，信号的多重分形谱参数也发生变化。发动机振动越剧烈，多重分形谱参数越大，其能够反映发动机的真实运行状态，可以作为发动机状态监测和故障诊断的特征参量。关键词：振动信号、状态监测、故障分析、分形理论、谱参数1

2、•简介设备故降诊断技术是一种了解和掌握设备在使用过程中的工作状态，确定其整体和局部是否正常，及吋发现故障及其产生的原因，并能够预报故障发展趋势的。廿前，它已成为一门独立的跨学科的综合信息处理技术。故障诊断学是以可靠性理论、信息论、控制论和系统论为理论基础，以现代测试仪器和计算机为技术手段，结合各种诊断对彖（系统、设备、机器、装置、工程结构、工艺过程等）的特殊规律而逐步形成的一门新兴学科。它大休上由三部分组成：第一部分为故障诊断物理、化学过程的研究，例如以电气、机械部分失效的腐蚀、蠕变、疲劳、氧化、断裂和磨损等理化原

3、因的研究；第二部分为故障诊断信息学的研究，它主要研究故障信号的采集、选择、处理与分析过程：如通过传感器采集设备运行中的信号（如振动、转速、压力等）再经过时频域上的分析处理来识别和评价设备所处的状态或故障；第三部分为诊断逻辑与数学原理方面的研究，主要是通过逻辑方法、模型方法、推论方法及人工智能方法，根据已观测的设备故障表征来确定下一步的检测部位，最终分析判断故障发生的部位和产生故障的原因。振动信号是设备状态信息的载体，它蕴含了丰富的设备异常或故障的信息，而振动特征是设备运行状态好坏的重耍标志。利用振动信号对设备进行论

4、断，是设备故障诊断中最有效、最常用的方法之一。机械设备和结构系统在运行过程中的振动及其特征信息是反映系统整体及其变化规律的主要信号。通过各种动态测试仪器拾取、记录和分析动态信号，是进行系统状态监测和故障诊断的主要途径。传统的基于快速傅立叶变换（FFT）的频谱分析方法是振动信号处理中最重要途径，尤英是近代各种谱分析软件和谱分析仪的推出，使频谱分析方法得到更为广泛的应用。但是，傅立叶分析方法存在严重的不足，它只适于分析平稳信号，而不适于分析非平稳信号，这一缺陷限制了它在设备故障诊断领域屮的应用。混沌理论研究自然界非线性

5、过程的内在随机性,而分形理论则揭示了非线性系统中有序与无序的统一，确定性与随机性得到统一。作为非线性科学重要组成部分的混沌理论与分形理论两者密切相关。混沌事件是在不同的时间标度下表现岀来的无规律自相似的变化模式，而分形是在空间标度下表现出来的口相似性。无论是混沌还是分形，从它们自相似的结构来看，都不是随机无序的，而在一定程度上有序的。设备故障诊断是通过测t反映设备运行状态的特征信号并提取其征兆信息來识别设备的运行状态，而实际测量获得的信号冇些是不规则的，这些特征信号在一定的尺度范围内都具有分形特征。因此，把分形儿何

6、引入机械设备的故障诊断领域，那些从不规则的信号屮求击它的分形维数，是一•种很有前途和有效的机械设备故障诊断方法。研究资料表明分形维数能够反映机械设备、机械零部件的运行状态以及信号的不规则性和不稳定性。借助于分形维数这一特征量，将有助于对机械设备在故障状态的特征信号进行分类和识别。分形维数在机械设备故障诊断领域的应用主要包括以下几个方面：1设备运行状态的异常判断。2设备故障的分类和诊断。3设备故障征兆的早期预报。4反映设备运行状态的特征参数的个数选取等等。廿前利用分形理论对机械设备的故障诊断主要是应用在轴承、减速箱等

7、旋转机械领域中，小波分析以其独特的特性受到了许多领域的广泛重视，将小波理论与分形理论的冇机结合是提高故障诊断的可靠性的重要方法［12］o发动机经过t时间工作后，各部件均会产生不同程度的磨损，导致做功能力下降，工作性能恶化。客观、准确地提取工作性能变化过程的特征，及吋掌握发动机的运行状态，对保障其安全可靠性具有重要意义。振动是发动机在运转过程中必然产生的现象，振动信号包含了丰富的发动机运行状态的信息，发动机工作性能的变化可以通过振动表现出来，而英釆集和分析不影响发动机的正常运转。因此，振动分析法成为对发动机进行结构、

8、故障分析和状态监测最为广泛、也是最行之有效的方法［1］。但振动信号具有高度的非线性和复杂性，如何准确提取其特征以对发动机的运行状态进行全面准确的评估一直是许多研究者长期探索的课题［2—3］oUMandelbrot提出分形几何基本理论以来，分形几何已被广泛用于自然科学、社会科学和工程技术等各学科和技术领域［4—5］。许多学者从定量的角度，应用分形参数提取振动信