基于小波包变换的内燃机气阀漏气诊断方法

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1、第1#卷第!期振动工程学报8+6)1#=+)!!"""年%月3+,-456+78.9-5:.+4;4<.4//-.4<3,4)!"""基于小波包变换的内燃机气阀漏气诊断方法!伍学奎陈进（上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室上海，!"""#"）周轶尘（武汉交通科技大学轮机工程学院武汉，$#""%#）摘要探讨了利用缸盖振动信号诊断内燃机气阀漏气的一种新方法———小波包方法。诊断机理分析和实验研究表明，缸盖振动信号中关于气阀漏气的特征信息集中在高频段，故选用了小波包变换作为信号处理的基本方法，因为小波包变换较之小波变换在中高频段具有更高更均匀的频率分辨

2、率；对实测信号的分析和处理结果表明了小波包在该领域的适用性；建立了基于马氏距离法的气阀漏气多指标诊断模型；进行了实机诊断，取得了预期的效果。关键词：故障诊断；内燃机；气阀漏气；小波包；多指标中图分类号：&’!"%()#引言气阀漏气是内燃机最常见的故障之一。然而，当发动机正常运行时，即使很有经验的操作人员也难以发现气阀的早期漏气，这使得对气阀进行状态监测和故障诊断具有特别的意义。由于气阀与阀座间无油液润滑，基于润滑油成份分析的铁谱或光谱诊断技术完全失效，而振动诊断技术由于不受无油液润滑的限制，因而在气阀漏气故障诊断中具有特殊的地位和重要的研究价值。由于工

3、作过程的正时性，内燃机表面振动信号呈典型的非平稳随机特征。传统的基于*+,-./-变换的频谱分析，其前提条件已默认了信号是平稳的正态随机过程，这就决定了基于*+,-./-变换的信号分析方法在处理内燃机振动信号时，在有效性和可靠性方面存在着潜在的缺陷。小波分析具有“变焦距”的性质，即从不同的尺度获得信号的宏观和微观特征，这一性质决定了它在突变信号的检测和处理中的特殊地位及功能。小波包技术在小波变换的基础上，将小波变换中停止分解的中高频段的小波级数进一步分解变细，使分解序列在全频域内具有同样高的频率分辨率。这使得小波包变换具有小波变换和窗口*+,-./-变

4、换（0*&）的双重特点，尤其适用于对渐变性与突变性共存的信号处理［12!］。本文分析了利用内燃机缸盖振动信号诊断气阀漏气的诊断机理，探讨了基于小波包变换的缸盖振动信号处理及特征提取方法，建立了气阀漏气的多指标诊断模型，最后进行了实机诊断，取得了预期的效果。为该项技术的实用化铺垫了道路。!交通部通达科研项目资助（编号：>?""@A"1A!!）万方数据收稿日期：1>>BA"BA#1；修改稿收到日期：1>>>A">A1$第"期伍学奎等：基于小波包变换的内燃机气阀漏气诊断方法"!!!诊断机理缸盖的振动信号是对多个激励源响应的综合反映，各种激励力的特征、作用位置

5、和传递路径不相同，对气缸盖振动的贡献也不相同。要想从缸盖表面振动信号中获取有关气阀是否漏气的信息，必须了解振动激励源的基本特征。缸盖振动信号的主要激励源有：（!）气体爆压冲击；（"）排气阀落座冲击；（#）进气阀落座冲击；（$）排气阀开启时气体节流产生的冲击等。气阀漏气时，在缸内燃烧阶段的高压、高速气流流过漏气狭缝而产生对缸盖的脉冲激励力，这一脉冲激励力的大小与缸内压力和漏气程度有关。对不同的漏气程度，激励力的变化引起缸盖振动特性的变化，从而使得通过对缸盖振动信号的分析和处理，来获取有关气阀漏气状态的信息成为可能。狭缝喷流的声学特性研究表明［#］：漏气的

6、声学信号相当于一个准“白噪声”信号，也就是说“漏气作用力”的频率范围很宽。从缸盖系统的响应分析可知［#］，气体爆压作用是一个低频（%&’’()）激励力。这两种作用力叠加到一起，“漏气作用力”的低频部分将被气体爆压激励力掩盖甚至淹没，而高频部分则比较明显；另外，气阀漏气使气缸内压力降低，气体爆压冲击减小，缸盖对爆压激励力的响应（低频部分）也会相应减小。因此，可以初步判断，气阀漏气使缸盖振动信号的高频部分能量增大而低频部分能量减小。应该强调的是，由于缸盖系统的结构复杂性和边界条件的不确定性，这种故障机理分析以及建立在此基础上的数值计算只能帮助人们理解现象和

7、解释数据，不能作为实质性的定量诊断依据，可靠的定量诊断离不开对同类型正常和故障机器进行大量的分析、观察、统计和归纳。"基于小波包变换的缸盖振动信号处理在小波分析中，尺度函数的选择非常重要，由尺度函数可派生出相应的小波函数和小波包函数。本文选择的尺度函数是三次*样条，并由此派生出三次*小波和*小波包。*小波包具有广义线性相位，因而可以不失真地重构原始信号［!］。由于受进气流的冷却作用，进气阀的热负荷相对较轻，发生故障的可能性较小，而排气阀的热负荷重，发生故障的可能性大，且检测更加困难。为了对比分析排气阀漏气对缸盖振动信号的影响，实验中在$!#&型柴油机上

8、模拟排气阀漏气：将排气阀座密封面锉一截面积为!++,"++的缺口，测取缸盖振动信号，并与正常情