基于声发射技术的内燃机摩擦润滑状态识别和故障监测

摘要

柴油机是一种最常用的动力机械，被广泛应用于汽车、轮船、农业机械等领域中，缸套-活塞环作为柴油机内部最主要的摩擦副之一，它的摩擦润滑状态直接影响着发动机的效率、寿命，良好的润滑可以减小缸套-活塞环之间的摩擦，降低功率损耗，有效的避免设备故障的发生。但是由于缸套-活塞环工作环境的复杂性，往往难以实现在线检测，为了提高发动机的运行性能和可靠性，本文基于声发射(Acoustic emission，AE)检测技术对活塞环与缸套单位工作循环内的摩擦学行为展开研究，该方法对测试环境的要求不高，具有灵敏度高、诊断速度快等特点，可以实现润滑状态的无损在线非介入式检测。 为了更好地将声发射信号与润滑状态相互联系起来，建立了微凸体-微凸体碰撞模型和微凸体-流体相互作用模型，其中微凸体-微凸体碰撞效应较多集中于上下止点附近，而微凸体-流体相互作用效应更多集中于冲程的中部，通过机理模型的建立为声发射信号的分析提供了坚实的理论基础，同时也为润滑状态的在线监测提供了可能。 本文在某公司QCH1125型单缸柴油机上进行工况试验，获得不同转速、负载、粘度下缸体表面的声发射信号，利用小波降噪方法对固定角度的噪声信号进行剔除，进行小波分解，确定了最佳小波分解层数，并根据速度与声发射信号的相关性提出自适应阈值降噪法，实现了冲程中部声发射信号的重构，并对重构后的信号进行包络处理，求取均方根值来作为表征润滑状态的参数。 试验结果表明：由于流体-微凸体相互作用效应所产生的AE信号主要集中体现在活塞冲程中部，因为在冲程中部油膜厚度和活塞速度均为最大，所以流体-微凸体相互作用效应要更加明显，AE信号幅值的有效值与转速、润滑油粘度成正相关关系，而负载对流体-微凸体相互作用效果并不明显，这与建模预测趋势是相符合的，同时也证明了基于活塞速度曲线的自适应阈值降噪法的正确性。为了验证所提出监测方法的有效性，基于内燃机台架开展了两种典型润滑故障的试验检测分析:润滑不良状态下，油量的减小使得行程中部动压润滑效果减弱，形成的油膜厚度减小，导致流体-微凸体相互作用的效果减弱，但是行程中微凸体-微凸体碰撞所产生的AE信号幅值明显增加，油液中颗粒物与微凸体摩擦增强，证明了润滑开始出现异常。润滑油含水时由于润滑油粘度的变化，导致流体-微凸体相互作用效果减弱,而微凸体-微凸体碰撞效应变化不大，因为粘度对微凸体-微凸体碰撞效应影响不大。本文提出的基于声发射信号分析的内燃机摩擦润滑状态识别方法可以有效识别复杂润滑故障,为缸套-活塞环的摩擦润滑状态监测提供了一种新的无损在线检测手段。

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摘 要

第一章 绪论

1.1课题的背景和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1柴油机摩擦润滑的研究

1.2.2声发射检测技术的研究

1.3课题的提出及来源

1.4本文主要研究内容

第二章 缸套-活塞环摩擦润滑分析

2.1活塞动力学分析

2.2缸套-活塞环摩擦润滑模型

2.2.1平均雷诺方程

2.2.2油膜厚度方程

2.2.3混合润滑模型

2.2.4润滑油粘度特性

2.3本章小结

第三章 声发射检测技术原理及产生机理建模

3.1声发射检测技术概述

3.1.1声发射检测技术原理

3.1.2声发射源

3.1.3声发射检测技术特点

3.2发动机系统中的声发射源

3.2.1摩擦与磨损

3.2.2燃烧振荡

3.2.3机械事件

3.2.4气体和流体的流动

3.3缸套-活塞环摩擦润滑声发射模型的建立

3.3.1缸套-活塞环微凸体-微凸体碰撞模型

3.3.2缸套-活塞环流体-微凸体相互作用模型

3.4本章小结

声发射的小波分析及摩擦特征提取

4.1参数分析法

4.2波形分析法

4.2.1时域分析

4.2.2频域分析

4.2.3角度域分析

4.2.4时频域联合分析法

4.3基于小波变换的摩擦润滑声发射信号提取

4.3.1小波降噪

4.3.2多分辨率分析

4.3.3阈值降噪

4.4本章小结

第五章 缸套-活塞环摩擦台架试验及模型验证

5.1试验目的

5.2试验设备

5.2.1发动机试验台架

5.2.2声发射检测系统

5.2.3传感器布置

5.2.4 其他设备

5.3试验方案

5.3.1发动机运行工况试验

5.3.2 润滑油升温试验

5.4试验结果与分析

5.4.1转速对声发射信号的影响

5.4.2润滑油粘度对声发射信号的影响

5.5本章小结

第六章 基于声发射技术的内燃机典型故障监测

6.1基于声发射信号分析的贫油润滑状态监测

6.1.1试验方案

6.1.2试验结果与分析

6.2 基于声发射信号分析的润滑油水污染状态监测

6.2.1试验方案

6.2.2试验结果与分析

6.3本章小结

第七章 总结与展望

7.1全文总结

7.2工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文