基于角域同步平均的油氣井油比選線懸架故障檢測

基于角域同步平均的油氣井油比選線懸架故障檢測

蓋噪聲信息診斷低負(fù)荷故障燃料泄漏是指單或多缸火災(zāi)的故障，這是多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的常見故障。診斷發(fā)動(dòng)機(jī)失火故障的方法很多,可以利用轉(zhuǎn)速波動(dòng)信號(hào)診斷內(nèi)燃機(jī)失火故障,還可以利用缸蓋噪聲信息診斷柴油機(jī)失火故障。本文探討如何更有效地利用缸蓋振動(dòng)信號(hào)診斷發(fā)動(dòng)機(jī)失火故障。發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋振動(dòng)信號(hào)中包含著諸如配氣相位角、燃爆時(shí)間等很多有用信息,但是由于工作環(huán)境惡劣,這些信號(hào)中還包含著很多的噪聲干擾。在背景噪聲較強(qiáng)時(shí),不但信號(hào)的時(shí)間歷程顯示不出規(guī)律性,而且在頻譜圖上這些周期分量很可能被淹沒在噪聲背景中。筆者采用角域同步平均技術(shù)對缸蓋振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理,有效地削弱了隨機(jī)噪聲的干擾。1振動(dòng)信號(hào)的同步平均技術(shù)時(shí)域多段平均分析是從混有白噪聲干擾的振動(dòng)信號(hào)中提取周期信號(hào)的有效方法。對時(shí)域信號(hào),以一個(gè)周期為間隔截取信號(hào),然后將得到的每段信號(hào)疊加平均,這樣可以消除信號(hào)中的非周期分量和隨機(jī)干擾,保留穩(wěn)定的周期分量。當(dāng)設(shè)備在噪聲環(huán)境下工作時(shí),采用該方法能夠提高分析信噪比。此外,時(shí)域同步平均也可以作為一種重要的信號(hào)預(yù)處理手段,其平均結(jié)果可再進(jìn)行頻譜分析或作其他處理,如時(shí)序分析和小波分析等,均可得到比直接分析處理高的信噪比。設(shè)信號(hào)x(t)由周期信號(hào)f(t)和白噪聲n(t)組成x(t)=f(t)+n(t)(1)x(t)=f(t)+n(t)(1)以x(t)的周期M去截取信號(hào)x(t),共截得N段,然后將各段對應(yīng)點(diǎn)相加,由于白噪聲的不相關(guān)性,可以得到x(ti)=Nf(ti)+N??√n(t)(2)x(ti)=Νf(ti)+Νn(t)(2)對x(ti)求平均,得到輸出信號(hào)y(ti)y(ti)=x(ti)N=f(ti)+n(t)N√(3)y(ti)=x(ti)Ν=f(ti)+n(t)Ν(3)此時(shí),輸出的白噪聲是原來輸入信號(hào)x(t)中白噪聲的1/N??√1/Ν,因此,信噪比將提高N??√Ν倍。由發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理分析可知,缸蓋上的振動(dòng)信號(hào)是有規(guī)律的、周期性出現(xiàn)的。但是,由于發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí),其瞬時(shí)轉(zhuǎn)速是波動(dòng)的,因此,每個(gè)周期所經(jīng)歷的時(shí)間不完全相同。如果根據(jù)常用的時(shí)域多段平均的方法,以固定時(shí)間窗進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)截取做平均運(yùn)算,由于振動(dòng)信號(hào)的不同步往往導(dǎo)致處理結(jié)果不理想。針對發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋振動(dòng)信號(hào)時(shí)域平均方法遇到的上述困難,筆者探討用角域同步平均技術(shù)來解決這一問題。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理,氣體燃爆及氣門開啟關(guān)閉所引起的振動(dòng)信號(hào)總是出現(xiàn)在曲軸的同一轉(zhuǎn)角位置。也就是說,對于同一種工況,配氣相位角是固定的。無論轉(zhuǎn)速的高低,如果以角度來表示振動(dòng)發(fā)生的位置,就可以消除轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響,準(zhǔn)確地進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的同步平均。對于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來說,一個(gè)工作循環(huán)即一個(gè)周期是曲軸轉(zhuǎn)兩圈,即720degCA。選取曲軸轉(zhuǎn)角作為同步信號(hào)基準(zhǔn),即以飛輪每個(gè)輪齒轉(zhuǎn)過的角度作為同步觸發(fā)信號(hào),進(jìn)行角域平均。2振動(dòng)加速度傳感器試驗(yàn)在F3L912型三缸內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行,F3L912為三缸四沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī),發(fā)火順序?yàn)?-2-3,缸徑100mm,行程120mm,額定功率和額定轉(zhuǎn)速為30kW和3000r/min,飛輪齒數(shù)Z=129個(gè)。試驗(yàn)時(shí)為空載工況,將第3缸的高壓油管切斷以模擬失火故障。將丹麥B&K公司的振動(dòng)加速度傳感器裝在第1缸的缸蓋上,光電傳感器用來測取曲軸上止點(diǎn)的位置,磁電式轉(zhuǎn)速傳感器安裝在機(jī)殼上,用來測飛輪的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)測試框圖如圖1所示。以光電傳感器測取的第1缸壓縮上止點(diǎn)信號(hào)作為定位發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角的零位置及發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)工作循環(huán),利用轉(zhuǎn)速傳感器測取的發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪轉(zhuǎn)速信號(hào)獲得飛輪每個(gè)輪齒的轉(zhuǎn)角。一個(gè)完整工作循環(huán)的上止點(diǎn)、振動(dòng)及轉(zhuǎn)速信號(hào)如圖2所示。由磁電式轉(zhuǎn)速傳感器直接測得的轉(zhuǎn)速原始信號(hào)為近似正弦波信號(hào),每個(gè)正弦波對應(yīng)飛輪上的一個(gè)輪齒。因此,可以用正弦波過零點(diǎn)作為角域平均的同步信號(hào)進(jìn)行采樣。由于轉(zhuǎn)速的波動(dòng),導(dǎo)致每個(gè)齒內(nèi)采到的數(shù)據(jù)點(diǎn)不一樣多,所以,必須采用插值的方法對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理,使每個(gè)齒內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)相同,然后進(jìn)行角域平均。為了更好地反映振動(dòng)特性,可以濾去與振動(dòng)無關(guān)的低頻趨勢項(xiàng)。圖3為進(jìn)行了7次角域平均之后得到的振動(dòng)信號(hào)。從圖中可以發(fā)現(xiàn),對缸蓋振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行角域同步平均處理后,振動(dòng)信號(hào)中的各個(gè)瞬態(tài)沖擊響應(yīng)更加易于識(shí)別。3正常工況下的振動(dòng)信號(hào)氣缸蓋表面的振動(dòng)加速度信號(hào)由一系列瞬態(tài)沖擊響應(yīng)組成,如圖4所示。根據(jù)配氣機(jī)構(gòu)配氣定時(shí)規(guī)律,這些瞬態(tài)信號(hào)分別表示:A為1缸燃燒氣體壓力沖擊響應(yīng)和噴油器針閥落座沖擊響應(yīng);B為2缸燃燒氣體壓力沖擊響應(yīng);C為3缸燃燒氣體壓力沖擊響應(yīng);D為1缸排氣門開啟沖擊響應(yīng);E為1缸排氣門落座沖擊響應(yīng);F為1缸進(jìn)氣門落座沖擊響應(yīng)(由于進(jìn)氣門開啟時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)不大,所以在圖中不標(biāo)出此時(shí)刻)。對某一個(gè)缸來說,氣門沖擊響應(yīng)和燃燒壓力沖擊響應(yīng)在時(shí)域上相互獨(dú)立。因此,缸蓋的振動(dòng)響應(yīng)可近似為X(t)=∫t2t1t1t2fp(t)hp(t-τ)dτ+∫t6t5t5t6fe0(t)he0(t-τ)dτ+∫t8t7t7t8fgc(t)hgc(t-τ)dτ+∫t10t9t9t10fec(t)hec(t-τ)dτ+∫t12t11t11t12fz(t)hz(t-τ)dτ+∫T00Τn(t)hn(t-τ)dτ(4)其中:t1為燃燒氣體壓力沖擊響應(yīng)起始點(diǎn);t5為進(jìn)氣門關(guān)閉角的相應(yīng)時(shí)刻;t7為排氣門開啟角的相應(yīng)時(shí)刻;t9為排氣門關(guān)閉角的相應(yīng)時(shí)刻;t11為供油提前角的相應(yīng)時(shí)刻。對比正常工況和第3缸失火故障時(shí)的振動(dòng)信號(hào),如圖5所示,(a)為正常工況,(b)第3缸失火故障。當(dāng)正常工況時(shí),C位置為第3缸燃燒氣體壓力沖擊響應(yīng)。當(dāng)?shù)?缸失火時(shí),圖(b)中的C位置無振動(dòng)響應(yīng),由此可以診斷為發(fā)動(dòng)機(jī)第3缸失火故障。4旋轉(zhuǎn)角度作為同步觸發(fā)基準(zhǔn)(1)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)背景噪聲復(fù)雜,為了消除缸蓋振動(dòng)信號(hào)中的非周期分量和隨機(jī)干擾,保留與發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)有關(guān)的周期分量,提高分析信噪比,本文采用同步平均技術(shù)對缸蓋振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了處理。由于時(shí)域平均方法無