CN111076808B - 一种柴油机台架试验实时振动监测及预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柴油机台架试验实时振动监测及预警系统，包括：振动监测单元用于测量特定位置的振动加速度信号；状态监测单元用于监控发动机的运行状态；信号调理单元用于对采集的信号进行调整；采集通讯单元用于模块间的通讯；数据存储单元用于数据的存储；分析处理单元用于采集数据的分析、计算和处理，并换算成要求的物理量；报警判断单元用于按报警预判限值、预设值输出报警信息；动作执行单元用于对外发出报警以及自动终止试验。本发明系统稳定可靠，实时性与连续性较好，振动的监测与分析方法多样，报警预判与触发机制合理，预警报送与外推及时，能够以实时振动监测与预警方式协助相关人员完成柴油机早期故障及时有效的发现。

Description

一种柴油机台架试验实时振动监测及预警系统

技术领域

本发明涉及发动机测试技术领域，特别是涉及一种柴油机台架试验实时振动监测及预警系统。

背景技术

在目前被产业化应用的动力装置中，柴油机热效率高，能量利用率好，输出功率大，适应性好，在车用动力、工程机械等领域应用广泛。但柴油机运动部件较多，结构复杂，且工作环境较为多变恶劣，因此故障发生率较高。柴油机台架试验是其在出厂前的研究阶段中极为重要的一环，可对整机及相关零部件的性能、可靠性进行有效检验。在柴油机台架试验中，振动信号是故障征兆的信息载体,直接表征发动机的技术状况,因此对振动信号进行实时监测并针对异常状态给出有效预警,是及时判断柴油机故障的是一种有效方法，能够避免故障发展恶化造成安全事故和经济损失。

目前，针对上千小时长周期柴油机台架试验的振动监测技术手段尚不够完善，存在着系统复杂、实时性与连续性差、报警预判与触发不合理、报警外推不及时、缺乏连锁机制等问题，导致早期故障辨识率较低，隐患发现也不够及时。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种柴油机台架试验实时振动监测及预警系统。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种柴油机台架试验实时振动监测及预警系统，包括：

振动监测单元，包括若干振动传感器，通过安装在发动机的不同位置来测量柴油机特定位置的振动加速度信号；

状态监测单元，包括发动机转速传感器、发动机扭矩传感器、发动机温度传感器，用于监控发动机的运行状态；

信号调理单元，用于对状态监测单元采集的转速、扭矩、温度信号调整放大以及传输形式的转换；

采集通讯单元，用于采集振动监测单元和信号调理单元的数据，并实现与数据存储单元、报警判断单元和动作执行单元之间的通讯；

数据存储单元，用于存储采集通讯单元传输的采集数据和分析处理单元的处理数据；

分析处理单元，用于对采集数据的分析、计算和处理，并换算成要求的物理量；

报警判断单元，用于按照报警预判限值、报警预设值对分析处理单元输出的各种数据进行判别，触发并输出报警信息；

动作执行单元，包括连锁报警组件和连锁停车组件，用于根据报警判断单元的输出结果，以多模式对外连锁报警，以及在特定情况下自动连锁停车。

进一步的，所述振动监测单元由三个关键位置的振动传感器和其他位置的振动传感器组成，三个关键位置分别为气门室罩、传动箱、油底壳。

进一步的，所述报警判断单元的振动加速度的报警预判限值采取基于数据处理的自设定模式，数据处理方法是均值方差计算法。

进一步的，所述报警判断单元对于振动加速度的报警判别触发机制，采取多模式并行的触发机制，即下述三种模式只要判定满足任何一种，均触发振动加速度报警：

①计数模式：一定时间内，超出报警预判限值达到一定次数；

②时间模式：一定时间内，超出报警预判限值的累计时间达到一定时长；

③峰值模式：单次超出报警预判限值的倍数。

进一步的，所述连锁停车组件的振动加速度判别触发机制采取多模式并行的触发机制，即下述三种模式只要判定满足任何一种，均触发连锁停车：

①计数模式：一定时间内，超出连锁停车预判限值达到一定次数；

②时间模式：一定时间内，超出连锁停车预判限值的累计时间达到一定时长；

③峰值模式：单次超出连锁停车预判限值的倍数；

其中连锁停车预判限值设置为报警预判限值的3倍。

进一步的，所述分析处理单元包括时域趋势组件、振动烈度组件、阶次分析组件和扭转振动组件，所述时域趋势组件用于实时显示各测量位置的加速度时域趋势；所述振动烈度组件用于实时振动烈度监测及评价，在系统获取到特定位置振动信号时启用激活；所述阶次分析组件和扭转振动组件分别用于实时进行阶次分析和实时进行扭转振动监测，阶次分析组件和扭转振动组件在系统获取到转速信号时自动激活。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明所述系统稳定性与可靠性较好，适用于较长周期柴油机台架试验的实时振动监测及预警；系统结构简单，能够以少量的关键位置传感器实现有效的柴油机实时振动监测功能，同时，转速、扭矩、温度信息的监测，能够更全面的把握柴油机的工作状态。

(2)本发明所述系统，其基于振动加速度的故障报警的预判限值非经验值手动设定，而是由系统经过实时数据处理自动智能设定；其故障报警的触发机制非单一触发模式，而是三种触发模式并行，有效保证了系统预警的可信度，同时可尽量避免漏报、误报的发生。

(3)本发明所述系统，在振动加速度实时监测的基础上，具备实时振动烈度统计及评价功能、实时阶次分析功能、实时扭转振动统计功能，能够为柴油机的状态监测及故障诊断提供丰富有效的手段。

(4)本发明所述系统，其预警报送与外推方式多样，能够保证相关人员及时得到预警提示；其连锁停车功能可保证恶劣振动状态下台架试验自动被终止，安全系数较高。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例的柴油机台架试验实时振动监测及预警系统结构示意图；

图2为本发明实施例的系统逻辑架构示意图。。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图对本发明进一步说明。一种柴油机台架试验实时振动监测及预警系统，如图1、2所示，包括振动监测单元、状态监测单元、信号调理单元、采集通讯单元、数据存储单元、分析处理单元、报警判断单元和动作执行单元；其中：

振动监测单元，包括若干振动传感器，通过安装在发动机的不同位置来测量柴油机特定位置的振动加速度信号；

状态监测单元，包括发动机转速传感器、发动机扭矩传感器、发动机温度传感器，用于监控发动机的运行状态；

信号调理单元，用于对状态监测单元采集的转速、扭矩、温度信号调整放大以及传输形式的转换；

采集通讯单元，用于采集振动监测单元和信号调理单元的数据，并实现与数据存储单元、报警判断单元和动作执行单元之间的通讯，各个模块之间的通讯；

数据存储单元，用于存储采集通讯单元传输的采集数据的原始数据存储组件和用于存储分析处理单元的处理数据的处理数据存储组件；

分析处理单元，用于对采集数据的分析、计算和处理，并换算成要求的物理量；具体包括时域趋势组件、振动烈度组件、阶次分析组件和扭转振动组件；

报警判断单元，用于按报警预判限值、报警预设值对分析处理单元输出的各种数据进行判别，触发并输出报警信息；具体包括限值预判组件、判别触发组件和报警输出组件；

动作执行单元，包括连锁报警组件和连锁停车组件，用于根据报警判断单元的输出结果，以多模式对外连锁报警，以及在特定情况下自动连锁停车。

振动监测单元中，采用ICP型加速度传感器(即振动传感器)，这种内置的压电传感器，不需要联结电荷放大器，减少了系统的复杂程度。

对常规柴油机台架试验进行监测时，分别在柴油机气门室罩、传动箱、油底壳三个关键位置布置加速度传感器，可以满足监测需求。如需获取更为详细的振动信息或试验有特殊要求，振动监测单元中具备足量的信号通道，可在其他指定位置增加振动传感器，将相应的振动信号引入系统。本系统中分析处理单元的时域趋势组件用于实时显示各测量位置的加速度时域趋势。

转速、扭矩、温度，作为柴油机的重要状态信息，也是所述振动监测系统的辅助信息，可单独测量获取，也可直接由台架系统接入监测系统。获取转速信号时信号先经过信号调理单元的转速隔离模块进行处理，以满足采集板卡对原始信号的高质量要求，同时解决转速信号公用条件下对其他设备的干扰，转速隔离模块采用DC12V供电；获取温度信号时，由于使用的温度传感器为热电偶、热电阻，其输出信号为电势或电阻，而所述监测系统识别-10～+10V电压信号，因此先经过信号调理单元的温度调理模块进行处理，同时在输出端子安装电阻以调整到合适的电压范围。

本系统针对振动加速度报警的预判限值，是以对柴油机各工况下获取的30秒的加速度数据样本采取均值方差法计算处理并完成自动设定的。计算数据样本的平均值为μ，均方差为σ，当μ+3σ/μ的值大于1.5时，系统自动将μ+3σ设定为报警的预判限值，当μ+3σ/μ的值不大于1.5时，系统自动将1.5μ设定为报警的预判限值。

在所述监测及预警系统中，故障报警的触发机制，有以下三种模式：

①计数模式：一定时间内，超出报警预判限值达到了一定次数，初始设置为15s内超限值15次；

②时间模式：一定时间内，超出报警预判限值的累计时间达到了一定时长，初始设置为30s内超限值15s；

③峰值模式：单次超出报警预判限值的倍数，初始设置为2倍；

三种模式中只要满足任何一条，均可触发故障报警，可有效保证系统预警的可信度，同时可尽量避免漏报、误报的发生。

当所述监测及预警系统内有报警触发时，报警输出组件以灯光、语音、指定人员信息推送的方式对外发出报警，能够保证相关人员及时得到预警提示。

在所述监测及预警系统中，连锁停车组件包括连锁停车装置，其触发机制与前述故障报警的触发机制相同，即下述三种模式只要判定满足任何一种，均触发连锁停车：

①计数模式：一定时间内，超出连锁停车预判限值达到一定次数，例如初始设置为15s内超限值15次；

②时间模式：一定时间内，超出连锁停车预判限值的累计时间达到一定时长，初始设置为30s内超限值15s；

③峰值模式：单次超出连锁停车预判限值的倍数，初始设置为2倍；

其中连锁停车预判限值设置为报警预判限值的3倍，既可有效保证在恶劣振动状态下台架试验能及时终止，又可尽量避免误停车带来的不必要损失。

当系统获取到特定位置振动信号时，振动烈度组件的实时振动烈度监测及评价功能可以激活启用。振动烈度是宽频振动速度信号的均方根值，是衡量振动强度大小的有效指标。

根据柴油机型式及台架基座类型的不同，系统针对振动烈度的报警预设值与评价标准是不同的。针对多缸V型柴油机，当台架为刚性(柔性)基座时，系统的报警预设值为28mm/s(44mm/s)，当振动烈度大于28mm/s(44mm/s)时，系统给出的振动评价为“当前振动烈度有损坏柴油机的能力”，同时触发振动烈度报警；当振动烈度处于17～28mm/s(28～44mm/s)范围时，系统给出的振动评价为“当前振动烈度柴油机只能作有限时间运行”，当振动烈度小于17mm/s(28mm/s)时，系统给出的振动评价为“当前振动烈度柴油机可作长期运行”；以上数值可以手动更改。

当系统通过转速传感器获取到转速信号时，阶次分析组件和扭转振动组件的实时阶次分析功能、实时扭转振动监测功能自动激活启用。

本系统中，阶次谱是通过基于频谱的FFT分析法获得的，振动信号的特征频率随着转速变化而变化，但其对应的特征阶次不随转速变化而变化，在阶次谱中关注各阶次的能量变化，是针对柴油机运行状态的有效监测方法。

扭转振动的表现是旋转部件受到交变的扭矩作用时转速围绕平均转速出现的上下波动，其产生的动态剪切应力容易导致曲轴、联轴器等部件疲劳损伤，因此对柴油机进行扭转振动的监测也具有重要意义，本系统中针对多缸V型柴油机扭转振动的报警预设值为0.5°，该数值可手动更改。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种柴油机台架试验实时振动监测及预警系统，其特征在于，包括：

振动监测单元，包括若干振动传感器，通过安装在发动机的不同位置来测量柴油机特定位置的振动加速度信号；

状态监测单元，包括发动机转速传感器、发动机扭矩传感器、发动机温度传感器，用于监控发动机的运行状态；

信号调理单元，用于对状态监测单元采集的转速、扭矩、温度信号调整放大以及传输形式的转换；

采集通讯单元，用于采集振动监测单元和信号调理单元的数据，并实现与数据存储单元、报警判断单元和动作执行单元之间的通讯；

数据存储单元，用于存储采集通讯单元传输的采集数据和分析处理单元的处理数据；

分析处理单元，用于对采集数据的分析、计算和处理，并换算成要求的物理量；

所述分析处理单元包括时域趋势组件、振动烈度组件、阶次分析组件和扭转振动组件，所述时域趋势组件用于实时显示各测量位置的加速度时域趋势；所述振动烈度组件用于实时振动烈度监测及评价，在系统获取到特定位置振动信号时启用激活；所述阶次分析组件和扭转振动组件分别用于实时进行阶次分析和实时进行扭转振动监测，阶次分析组件和扭转振动组件在系统获取到转速信号时自动激活；

报警判断单元，用于按照报警预判限值、报警预设值对分析处理单元输出的各种数据进行判别，触发并输出报警信息；

动作执行单元，包括连锁报警组件和连锁停车组件，用于根据报警判断单元的输出结果，以多模式对外连锁报警，以及在特定情况下自动连锁停车；

所述振动监测单元由三个关键位置的振动传感器和其他位置的振动传感器组成，三个关键位置分别为气门室罩、传动箱、油底壳；

所述报警判断单元的振动加速度的报警预判限值采取基于数据处理的自设定模式，数据处理方法是均值方差计算法；

所述报警判断单元对于振动加速度的报警判别触发机制，采取多模式并行的触发机制，即下述三种模式只要判定满足任何一种，均触发振动加速度报警：

①计数模式：一定时间内，超出报警预判限值达到一定次数；

②时间模式：一定时间内，超出报警预判限值的累计时间达到一定时长；

③峰值模式：单次超出报警预判限值的倍数。

2.根据权利要求1所述的一种柴油机台架试验实时振动监测及预警系统，其特征在于：所述连锁停车组件的振动加速度判别触发机制采取多模式并行的触发机制，即下述三种模式只要判定满足任何一种，均触发连锁停车：

①计数模式：一定时间内，超出连锁停车预判限值达到一定次数；

②时间模式：一定时间内，超出连锁停车预判限值的累计时间达到一定时长；

③峰值模式：单次超出连锁停车预判限值的倍数；

其中连锁停车预判限值设置为报警预判限值的3倍。

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