CN111157249B - 一种柴油机故障监测预警方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柴油机故障监测预警方法及装置，其中方法包括：获取多个第一振动信号、第二振动信号和第三振动信号；其中，第一振动信号为各个气缸缸体的振动信号，第二振动信号为齿轮箱的振动信号，第三振动信号为曲轴箱的振动信号；分别获取曲轴的转速信号和瞬时转速信号；获取各个气缸缸体的活塞运动相位信号；根据多个第一振动信号、第二振动信号、第三振动信号、转速信号、瞬时转速信号活塞运动相位信号中的至少一种信号，诊断分析柴油机的是否处于活塞撞缸故障、传动齿轮故障和失火故障中的一种或多种状态。能够快速分析出柴油机是否发生典型故障，及时发出相应预警，使工作人员能够快速有效应对处理故障，提高故障处理效率。

Description

一种柴油机故障监测预警方法及装置

技术领域

本发明涉及柴油机监测技术领域，尤其涉及一种柴油机故障监测预警方法及装置。

背景技术

船舶柴油机作为大型船舶动力系统的核心，其可靠性、安全性、经济性是极为重要的。

如何通过故障诊断提高其可靠性、经济性、安全性，减少因柴油机故障造成的直接或间接经济损失，一直是柴油机行业的一个重要课题。目前主流的诊断方法有振动检测、热力参数检测、转速检测、光谱检测、铁谱检测等，然而，以上检测方法只能针对柴油机特定的故障进行检测判断，无法对柴油机进行整体的、系统的健康状态判断与预测，技术人员对造成柴油机故障的原因只能通过经验来进行处理，难以短时间内快速排查、处理某些主机故障。

发明内容

针对上述技术问题，本发明公开了一种油机典型故障监测预警方法及装置，目的在于解决目前柴油机发射故障时，无法对柴油机进行整体的、系统的健康状态判断与预测，造成技术人员难以短时间内快速排查、处理某些主机故障的技术问题。

为了实现本发明的目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种柴油机故障监测预警方法，包括：

获取多个第一振动信号、第二振动信号和第三振动信号；其中，第一振动信号为各个气缸缸体的振动信号，第二振动信号为齿轮箱的振动信号，第三振动信号为曲轴箱的振动信号；

分别获取曲轴的转速信号和瞬时转速信号；

获取各个气缸缸体的活塞运动相位信号；

根据多个第一振动信号、第二振动信号、第三振动信号、转速信号、瞬时转速信号活塞运动相位信号中的至少一种信号，诊断分析柴油机的是否处于活塞撞缸故障、传动齿轮故障和失火故障中的一种或多种状态。

优选的，方法还包括：当至少有一个第一振动信号大于第一阈值时，执行活塞撞缸故障的诊断分析：

获取第一振动信号中的最大值对应的第一气缸缸体信息，并获取与之相邻的第二气缸缸体和/或第三气缸缸体的振动信号；

若第二气缸缸体和/或第三气缸缸体的振动信号同一相位增大，则获取第一气缸缸体的活塞位置；

若气缸缸体活塞位置对应于上止点，则发出活塞撞缸故障报警。

优选的，方法还包括：当第二振动信号大于第二阈值时，执行传动齿轮故障的诊断分析：

将转速信号与第一预设值进行比较，将瞬时转速信号与第二预设值进行比较；

若第一振动信号与第三预设值的差值未超出第一预设范围，且转速信号与第一预设值的差值大于第三阈值，和/或，瞬时转速信号与第二预设值的差值大于第四阈值，则发出传动齿轮故障报警。

优选的，方法还包括：当至少有一个第一振动信号小于第五阈值时，执行失火故障的诊断分析：

获取第一振动信号小于第五阈值对应的第四气缸缸体信息，并获取与之相邻的第五气缸缸体和/或第六气缸缸体的振动信号；

若第五气缸缸体和/或气缸第六缸体的振动信号大于第五阈值，且第一振动信号符合失火特征，则发出失火故障警报。

优选的，还包括：

在0.5X、1X、2X、3X倍频时，若第二振动信号、曲轴的转速信号、曲轴的瞬时转速信号和活塞运动相位信号中的其中任意一者，超出倍频的幅值或相位特征值的阈值，则发出快变报警。

优选的，还包括：

若第一振动信号、第二振动信号、第三振动信号、曲轴的转速信号、曲轴的瞬时转速信号和各个缸体的活塞运动相位信号中的其中任意一者，超出对应预设特征参数的特征值阈值，且超过预设次数时，则发出缓变报警。

本发明还披露了一种柴油机故障监测预警装置，包括：

多个振动传感器，分别设置在各个气缸缸体、齿轮箱和曲轴箱上，用于获取第一振动信号、第二振动信号和第三振动信号；

瞬时转速传感器，设置在曲轴的非驱动端齿轮上，用于获取曲轴的转速信号和瞬时转速信号；

多个键相传感器，设置在曲轴的非驱动端粘贴键相块上，用于获取各个气缸缸体的活塞运动相位信号；

主控箱，与多个振动传感器、瞬时转速传感器和多个键相传感器连接，用于根据第一振动信号、第二振动信号、第三振动信号、转速信号、瞬时转速信号和活塞运动相位信号中的至少一种信号，诊断分析柴油机的是否处于异常运行状态。

优选的，还包括：信号转换箱，与主控箱通信连接，与多个振动传感器、瞬时转速传感器和多个键相传感器电相连，用于将第一振动信号、第二振动信号、第三振动信号、转速信号、瞬时转速信号、键相信号和活塞运动相位信号分别进行线性处理、调制解调、滤波、重采样和特征值计算中的其中一种或多种处理。

优选的，振动传感器为压电式加速度传感器，瞬时转速传感器为电涡流传感器，键相传感器为接近开关传感器。

优选的，主控箱包括：箱体结合的工控机和触摸屏；其中，工控机用于采集第一振动信号、第二振动信号、第三振动信号、转速信号、瞬时转速信号和活塞运动相位信号；工控机还与远程平台连接，向远程平台上传数据，和/或，从远程平台下载数据。

本发明的有益效果：

1、通过采集各个气缸缸体、齿轮箱和曲轴箱的振动信号，曲轴的转速、瞬时转速信号，以及各个气缸缸体的活塞运动相位信号，在排除信号干扰的前提下，可以快速分析出柴油机是否发生典型故障，能够及时发出相应预警，使工作人员能够快速有效应对处理故障，提高了故障处理效率。

2、监控的某些参数在偶尔超出预设阈值时，柴油机仍是正常运行的，通过缓变报警能够避免这些监测的数值在超出预设阈值后立即就发出警报，造成不必要的检修；而在超出预设值达到一定次数之后，发出缓变报警，提示需要进行检修。

附图说明

图1为本发明实施例中一种柴油机故障监测预警方法的流程图。

图2为本发明实施例中第一种柴油机故障监测预警方法的流程图。

图3为本发明实施例中一种柴油机故障监测预警方法的缸体振动分析界面。

图4为本发明实施例中第二种柴油机故障监测预警方法的流程图。

图5为本发明实施例中柴油机正常工作状态下壳体振动分析界面。

图6为本发明实施例中柴油机异常工作状态下的一种曲轴箱振动分析界面。

图7为本发明实施例中柴油机异常工作状态下的另一种曲轴箱振动分析界面。

图8为本发明实施例中曲轴箱降噪处理前的振动频谱图。

图9为本发明实施例中曲轴箱经过降噪处理的振动频谱图。

图10为本发明实施例中第三种柴油机故障监测预警方法的流程图。

图11为本发明实施例中一种柴油机缸体点火冲击相位图。

图12为本发明实施例中另一种柴油机缸体点火冲击相位图。

图13为本发明实施例中又一种柴油机缸体点火冲击相位图。

图14为本发明实施例中一种快变报警的流程图。

图15为本发明实施例中一种缓变报警的流程图。

图16为正常工况下柴油机曲轴的瞬时转速图。

图17为柴油机曲轴的一种扭振图。

图18为柴油机曲轴的另一种扭振图。

图19为柴油机的重要参数监测图。

图20为本发明实施例中另一种预警方法流程图。

图21为本发明实施例中主控箱的结构示意图。

图22为本发明实施例中信号转换箱的结构示意图。

图23为本发明实施例中油品传感器箱的结构示意图。

图24为本发明实施例中柴油机气缸缸体示意图。

图25为本发明实施例中非驱动端齿轮盘示意图。

图26为本发明实施例中非驱动端齿轮盘的压板示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供了一种柴油机故障监测预警方法，包括：

步骤S101，获取多个第一振动信号、第二振动信号和第三振动信号。其中，第一振动信号为各个气缸缸体的振动信号，第二振动信号为齿轮箱的振动信号，第三振动信号为曲轴箱的振动信号。

在本实施例中，振动信号包括振动幅值和振动相位。在气缸、气门、连杆、连杆瓦、曲轴瓦、正时齿轮等部件的安装振动传感器，通过这些传感器采集的信号，分析气缸、气门、连杆、连杆瓦、曲轴瓦、正时齿轮等部件的运行状态。在具体实施例中，气缸处的传感器可以检测到点火相位，吸气起始点排气阀关闭，会有产生一个明显的缸体点火冲击；压缩行程起始点吸气阀关闭，也会有一个明显的排气门关闭冲击；接着开始爆炸做功，会产生一个较大的吸气门关闭冲击。通过监测气缸振动信号，可分析出点火冲击是否到达正常运行的峰值，以此判断是否存在失火故障的情况。

步骤S102，分别获取曲轴的转速信号和瞬时转速信号。

在本实施例中，采集曲轴的转速和瞬时转速信号，该信号用于分析曲轴的运行状态。在具体实施例中，采集齿轮箱的振动信号以及齿轮箱的转速、瞬时转速信号，结合曲轴的转速和瞬时转速信号，可分析出是否存在齿轮故障的情况。

步骤S103，获取各个气缸缸体的活塞运动相位信号。

在本实施例中，在活塞出安装传感器，监测活塞的运动状态、实时位置，结合前述气门、连杆和连杆瓦的状态，可分析出是否存在活塞撞缸故障的情况。

步骤S104，根据多个第一振动信号、第二振动信号、第三振动信号、转速信号、瞬时转速信号和活塞运动相位信号中的至少一种信号，诊断分析柴油机的是否处于活塞撞缸故障、传动齿轮故障和失火故障中的一种或多种状态。

在本实施例中，通过采集各个气缸缸体、齿轮箱和曲轴箱的振动信号，曲轴的转速、瞬时转速信号，以及各个气缸缸体的活塞运动相位信号，在排除信号干扰的前提下，可以快速分析出柴油机是否发生典型故障，能够及时发出相应预警，使工作人员能够快速有效应对处理故障，提高了故障处理效率。

作为可选的实施方式，当至少有一个第一振动信号大于第一阈值时，执行活塞撞缸故障的诊断分析：

获取第一振动信号中的最大值对应的第一气缸缸体信息，并获取与之相邻的第二气缸缸体和/或第三气缸缸体的振动信号；

若第二气缸缸体和/或第三气缸缸体的振动信号同一相位增大，则获取第一气缸缸体的活塞位置；

若气缸缸体活塞位置对应于上止点，则发出活塞撞缸故障报警。

图2是本发明实施例中第一种柴油机故障监测预警方法的流程图。柴油机撞缸常发生于气门断裂、活塞损坏、连杆断裂、连杆螺栓松动时。撞缸诊断的关键在于将测点振动幅值、振动相位、发动机各缸活塞位置有效对应，准确获知机器异常状态发生时活塞具体位置，例如，当某缸缸体振动超过报警限后，先对传感器是否出现干扰信号进行判断，过滤干扰信号之后，分析相邻缸体传感器振动变化，当相邻缸体的振动出现同时增大时，开始判断振动相位，特别是各相邻缸体传感器是否出现同一相位增大，若符合以上情况，则发出活塞撞缸故障报警。

在具体实施例中，图3为缸体振动分析界面，监控所有缸体的振动情况，当有一个气缸缸体的传感器采集到的振动信号的峰值超过第一阈值，即报警阈值，获取相邻缸体的振动信号；若相邻缸体的振动信号同一相位增大，再获取超过报警阈值的缸体的活塞位置，将该活塞位置与上止点进行对应，若二者对应，说明发生活塞撞缸故障，发出报警。故障等级为轻微故障时幅值一般为正常振幅的1.5～2倍，因此在具体实施方式中，第一阈值设置为正常振动幅度的1.5倍。

作为可选的实施方式，当第二振动信号大于第二阈值时，执行传动齿轮故障的诊断分析：

将转速信号与第一预设值进行比较，将瞬时转速信号与第二预设值进行比较；

若第一振动信号与第三预设值的差值未超出第一预设范围，且转速信号与第一预设值的差值大于第三阈值，和/或，瞬时转速信号与第二预设值的差值大于第四阈值，则发出传动齿轮故障报警。

图4是本发明实施例中第二种柴油机故障监测预警方法的流程图。柴油机齿轮类故障诊断的关键，在于将测点振动幅值信号与柴油机各振动测点、转速、瞬时转速有效对应，准确获知机器状态发生的时刻。当第一振动信号的值超出第三预设值，即齿轮箱振动测点的振幅超过报警值5.50mm/s的情况时，先对传感器是否出现干扰信号进行判断，过滤干扰信号之后，分析相关传感器振动变化；当相关传感器采集到的振动信号出现同时增大时，开始对平均转速和瞬时转速进行判断；当平均转速和瞬时转速出现变化时，再对点火相位进行分析。此外，另设一个齿轮箱振动的危险值为7.50mm/s，超过危险值立即执行停机操作。

在具体实施方式中，第一预设值为1800RPM，第二预设值为1460RPM；第三阈值和第四阈值设为0。

目前，相关标准中采用壳体振动速度有效值反映柴油机整体运行状态，以壳体振动烈度作为振动大小判别的关键指标。监测柴油机曲轴箱、传动箱壳体振动信号包含机身整体振动和各个气缸爆燃振动等，能够反映柴油机整体的振动烈度，曲轴箱振动速度有效值的频谱可以有效反映出曲轴的振动状态。

正常工作状态下，壳体振动大小变化趋势稳定，如图5中所示的曲轴箱振动趋势图及波形图，反映的是柴油机整体振动能量处于稳定状态。类似的，正常工况下，壳体振动波形稳定，在各缸点火相位附近，壳体振动波形也会出现一定的冲击，但是相对缸体振动波形已经显著减小。

柴油机壳体振动速度有效值与功率成正比，柴油机功率越大振动越大；同时，在故障情况下，如撞缸、连杆螺栓断裂等，壳体振动显著增大，上述故障均导致机组整体振动能量的增大。在传动箱齿轮断裂故障情况下，如图6、图7所示，曲轴箱壳体振动速度有效值增大趋势明显，超过了典型故障预警装置设置的报警门限值。同时，根据不同测点监测值的变化，可进行故障定位。在传动箱齿轮发生故障时，曲轴箱振动呈现出距离齿轮箱越近，振动越大的特点，可以作为故障定位的重要依据。在分析柴油机曲轴箱振动时，需要考虑振动速度频谱。通过大量运行数据分析当频谱中工频等低倍频频谱明显时，需时刻关注其数值变化，图8为降噪处理前的曲轴箱振动频谱图，图9为经过降噪处理后的曲轴箱振动频谱图，可以看出降噪前倍频成分明显，降噪后倍频成分不明显，且数值降低。在具体实施方式中，曲轴箱壳体振动幅度的报警值为5.50mm/s，危险值为7.50mm/s。

综上，振动分析技术通过采集测量柴油机在工作时产生的各种振动信号，依据振动信号中包含振源信息和状态信息，采用振动信号特征提取分析方法进行数据分析和处理，研究柴油机运行过程中的故障原因与对应状态，提取故障早期特征，及时预警和诊断故障。

振动分析需要基于键相传感器为相位基准参考，将各个缸体振动、曲轴箱振动信号进行多维度(负荷、转速、角度域、频域等)特征提取，利用故障机理和多源信号融合方法实现智能预警。

作为可选的实施方式，当至少有一个第一振动信号小于第五阈值时，执行失火故障的诊断分析：

获取第一振动信号小于第五阈值对应的第四气缸缸体信息，并获取与之相邻的第五气缸缸体和/或第六气缸缸体的振动信号；

若第五气缸缸体和/或气缸第六缸体的振动信号大于第五阈值，且第一振动信号符合失火特征，则发出失火故障警报。

图10为本发明实施例中第三种柴油机故障监测预警方法的流程图。柴油机失火故障诊断，当某缸体振动测点振动幅值发生低限报警时，首先判断是否发生干扰，在排除干扰情况下，分析比较相邻测点是否出现同样报警，当没有测点出现相同报警时，分析点火相位是否出现变小情况，在观察扭振波形变化是否符合失火特征，最终得出失火故障诊断结论。

利用柴油机典型故障模拟实验台，进行柴油机缸体振动信号特征提取研究。以某型柴油机B1缸为例，B1缸为第一个做功缸，我们通过合理布置键相触发点将B1缸点火冲击相位调整到相位图上的0°附近，作为点火相位初始点。四冲程柴油机工作循环是：吸气—压缩—做功—排气。理论上，吸气起始点排气阀关闭，会有产生一个明显冲击；压缩行程起始点吸气阀关闭，也会有一个明显冲击；接着开始爆炸做功，会产生一个较大冲击。如图11所示，三个明显的冲击分别是缸体点火冲击(相位0°附近)、排气门关闭冲击(相位440°附近)和吸气门关闭冲击(相位550附近)。

不同缸体振动波形与B1缸类似。需要注意的是，同类柴油机不同缸体振动，或不同柴油机的缸体振动均存在差异。如图12所示，A4缸点火冲击为1163m/s2(相位432°)，但这并不能说明机器存在故障隐患，需要结合其他测点进行分析。

图13为失火故障发生时的缸体振动波形对比图，图13第二个波形图中，点火冲击峰值只到200m/s2左右，而正常的点火峰值如第三个波形图所示，应在500m/s2左右。即，第五阈值为450m/s2；也可根据实际需要进行设置。

作为可选的实施方式，还包括：

在0.5X、1X、2X、3X倍频时，若第二振动信号、曲轴的转速信号、曲轴的瞬时转速信号和活塞运动相位信号中的其中任意一者，超出倍频的幅值或相位特征值的阈值，则发出快变报警。

图14为本发明实施例中一种快变报警的流程图，在本实施例中，捕获快变信号的关键，是准确获知机器状态突变发生的时刻；技术上来说，必须找到确切的且可以准确测量到的物理量来描述突变事件。对于旋转机械来说，振动信号0.5X、1X、2X、3X倍频幅值或相位等特征值，发生超过该特征值阈值的变化，即认为发生突变。该阈值与常规报警中的阈值不同，常规报警中阈值，是按照有关国家标准设定的门限值，对于某固定的柴油机这些阈值是常数，初始设定好后，一般不会随时间改变而变化。突变事件中的阈值，可以是依据前段时间机器运行状态而学习出来的，能随着机器的运行而改变。通过自学习的机制，柴油机在运行过程中将数据上传至服务器，实时更新参数，使得报警阈值及其他参数能够与柴油机在不同阶段的运行状态相互适配。

作为可选的实施方式，还包括：

若第一振动信号、第二振动信号、第三振动信号、曲轴的转速信号、曲轴的瞬时转速信号和各个缸体的活塞运动相位信号中的其中任意一者，超出对应预设特征参数的特征值阈值，且超过预设次数时，则发出缓变报警。

图15为本发明实施例中一种缓变报警的流程图，在本实施例中，捕获缓变信号的关键，是准确获知机器状态缓变发生的时刻；必须找到确切的且可以准确测量到的物理量来描述缓变事件。此处定义当某特征参数的特征值超过该特征值阈值，并超过一定的次数时，即认为发生了缓变报警，在具体实施例中，设置超过1180次，即发出缓变报警。缓变事件中超过阈值与常规报警中超过阈值不同，常规报警中阈值，是按照有关国家标准设定的门限值，对于某固定的柴油机这些阈值是常数。缓变事件的阈值，是依据前一段时间机器运行状态而学习出来的；可能随着机器的运行而改变。监控的某些参数在偶尔超出预设阈值时，柴油机仍是正常运行的，通过缓变报警能够避免这些监测的数值在超出预设阈值后立即就发出警报，造成不必要的检修；而在超出预设值达到一定次数之后，发出缓变报警，提示需要进行检修。

在可选的实施方式中，优先发出快变报警。

柴油机瞬时转速信号包含着机器运行状态的丰富信息，可反映柴油机各个气缸的爆发压力、工作不均匀性及燃烧差异等信息。如图16所示，正常工况下，各缸的动力性能基本一致，柴油机的运转平稳，各缸做功过程的瞬时转速波动虽有差异，但基本都在一个较小的范围内，并呈现规律性。

通常情况下，柴油机转速是通过测取柴油机转动一圈或几圈的时间来计算出平均转速，用于描述柴油机在稳定工况下的运行速度。然而柴油机实际工况无论是在变工况，还是在稳定工况下，柴油机曲轴的瞬时角速度都是在不断地变化，即转速是瞬时波动的。而瞬时转速就是柴油机某一时刻的转速，反映柴油机转速随曲柄转角的波动关系。

瞬时转速的测取，通常在曲轴上安装齿数为WQ的齿盘，这WQ个齿盘将360度的曲柄转角均分，然后选取合适的传感器来测取时域波形，再间接获得相邻分度齿盘通过传感器的时间，最后计算瞬时转速，所以瞬时转速的测量方法是间接测量，它包括原始信号的测取和瞬时转速信号提取两个部分。

当某个气缸工作不正常时，或是传动部件出现故障时，动力的一致性遭到破坏，柴油机运转平稳性变差，转速波动信号会产生严重的变形，据此可以判断柴油机工作的好坏。如图17和图18所示，对瞬时转速进行积分运算可得到柴油机曲轴的扭转振动情况，简称扭振，单位为度(deg),常用单位为毫度(mdeg)。它是柴油机监测中十分重要的一项评价数据，可有效分析曲轴的受力状况，进一步评判柴油机的工作运行状态。瞬时转速分析技术通过测量柴油机在一个工作循环周期内产生的瞬时转速变化信号，进行数据分析和处理，可对柴油机燃油泄漏，气门、喷油口泄漏、油管堵塞和发火异常等故障进行早期预警。

瞬时转速分析技术是以键相传感器为相位基准参考，以柴油机发火做功过程会带来转速的周期性波动为理论依据，利用特征提取技术将各个缸工作转速变化信号与各个缸发火相关联，采用故障机理和统计分布方法实现智能预警，可快速、有效辨识和定位发火类故障。

但柴油机的这一特性没有明确的普遍规律，即不同柴油机的负荷与振动幅值的关联性差别很大。因此，柴油机故障预警与诊断技术必须充分考虑不同柴油机的这一特性，通过对不同柴油机运行状态数据进行自学习，挖掘正常运行与故障运行状态下的信号变化特征。

实施例2

如图21-26所示，本发明实施例提供了一种柴油机故障监测预警装置，包括多个振动传感器1，瞬时转速传感器2，多个键相传感器3和主控箱4，其中：

多个振动传感器1分别设置在各个气缸缸体、齿轮箱和曲轴箱上，用于获取第一振动信号、第二振动信号和第三振动信号；瞬时转速传感器2设置在曲轴的非驱动端齿轮上，用于获取曲轴的转速信号和瞬时转速信号；多个键相传感器3设置在曲轴的非驱动端粘贴键相块上，用于获取各个气缸缸体的活塞运动相位信号；主控箱4与多个振动传感器1、瞬时转速传感器2和多个键相传感器3连接，用于根据第一振动信号、第二振动信号、第三振动信号、转速信号、瞬时转速信号和活塞运动相位信号中的至少一种信号，诊断分析柴油机的是否处于异常运行状态；其中，异常运行状态包括活塞撞缸故障、传动齿轮故障和失火故障。

在本实施例中，主控箱箱体尺寸为500mm×500mm×350mm(L×W×H)，采用挂壁式安装，其配置包括1台CPCI计算机机箱，装载有CPCI板卡；一块CPU模块，用于提供上位机软件主程序运行环境，以及提供连接到信号转换箱的系统内部网络接口；一个双冗余以太网模块，用于提供连接到平台网的双冗余以太网接口；CAN模块，用于提供信号转换箱的CAN通信接口；串口通信模块，用于提供串口通信接口；CPCI电源模块，用于对CPCI计算机内所用模块供电；现场显控模块，用于提供上位机软件显示和触摸功能。主控箱与各传感器之间用导线连接或无线网络连接。

其中，主控箱采用一般箱体结合工控机和触摸屏。工控机负责采集数据采集箱及平台网数据，并向平台网提供数据；触摸屏用于界面显示及人机交互。在具体实施方式中，工控机采用Windows XP操作系统，可独立运行柴油机典型故障预警装置软件系统，支持SQLSERVER 2005数据库的安装运行。

作为可选的实施方式，还包括：信号转换箱，与主控箱通信连接，与多个振动传感器、瞬时转速传感器和多个键相传感器电相连，用于将第一振动信号、第二振动信号、第三振动信号、转速信号、瞬时转速信号和活塞运动相位信号分别进行线性处理、调制解调、滤波、重采样和特征值计算中的其中一种或多种处理。

在本实施例中，信号转换箱包括：振动、键相及瞬时转速采集处理模块，用于通过高速采集和处理模块，接收振动、键相和瞬时转速数据，经过线性化、调制解调、滤波、重采样和特征值等计算后将数据通过以太网发送到主控箱；油品数据通信处理模块，用于接收油品传感器的数据，过滤分析后将数据通过CAN通信接口发送到主控箱。含脉冲量数据采集、RS485数据采集功能；交换机，用于给主控箱、振动及转速采集处理模块提供预警装置以太网通信网络；电源模块，用于对信号转换箱内设备供电。

信号转换箱安装于箱装体内，作为预警装置的数据采集、处理、提取、发送的关键单元，协调主控箱与振动、键相及瞬时转速传感器、油品传感器之间的数据交互。

作为可选的实施方式，振动传感器为压电式加速度传感器，瞬时转速传感器为电涡流传感器，键相传感器为接近开关传感器。

在本实施例中，各个传感器的安装位置及安装方式如下表所示：

振动传感器的技术参数如下：频响范围0.5HWQ～10KHWQ(±3dB)，抗振动为5000g(pk)，非线性±1％，温度范围为-54～121℃，防护等级IP65。

瞬时转速传感器的技术参数如下：灵敏度3.94V/mm，频率响应0～8KHWQ(±3dB)，温度范围-51℃～+100℃，非线性最大0.015mm，输出阻抗50Ω，推荐间隙2.5mm。

键相传感器的技术参数如下：额定工作距离2.5mm，有效工作距离5mm，额定工作电流＞200mA，工作温度-40℃～80℃，保护等级IP67，推荐间隙2.5mm，连接插头规格M12×1，最大相对湿度95％(25℃)，供电电压10～40V(DC)。

在具体实施例中，通过在柴油机箱各待监控部位处打孔攻丝，用螺纹连接的方式安装各传感器，螺纹规格为M6。

作为可选的实施方式，主控箱包括：箱体结合的工控机和触摸屏；其中，工控机用于采集第一振动信号、第二振动信号、第三振动信号、转速信号、瞬时转速信号和活塞运动相位信号；工控机还与远程平台连接，向远程平台上传数据，和/或，从远程平台下载数据。

在可选的实施例中，信号转换箱中设置振动监测模块，根据实际信号通道类型，振动监测模块需要接入加速度振动信号、瞬时转速信号与键相信号，共计34个通道可供使用，满足实际柴油机典型故障预警装置需要。

振动监测模块主要性能指标如下，通道：32路IEPE加速度振动通道，1路瞬时转速通道，1路键相通道；采集模式：连续同步采集；采样精度：16bit；最高采样率：100KSPS；CPU双核456MHWQ工业级低功耗浮点处理器；接口RJ45：以太网接口；供电：18V～36VDC；功耗：小于12W；工作温度：-40℃～70℃；尺寸：280mm×200mm×80mm；重量：小于3.5kg(不含传感器)。

在具体实施方式中，还可设置油品传感器箱，油品传感器箱内安装三种类型传感器：流量传感器、2DB金属颗粒传感器和温/湿度传感器。润滑油流向为流量传感器→金属颗粒传感器→温/湿度传感器。流量传感器采集滑油流量，通过脉冲量信号发送到信号转换箱；金属颗粒传感器采集滑油内粗金属颗粒和细金属颗粒含量，通过4～20mA信号发送数据到信号转换箱；温/湿度传感器采集滑油的温度和含水率数据，通过RS485串口通信发送数据到信号转换箱。

流量传感器采用LWGY系列涡轮流量传感器，该传感器基于力矩平衡原理，属于速度式流量仪表。传感器具有结构简单、轻巧、精度高、复现性好、反应灵敏，安装维护使用方便等特点，广泛用于石油、化工、冶金、供水、造纸等行业。

金属颗粒传感器通过磁性材料吸附磨损铁磁性金属颗粒，并通过磁场分析的方法，分别输出细颗粒以及粗颗粒的磨损浓度，并集成介电常数或者温度的第三通道输出反馈油液的颗粒污染以及水分污染情况，及时反馈设备状态信息，起到故障预警的作用，通过设备健康管理减少故障风险，减少经济损失。当传感器连接到系统中，传感器能在金属损耗发生时给出信号指示，基于实时数据，能随时知晓油品状态，做出合理的维护决定，改善产品的健康管理。传感器可通过4-20mA硬线供设备进行采集。

金属颗粒传感器性能参数如下：输出结果：金属细颗粒浓度、粗颗粒浓度；通信输出4-20mA；分辨率10bit；供电6VDC-32VDC；功耗＜0.7W；过电保护＞32VDC；环境温度-40℃-+125℃；流体温度-40℃-+150℃；压力范围0-1Mpa；材质：传感器为铝合金、FEP或PEI，封装外壳为铝合金、不锈钢或polyest；机械尺寸：传感器：57mm×Φ24.5mm，电路外壳：55mm×30mm×12mm。

温/湿度传感器是一款新型的基于电容检测原理的在线式油中水分含量检测传感器。通过测量油水混合物通过电极间时的电容变化和内置的温度探头测量油温，再经过嵌入式软件依据校准曲线计算，从而精确获取油中水分含量变化，并与经过量值溯源的卡尔费休水分测量仪比对验证，测量精度高。该传感器被广泛应用于航空航天、电力、石油、化工等多个领域的油中水分含量在线监测场合。温/湿度传感器性能参数如下，量程(绝对精度)：0～5％(±0.1％)0～15％(±0.2％)，0～倒相点(±0.5％)，0～100％(±2％)；温度稳定度：0.01％水/℃；分辨率：100ppm；供电电压：DC24V±15％；流体温度：-55～135℃；补偿温度范围：-55～135℃；压力范围：0～4Mpa；信号输出：数字信号RS485/232；温度传感器：Pt1000铂RTD；温度分辨率：0.02℃；结构材质：304不锈钢。

在本实施例中，还设置了油品数据通信处理模块，主要用于采集外部油品监测传感器数字量输入、高速脉冲信号输入、模拟量输入信号，通过内部CAN总线和主控箱进行通信。油品数据通信处理模块有以下几个接口：分别为5路数字量输入、4路4-20mA信号采集、2路高速脉冲量信号采集、1路PT100温度采集接口、3路独立的RS485总线接口以及2路独立的CAN总线接口。

图19为重要参数监测图，用于监测柴油机的整体运行状况。图20为本发明实施例中另一种预警方法流程图，通过概貌监测先确定是否存在报警；根据报警信息确定故障出现在柴油机的哪个部位；根据报警数据类型确定该部位出现哪种类型的故障。

发动机缸体振动测点安装方式采用螺纹连接方式，安装前在安装位置进行打孔攻丝：M6×1螺纹。如图25所示，在每个缸体星号标记处安装一个加速度传感器，在螺纹连接处涂抹螺纹锁紧剂防止振动影响螺纹连接松动。

曲轴箱振动测点水平安装，探头中心线正对曲轴轴承几何中心的位置，曲轴箱两侧各安装3个加速度传感器，靠近曲轴主轴承位置，安装方式与发动机缸体振动传感器安装方式相同。

传动箱振动测点水平安装，探头中心线正对两个凸轮轴传动惰轮的中间位置，安装方式与发动机缸体振动传感器安装方式相同。瞬时转速测点传感器安装于发动机非驱动端齿轮盘，如图25所示，安装方式采用螺纹孔固定方式，其中，螺纹孔为齿轮盘上已有的，无需另外钻孔。借用柴油机原有转速测量传感器安装孔进行固定。

如图26所示，键相测点传感器安装于非驱动端齿轮盘处，对现有的压板进行打孔攻丝，传感器采用螺纹孔安装方式，螺纹规格为M10X1。基于曲轴上已有的沟槽进行键相触发，根据沟槽与第一个点火缸发火相位之间的角度差，确定柴油机各缸点火相位。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

综上，本发明达到预期目的。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种柴油机故障监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：获取多个第一振动信号、第二振动信号和第三振动信号；其中，所述第一振动信号为各个气缸缸体的振动信号，所述第二振动信号为齿轮箱的振动信号，所述第三振动信号为曲轴箱的振动信号；

步骤二：分别获取曲轴的转速信号和瞬时转速信号；

步骤三：获取所述各个气缸缸体的活塞运动相位信号；

步骤四：根据所述多个第一振动信号、所述第二振动信号、所述第三振动信号、所述转速信号、所述瞬时转速信号和所述活塞运动相位信号中的至少一种信号，诊断分析所述柴油机的是否处于活塞撞缸故障、传动齿轮故障和失火故障中的一种或多种状态；

当至少有一个所述第一振动信号大于第一阈值时，执行所述活塞撞缸故障的诊断分析：

获取所述第一振动信号中的最大值对应的第一气缸缸体信息，并获取与之相邻的第二气缸缸体和/或第三气缸缸体的振动信号；

若所述第二气缸缸体和/或所述第三气缸缸体的振动信号同一相位增大，则获取所述第一气缸缸体的活塞位置；

若所述气缸缸体活塞位置对应于上止点，则发出活塞撞缸故障报警。

2.如权利要求1所述的柴油机故障监测预警方法，其特征在于，还包括，当所述第二振动信号大于第二阈值时，执行所述传动齿轮故障的诊断分析：

将所述转速信号与第一预设值进行比较，将所述瞬时转速信号与第二预设值进行比较；

若所述第一振动信号与第三预设值的差值未超出第一预设范围，且所述转速信号与所述第一预设值的差值大于第三阈值，和/或，所述瞬时转速信号与所述第二预设值的差值大于第四阈值，则发出传动齿轮故障报警。

3.如权利要求1所述的柴油机故障监测预警方法，其特征在于，还包括，当至少有一个所述第一振动信号小于第五阈值时，执行所述失火故障的诊断分析：

获取所述第一振动信号小于所述第五阈值对应的第四气缸缸体信息，并获取与之相邻的第五气缸缸体和/或第六气缸缸体的振动信号；

若所述第五气缸缸体和/或所述气缸第六缸体的振动信号大于所述第五阈值，且所述第一振动信号符合失火特征，则发出失火故障警报。

4.如权利要求1所述的柴油机故障监测预警方法，其特征在于，还包括：

在0.5X、1X、2X、3X倍频时，若所述第二振动信号、所述曲轴的转速信号、所述曲轴的瞬时转速信号和所述活塞运动相位信号中的其中任意一者，超出所述倍频的幅值或相位特征值的阈值，则发出快变报警。

5.如权利要求1所述的柴油机故障监测预警方法，其特征在于，还包括：

若所述第一振动信号、所述第二振动信号、所述第三振动信号、所述曲轴的转速信号、所述曲轴的瞬时转速信号和所述各个缸体的活塞运动相位信号中的其中任意一者，超出对应预设特征参数的特征值阈值，且超过预设次数时，则发出缓变报警。

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