автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка метода вибродиагностики деталей цилиндро-поршневой группы двигателя на основе кепстального анализа

РГБ ОД 1 5 ДЕК №'ь

На правах рукописи

Доренко Юрий Германович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ВИБРОДИАГНОСТИКИ ДЕТАЛЕЙ ЦИЛИНДРО-ПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ ДВИГАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ КЕПСТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА

■ Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996

Работа выполнена на кафедре "Автотракторные двигатели" Московского государственного автомобильно-дорожного института (технического университета).

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент H.H. Назаров

Официальные оппоненты - доктор технических наук, ,J профессор H.A. Иващенко

кандидат технических наук Н.С. Антонов

Ведущая организация - Научно-исследовательский

центр по испытаниям и доводке автомототехники (НИЦИАМТ)

Защита состоится О '¿>&С9с>МШ<Ь г. в /О часов на заседании диссертационного совета К 053.30.09 ВАК РФ при Московском государственном автомобильно-дорожном институте (техническом университете) по адресу: .

125829, ГСП- 47, Москва, А-319, Ленинградский проспект, 64, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 1996 г.

Отзывы просим представлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью.

Телефон для справок 155-03-28

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., профессор

В.М. Власов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Современные тенденции развития экономит и общества, связанные с усилением конкуренции на рынке сбыта, борьбой за эколсшю, требуют повышения технологической и эксплуатационной надежности двигателей внутреннего сгорания.

Путем комплексного решения вышеперечисленных задач является применение технического диагностирования ДВС. Это позволяет повысить качество изготовления и ремонта двигателей, осуществлять постоянный контроль за их техническим состоянием в процессе эксплуатации с целью его прогнозирования и своевременного выявления и устранения неисправностей.

Среди различных методов диагностирования двигателей одним из наиболее зффегтзных является метод еибродиагностики, позволяющий осуществлять безрззборный контроль узлов и сопряжений ДВС. Не случайно в последнее десятилетие-интенсивно ведутся работы по созданию систем зибродиагнсстики двигателей.

Одной из наиболее важных задач, возникающих при создании систем диагностики ДВС, является разработка и применение методов, обеспечивающих высокую надежность результатов диагностирования.

В настоящее время подавляющее большинство систем вибродиагностики двигателей в качестве диагностического параметра используют спектры вибрации, полученные методом "частотно-временной" селекции, что позволяет уменьшить влияние на результаты.диагности-розания шума от неконтролируемых источников вибрации.

Помимо большого числа источников вибрации существует ряд физических особенностей формирования вибрационного поля двигателя, которые приводят к нестабильности спектральных составляющих, а их воздействие нз спектр вибрации не может быть устранено "частотно-временной" селекцией. К ним относятся многоимпульсный или многоударный характер динамического взаимодействия деталей сопряжений ДВС, распространение вибрации ст точки возбуждения к месту регистрации по конструкции двигателя многими путями или каналами, ее реверберация от границ конструкции. При этом в спектрах вибросигналов возникают случайные состазляющие большой амплитуды. Данное обстоятельство ведет к снижению стабильности спектральных составляющих, что в итоге приводит к уменьшению надежности результатов диагностирования.

Для анализа и обработки многсимпульсных сигналов в 60-х годах был предложен кетсд кепстрального анализа, получивший сначала широкое распространение в гидроакустике и сравнительно недавно начавший использоваться в зибродиагностике ».-¡ашин и механизмов. Одной из его возможностей является уменьшение нестабильности

спектральных составляющих, вызываемых многоимпульсным и многоканальным характером формирования сигналов. Поэтому представлялось целесообразным использование данного метода для повышения точности диагностирования технического состояния сопряжений ДВС. В качестве исследуемого было ЕЫбрано сопряжение поршень-гильза двигателя внутреннего сгорания.'

Цель работы. Повышение точности диагностирования технического состояния деталей цилиндро-поршневой группы двигателя путем разработки метода вибродиггностики на основе кепстрально-го анализа.

Методы исследования. В работе сочетались методы расчетного и экспериментального исследования. Расчетные исследования проводились по методикам и программам, разработанным автором с использованием современной вычислительной техники и методов цифровой обработки сигналов. Экспериментальные исследования проводились на двигателе ВАЗ-21083, установленном на испытательном стенде. Для регистрации временных сигналов применялся автоматизированный комплекс, разработанный в Проблемной лаборатории автотракторных двигателей Московского автомобильно-дорожного института (технического .университета) и модернизированный автором применительно к решаемой задаче. Основу комплекса составляла вибромз-меритсльная аппаратура, согласованная с комплектом регистрирующей аппаратуры международного стандарта 1ШЛАК.

Научная новизна. Разработана диагностическая модель сопряжения поршень-гильза и ее физико-математическое описание, учитывающие многоударный характер динамического взаимодействия деталей сопряжения поршень-гильза, распространение вибросигнала по многим каналам к месту регистрации и его реверберацию от границ конструкции. На основе свойств кепстрального анализа предложен-метод диагностирования технического состояния сопряжения поршень-гильза по уровням "сглаженных" спектров мощности вибрации, получаемых при помощи последовательного применения "частотно-временной" селекции и кепстральной фильтрации. Подготовлено программное обеспечение для расчета и анализа исходных спектров, кеп-стров и сглаженных спектров вибрации на основе методов цифровой обработки . сигналов. Предложена методика экспериментально-расчетной оптимизации алгоритма расчета сглаженных спектров мощности. Она позволяет быстро и эффективно оптимизировать разработанный метод вибродиагностики применительно к различным конструкциям ДВС, исходя из условия максимальной стабильности сглаженных спектров.

Практическая ценность. Предложенный метод позволяет повысить точность результатов диагностирования технического состояния сопряжения поршень-гильза. Сглаженные спектры мощности как диагностический параметр отличаются однозначностью, большей стабильностью, чувствительностью и информативностью по сравнению с исходными спеетрами. При различных зазорах в сопряжении поршень-гильза двигателя ВАЗ-21083 интервалы между верхней и нижней доверительными границами в информативной полосе частот в сглаженных спектрах составили в среднем 1-2 дБ и сократилась в 2-3 раза по сравнению с исходными спектрами, причем наибольший эффект достигался там, где у исходных спектров с ни были наибольшими. Разброс-уровней сглаженных спектров в информативных полосах частот при смещении положения отрезка временной селекции, смещении точки крепления вибродатчика, изменении нагрузочного режима работы двигателя составлял 1-4 дБ, в то время как в исходных спектрах он составил 2-13 дБ.

Реализация работы. Разработанные в диссертационной работе методики, программное обеспечение и полученные результаты используются в учебном процессе на кафедре "Автотракторные двигатели" ГЛАДИ (ТУ) по дисциплинам "Осноеы теории надежности и диагностика ДВС", "Эксплуатация ДВС" специальности Ю12С0 (ДВС), а таюке переданы ка 6-й Авторемонтный завод г. ГИсскэы для использования при диагностировании ремонтируемых на заводе двигателей.

-Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались ка 52-й (1994 г.) и 53-й (1995 г.) научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ (ТУ), на семинарах и заседаниях кафедры "Автотракторные двигатели" МАДИ (ТУ) в 1993,1994, 1995, годах.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы две печатные работы.

Объем работы. Диссертационная работа состоят из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Она изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 45 иллюстраций и 12 таблиц. Список использованной литературы включает 99 наименований, в том числе 30 иностранных.

СОДЕРЗКАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен оозор современных методов и систем вибродиагностики, используемых при диагностировании двигателей, проанализированы- особенности возбуждения и распространения вибрации в ДВС, которые влияют на точность результатов дмагнсстирова-

ния, изложены возможности ее повышения и обоснованы цели и задачи работы.

Современные системы вибродиагностики ДВС используют метод "частотно-врезанной" селекции вибросигналов. Ее повсеместное применение обусловлено природой вибропроцессов в двигателе: проявление виброимпульсоз от соударений в отдельных сопряжениях ДВС на определенных временных отрезках цикла его работы и сосредоточение энергии вибрации на частотах, близким к собственным частотам колебаний соударяемых деталей.

Подобный подход позволяет лучшим образом среди существующих методов снизить влияние на точность результатов диагностирования технического состояния сопряжений ДВС помех от неконтролируемых, источников вибрации, которые- традиционно считаются основным фактором, влияющим на точность результатов диагностирования.

Проведенный на основе материалов отечественных и зарубежных работ анализ процессов формирования вибрационного поля ДВС показал, что существует ряд физических особенностей, значительно влияющих на стабильность спектральных характеристик вибросигналов. К основным из них относятся многоимпульсный характер возбуждения вибросижалов, когда яри динамическом взаимодействии деталей сопряжений двигателя в короткий промежуток времени может происходить несколько последовательных соударений; распространение вибрации по конструкции двигателя многими каналами; реверберацию вибросигналов от границ конструкции.

Вследствие вышеперечисленных обстоятельств в выделенном временном отрезке вибросигнал состоит не из одного, а из следующих один за другим нескольких импульсов близкой структуры. Это приводит к тому, что в спектре сигнала появляются пульсирующие составляющие, которые носят во многом случайный характер, что в итоге приводит к нестабильности спектральных уровней и снижению точности диагностирования технического состояния сопряжений ДВС.

Для анализа и обработки многоимпульсных сигналов в США был предложен метод кепстрального анализа, основанный на понятии кепстра мощности, представляющего собой обратное преобразование Фурье от логарифмического спектра сигнала. Одним из свойств кепстрального анализа является возможность снижения помех в спектре сигнала, вызванного многоимпульсным и многоканальным характером его формирования. Кроме того работы, связанные с его первым использованием в вибродиагностике ДВС и посвященные диагностированию рабочего процесса дизелей по сигналам вибрации показали, чте применение кепстрального анализа позволяет снизить влияние не спектры вибрации нестабильности передаточных функций конструкции

ДВС, вызванную технологически варьированием размеров и материала деталей двигателя, а также шума от неконтролируемых источников. Тем самым перспективной становится задача повышения точности результатов диагностирования технического состояния сопряжений ДВС путем разработки метода вибродиагностики на основе кепстрального анализа.

Из всех сопряжений двигателя наибольший интерес представляло разработка метода вибродиагностики на основе кепстрального анализа для сопряжения поршень-гильза силового агрегата. В настоящее время износ ЦПГ фактически определяет ресурс работы двигателей в эксплуатации. Увеличение зазора в сопряжении поршень-гильза приводит к таким некелатепьным последствиям, как снижение мощности двигателя, увеличение расхода масла на угар, повышение токсичности. Поэтому диагностированию сопряжения поршень-гильза традиционно уделяется повышенное внимание.

На формирование вибрации, вызванной перекладкой поршня и несущей информацию о техническом состоянии сопряжения поршень-гильза, влияют все вышеперечисленные факторы, вызывающие нестабильность спектральных уровней в информативной полосе частот.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать диагностическую модель сопряжения поршень-гильза и ее физико-математическое описание с учетом многоимпульсного возбуждения вибрации, ее многоканального распространения к месту регистрации и реверберации от границ конструкции двигателя.

2. Разработать метод вибродиагностики технического состояния сопряжения поршень-гильза ДВС на основе кепстрального анализа и необходимое для его реализации программное обеспечение с использованием цифровой обработки сигналов.

3. Провести экспериментально-расчетное исследование дискретных временных, спектральных и кепстральных характеристик вибрации двигателя с целью выявления общих тенденций их формирования и влияния на них как физических процессов так и эффектов цифровой обработки сигналов.

4. Разработать методику оптимизации предложенного метода вибродиагностики для различных двигателей, заключающуюся в поиске практических приемов обработки вибросигналоз, позволяющих повысить точность результатов диагностирования.

5. Провести моторные испытания двигателя с различными зазорами в сопряжении-поршень-гильза для оценки эффективности разработанного метода вибродиагностики на основе кепстрального анализа.

Во второй главе рассмотрены вопросы возбуждения колебаний, вызванных перекладкой поршня, и их распространение по конструкции ДВС. Разработана диагностическая модель сопряжения поршень-гильза и ее физико-математическое описание с учетом многоимпульсного возбуждения, многоканального распространения и реверберации вибросигналов. Рассмотрено влияние вышеперечисленных факторов на формирование спектра вибросигнала. Изложены основные свойства кепстрального анализа и представлен метод вибродиагностики сопряжения поршень-гильза на его основе.

На рисунке 1 представлена разработанная диагностическая модель сопряжения поршень-гильза, учитывающая вышеперечисленные особенности возбуждения и распространения колебаний в двигателе внутреннего сгорания.

хм т хРо)

Рис. 1. Диагностическая модель сопряжения поршень-гильза. Сигнал, формирующийся на выходе вмбродатчика и зарегистрированный во время перекладки поршня, может быть предстазлен следующим выражением:

00 р м «

у(0 = К(т)хо(1-т)(к+2; £ -1 -т)(1т-ы

О ¡=0 1=0 о

Ю=о)=1

(1) где:

СО

| Ь0(т)х0(1 - т)(к - вибросигнал, вызываемый прохождением о

основного ударного импульса от перекладки поршня по основному каналу распространения вибрации; • • Хо{1) - основной ударный импульс; Ь0(т)- импульсная переходная функция основного канала;

Р Л1 ®

Z X /Ь-(т - tK. )Xj(t -1„. - Г)dr-составляющая вибросиг-

i = 0 Й о 1 1

j(i=0)=i.

нала, вызываемая повторными соударениями поршня о гильзу цилиндра, наличием помимо основного и других каналов распространения виброимпульсов, а также их реверберацией;

X|(t) - повторный i-й ударный импульс;

h|(x) - импульсная переходная функция j-ro неосновного канала;

t„|- задержка между основным и повторными импульсами;

tK| - задержка вибросигнала в неосновном канале;

n(t)- шум от неконтролируемых источников вибрации двигателя.

На практике это означает, что в выделенном временном отрезке вибросигнал состоит не из одного, а из нескольких свободнозату-хающих импульсов близкой структуры, искаженных шумовой помехой.

Логарифмический спектр вибросигнала определится выражением:

IgSyy(f) = lglH0(f)X0(f)+ I х Hj(f)e"j2,CfiK'Xi(f)e"jW,,,i + N(f)

i=o_j=o_ 1

j(i=0)=l i

(2), где:

Xo(f)> H0(0, Xj(f), Hj(f), N(f) - преобразования Фурье соответствующих временных .функций.

Показано, что многоимпульсный и многоканальный характер вибрации приводит к возникновению в спектре пульсирующих составляющих, амплитуда и форма которых зависит от соотношений между амплитудами и формами основного и повторных ударных импульсов и основной и дополнительных импульсных переходных функций каналов, а частота пульсаций зависит от времени задержки между основным и повторными импульсами и от времени задержки импульсов в неосновных каналах. При этом данная составляющая спектра ввиду ее зависимости от большого числа факторов будет носить случайный характер, а ее совокупная амплитуда может составлять 10 и более дБ.

Изложены основные свойства кепстрального анализа, базирующегося на понятии энергетического кепстра или кепстра мощности сигнала, определяемого следующим соотношением:

cP(x)=Fr1{igS(f)} О)

где:. .

Ср(т) - кепстр мощности сигнала;

S(f) - спектр сигнала;

FT"1{ } - обратное преобразование Фурье.

В международной практике в кепстральном анализе используется терминология, аналогичная по своему смысловому значению спектральной и полученная путем перестановки слогов. В дальнейшем изложении будут использоваться нижеприведенные со своими спектральными аналогами следующие термины: келстр (спектр), сачтота (частота); рахмоника (гармоника); ось сачтот (ось частот); лифтрация (фильтрация); область коротких сачтот (область низких частот); область длинных сачтот (область высоких частот); лифтр коротких сачтот (фильтр низких частот); лифтр длинных сачтот (фильтр высоких частот); режекторный лифтр (гребенчатый фильтр).

Показано, что составляющая спектра, вызванная многоимпульс-носным и многоканальным характером формирования сигнала, преобразуется в кепстре в серию импульсов на сачтотах, равных времени задержки и кратных им, и их влияние в кепстре носит адитивный характер. Тем самым их можно обнаружить и полностью или частично отфильтровать из кепстра и, вернувшись к спектру, повысить его помехоустойчивость.

Для этого используются либо режекторные лифтры, либо лифтрьг коротких сачтот. Спектры, получаемые после лифтрации принято называть сглаженными спектрами.

Связав частотные характеристики импульсов и каналов частотными функциями связи:

Х,(0.= Хи.(0Хо(0 и Н,(Г) = Нк.(ПН0(0. (4)

и выделив составляющую спектра, вызванную наличием шума от неконтролируемых источников, логарифмический спектр вибросигнала, как показано на рисунке 2 , можно представить суммой трех составляющих:

^„(О = 1э5осн(Г)+ 1«8ИК(0 + 1Г::<Ш(0 <5)

где:

1о50СН(0 = 1е|\'оснт|2 = 1^Н0(ОХ0(П|2 = 1о8ХоХо (f) +

(6) 1д3осн(Г> - спектр мощности основного сигнала;

Щ

,/ Р М -]ЬЛК. -¡21«

= = I Н (Ое К,Хи.(Ое]

¡=0 ьо 1 ¡(¡=0)=1

(7) 1д5И11(0 - составляющая спектра, вызванная многоимпульсным и многоканальным характером формирования вибросигнала;

вибрации двигателя от перекладки поршня.

^ (Г) = 1ё11 +-®- (8)

1дЗш - составляющая спектра, вызванная наличием шума от других источников вибрации двигателя.

Спектр основного сигнала, вызванный прохождением основного ударного импульса по основному каналу является^ носителем диагностической информации о техническом состоянии сопряжения поршень-гильза. Он будет определяющим при формировании спектра вибрации от перекладки поршня в начале рабочего хода и будет представлять собой, как показано на рис. 2, фактически спектр полосового сигнала, энергия которого сосредоточена в узком диапазоне частот.

Две оставшиеся составляющие спектра (рис. 2) будут иметь случайный характер и приводить к снижению стабильности спектров вибрации, зарегистрированной во время перекладки поршня, а следовательно и к снижению точности диагностирования технического состояния сопряжения поршень-гильза.

Кепстр мощности вибросигнала в силу линейности преобразования Фурье будет также определяться суммой трех составляющих:

'"ИК

иг (1) (9)

где:

Сосн(т) - кепстр мощности основного сигнала;

Сик(г) - составляющая кепстра, вызванная многоимпульсным и многоканальным характером формирования вибросигнала;

Сш(г) - составляющая кепстра, вызванная наличием шума от неконтролируемых источников вибрации двигателя.

Так как логарифмический спектр основного с; ¡гнала представляет собой плавную кривую, которая с большой точностью может быть описана гармониками низкого порядка, то ее обратное преобразование Фурье или энергетический кепстр будет представлять собой быстроза-гухающую функцию, у которой основная информация о спектре будет сосредоточена в области низких сачтот (рис. 2).

Составляющая кепстра, вызванная многоимпульсным и многоканальным характером формирования вибросигнала, будет представлять собой последовательность импульсов на сачтотах, определяемых временем задержки между-импульсами и временем задержки вибросигнала в каналах (рис. 2).

Практика применения кепстрального анализа показывает, что на личие большого числа источников шума, проявляющих себя во всеь диапазоне частот, приводит к тому, что данная составляющая спектра

имеет также пульсирующий характер и проявляется в основном в области средних и длинных сачтот (рис. 2).

Следовательно кепстр мощности позволяет разделить составляющую спектра вибросигнала, несущую информацию о техническом состоянии сопряжения поршень-гильза, и составляющие, приводящие к нестабильности уровней спектров вибрации от перекладки поршня.

Проведя лифтрацию в кепстре мощности вибросигнала получим следующее соотношение:

Далее проведя прямое преобразование Фурье лифтрованного кепстра, получим сглаженный спектр вибросигнала:

!§8Ус р) = ^ е н с г (Г) + 1§8И1Со ¿¿Г) + ^ с р) (11)

где:

'§50сн (0 - сглаженный спектр основного вибросигнала; сг л

'йЗшсзетШ + ^^^СО - остаточная пульсация спектра, вызванная неполнотой лифтрации второй и третьей составляющей спектра вибросигнала.

При оптимально проведенной лифтрации сглаженный спектр вибрации будет определяться сглаженным спектром основного вибросигнала, что в итоге, позволит повысить точность диагностирования технического состояния сопряжения поршень-гильза.

Разработанный метод вибродиагностики технического состояния сопряжения поршень-гильза предлагает использование в качестве диагностического параметра сглаженные спектры мощности вибрации, полученные путем последовательного применения "частотно-временной" селекции и кепстральной лифтрации Еибросигналов, зарегистрированных во время перекладки поршня. Решение о техническом состоянии диагностируемого сопряжения, а именно о величине зазора в сопряжении поршень-гильза, будет приниматься на основании сравнения уровней в информативной полосе частот текущих и базовых сглаженных спектров мощности.

В основе алгоритма диагностирования будут лежать шесть основных этапов преобразования вибросигналов:

1. Регистрация виброскгнала на блоке ДВС.

2. Временная селекция вибросигнала.

3. Расчет исходного спектра мощности вибросигнала.

4. Расчет кепстра мощности вибросигнала.

5. Лифтрация кепстра мощности вибросигнала.

6. Расчет сглаженного кепстра мощности вибросигнала.

В третьей главе изложены особенности цифрового спектрального и кепстрапьного анализа применительно к решаемой задаче. Описано разработанное программное обеспечение для расчета и анализа сглаженных спектров мощности. Представлена методика экспериментально-расчетной оптимизации алгоритма расчета сглаженных спектров вибрации от перекладки поршня.

Современные системы вибродиагностики двигателей используют методы и средства цифровой обработки и анализа сигналов. Цифровые методы обработки сигналов, в основе которых лежит теория дискретных сигналов, имеют отличия по сравнению с аналоговыми методами, в основе которых лежит теория непрерывных сигналов. Это может оказывать значительное влияние на получаемые при обработке данных результаты. Поэтому особенности цифровой обработки сигналов обязательно нужно учитывать при выборе аппаратуры, разработке программного обеспечения и алгоритмов обработки вибросигналов, а также для правильной трактовки получаемых результатов.

В работе изложены основные особенности цифрового спектрального и кепстрапьного анализа применительно к решаемой задаче.

Описаны влияние на получаемые результаты таких особенностей формирования дискретных спектров как эффект "наложения" частот, эффект "размывания" и эффект "утечки".

Представлены особенности расчета дискретного кепстра мощности и его основные свойства. Проанализировано воздействие на •получаемые- результаты эффектов- "перекрытия" - и "сверхдискретизации" в дискретных кепстрах и способы борьбы с ними. Изложены обработка кепстров мощности различными типами лифтров и влияние ненулевого среднего в исходном спектре на сглаженные спектры мощности.

Описано программное обеспечение, разработанное для реализации предложенного метода.

При разработке практического алгоритма расчета сглаженных спектров мощности вибрации необходим поиск таких приемов обработки вибросигнала, при использовании которых сглаженный спектр мощности как диагностический параметр обладал бы наиболее возможной стабильностью и информативностью. При этом под приемами понимаются общепринятые способы обработки сигнала: выбор длины обрабатываемой временной реализации; выбор числа добавляемых нулевых значений; выбор типа временного окна; использование фильтрации спектра; выбор-типа и способа лифтрации и т. д.

Основной особенностью кепстрального анализа является то, что практические методики и приемы его реализации в значительной сте-

пени определяются природой обрабатываемых данных и решаемой в процессе его применения задачей.

Проведенный анализ показал, что поиск оптимального алгоритма расчета сглаженных спектров вибросигналов на основе лишь экспериментальной информации будет неэффективным по целому ряду причин. Во-первых, во время проведения регистрации экспериментальной информации невозможно измерять входное воздействие, вызванное соударениями поршня и гильзы. Поэтому оценить степень влияния на формирование временных реализаций, дискретных спектров и кеп-стров мощности вибросигнала особенностей возбуждения и распространения вибрации и эффектов, связанных с цифровой обработкой сигналов не представляется возможным. Во-вторых, во время проведения эксперимента активно можно управлять лишь величиной зазора в сопряжении. Управление другими факторами, влияющими на характеристики вибрации, такими как число соударений в сопряжении, время задержки, отношение сигнал шум и т. д. практически невозможно.

Поэтому для решения поставленной задачи было решено применить методику экспериментально-расчетной оптимизации алгоритма расчета дискретных сглаженных спектров мощности вибросигналов. Ее основной идеей было создание на основе анализа характеристик вибрации опытного ДВС моделирующей программы и поиск оптимального алгоритма обработки вибросигнала на основе анализа как экспериментальной, так и расчетной информации. Данная программа, вогпервых, должна была давать возможность создавать расчетные сигналы, качественно подобные экспериментальным, и, во-вторых, позволять управлять параметрами, влияющими на характер временных, спектральных и кепстральных характеристик вибросигналов.

Экспериментальные исследования проводились на двигателе ЗАЗ 21033. Для получения первичной информации в 4-й и 3-й цилиндры были установлены поршни, обеспечивающие предельно-допустимый зазор, и зарегистрированы 8иброусхорения у этих цилиндров на стороне, противоположной вращению. Рекиму, обеспечивающему наибольшие временную стабильность вибросигналов и отношение сигнал/шум соответствовали 2000 ми; Г* и полная нагрузка.

На рисунке 3-а показана типичная временная реализация виброускорения в момент перекладки поршня в начале рабочего хода для 4-го цилиндра, спектр мощности (рис. З-б) и энергетический кепстр (рис. 3-в). Наличие нескольких импульсов близкой структуры в вибросигналах, пульсации в спектрах, а также пиков а кепстрах, положение которых на оси сачтот соответствовало положению повторных импульсов на временной реализации, еще раз свидетельствовало о многоимпульсном и многоканальном характере формирования

а)

6)

Д)

Рис. 3. Характеристики вибрации двигателя ВАЗ 21083 в момент перекладки поршня в зоне 4-го цилиндра (а-в) и расчетного сигнала, подобного экспериментальному (г-е): а и г - временные реализации; б и д - спектры мощности; в и е - кепстры мощности.

вибросигналов от перекладки поршня. Возможности моделирования продемонстрированы на рисунках 3 (г-е), где показаны характеристики расчетного сигнала, смоделированного из условия близкого подобия к экспериментальному.

Проведенный анализ экспериментальных и расчетных данных показал, что для вибросигналов, спгктр которых представляет собой спектр полосового сигнала, кепстр мощности представляет собой быстрозатухающую функцию, которая на низких сачтотах, а при большом отношении сигнал/шум и по всей длине имеет вид косинусообраз-ной быстрозатухающей функции с. периодом Т^/Ят, где Рга- частота максимального значения в спектре полосового сигнала.

Установлено, что подавляющая часть информации о спектре полосового сигнала сосредоточена в кепстре на коротких сачтотах, и данная область в кепстре полосового сигнала является наиболее устойчивой к эффектам цифровой обработки, к изменению составляющих спектра, вызванных моногоимпульсным и многоканальным характером формирования вибросигнала и шумом от неконтролируемых источников. Поэтому для расчета сглаженных спектров предпочтение было отдано лифтрам коротких сачтот, а не режекторным.

Для упорядочения проведения лифтрации введено понятие минимальной длины лифтра тт1п, при достижении и превышении которой сглаженный спектр имеет максимум в том же диапазоне частот, что и исходный спектр вибросигнала. На-основании свойств'преобразований Фурье установлено, что его длина примерно равна периоду кепстра Тс.

На основе анализа экспериментальной и расчетной информации определены оптимальные с точки зрения решаемой задачи приемы и способы обработки вибросигналов от перекладки поршня, а также изысканы дополнительные возможности повышения стабильности сглаженных спектров мощности.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования эффективности предложенного метода вибродиагностики. Приведены технические характеристики объекта исследования и условия его испытания, описаны экспериментальная установка и аппаратный комплекс регистрации и обработки сигналов.

Объектом исследования был двигатель ВАЗ 21083, на который в 3-й и 4-й цилиндры попарно устанавливались поршни обеспечивающие номинальный ( 0-я степень износа), наполовину допустимый ( 1-я степень износа) и предельно допустимый [ 2-я степень износа) зазор в диагностируемом сопряжении для данного ДВС. На последнем этапе эксперимента в 1-й и 2-й цилиндры были установлены поршни, обеспечивающие предельно-допустимый зазор.

На блоке двигателя были установлены 10 шпилек крапления виб-родатчикоа. Во время работы двигателя происходила регистрация вибрации одновременно в трех точках. Одновременно с вибрацией регистрировались либо давление в 4-м цилиндре, либо сигнал искрооб-разозания в одном из цилиндров ДВС.

Анализ временных реализаций вибросигналов позволил определить режим работы ДВС, при котором наблюдалось наибольшее отношение сигнал/шум и наибольшая временная стабильность виброимпульсов - 2000 мин"1 и полная нагрузка; определить зону на блоке, где выполнялись вышеупомянутые условия - верхняя часть блока (помимо нее рассматривались нижняя часть блока и верхняя плита, соединяющая гильзы цилиндров); определить длину временного отрезка наибольшей временной стабильности виброимпульсов, которая составила 20-25 градусов угла поворота коленвала.

На первом этапом оценки эффективности разработанного метода вибродиагнсстики деталей ЦПГ ДВС на основе кепстрального анализа была произведена статистическая обработка исходных и сглаженных спектров виброускорений двигателя ВАЗ 21023, зарегистрированных во время перекладки поршня при различных зазорах в сопряжении поршень-гильза. Анализ результатов показал, что при п=24 и а=0.99 в информативной полосе частот, составившей для 4-го цилиндра область 4500-6500 Гц интервалы между верхними и нижними доверительными границами составляли в среднем для исходных спектров 25 дБ (рис. 4-а), а для сглаженных 1-2 дБ (рис, 4-6). В информативной полосе частот, составившей для 3-го цилиндра область 3000-5000 Гц интервалы между верхними и нижними доверительными границами составляли в среднем для исходных спектров 1-5 дБ, а для сглаженных 1-2 дБ. Причем наибольший эффект наблюдался там, где в исходных спектрах они были наибольшими. Помимо этого сглаженные спектры как диагностический параметр отличались однозначностью, большей чувствительностью и информативностью по сравнения с исходными спектрами вибрации от перекладки поршня.

На втором этапе оценивалось влияние на исходные и сглаженные спектры погрешностей, возникающих в процессе диагностирования и приводящих к варьированию спектральных составляющих.

Разброс спектральных уровней в информативных полосах частот при смещении отрезка временной селекции относительного базового в обе стороны на 3 и 6 градусов поворота коленвала, что составляло видимую ошибку начала перекладки поршня для 1-й и 0-й степени износа, составил в исходных спектрах 4-го цилиндра 5-13 дБ (рис. 5-а) и 3-го цилиндра 4-12 дБ, в то время как в сглаженных спектрах он составил соответственно 2-4 дБ (рис. 5-6) и 2-3 дБ.

а)

Рис. 4. Доверительные границы спектров вибрации двигателя ВАЗ 21083 от перекладки поршня в зоне 4-го цилиндра при различных зазорах в сопряжении поршень-гильза (п=2000 мшг1, М*р=100%, N=24, а=0.99): а - исходные спектры; б - сглаженные спектры.

а)

б)

Б. ¿3

А / - ч> >,

и V

О 1130 3203 4КО 640Л 5200 К£5 11203

-бегл. д5

о 1кс ш «аи шз екю »ага паза

|—-Зсг.вз-са-----3 ст.ы»-са—-] Р* Гц

д)

-

л I

в то изо 4аа ««го !-мо 5сзз игоо |—к«? ка% — —иг? — I р. Гц

£гатьд£ Ма-

«а

о ют 32ио «гае шз «ого им 112:0 [—Икр 1С354--Икр _ I Г, Гц

Рис. 5. Влияние различных факторов на »¡сходные (а,ь,д) и сглаженные спектры (6,г,е) виорацш даетнтеля ВАЗ 21023 взонг 4-го цилиндра (п=2ЕЮ0;жк"\ N=24): а к 6 - разброс спектральных составляющих при егиащо»:«! отрезка аре,»лэнной сеяекции на ±3и ±6 град. п.к.з. (1-я и 0-я ст. иэ-са); и и г - елжший смещения точим крепления вябродатчика {2-я и 0-я ст. из-са); дне- слияние изменения нагрузочного режима работы двигателя (2-я и 1-я ст. кз-са).

Для анализа влияния смещения точки регистрации вибрации (моделирование погрешности установки датчика и варьирования передаточных функций конструкции ДВС) на исходные и сглаженные спектры на расстоянии 20 мм от исходной точки на четвертом цилиндре ниже и правее была расположена дополнительная точка регистрации.. При этом разница между максимальными, спектральными составляющими составила для 2-й и 0-й степени износа 6-10 дБ (рис. 5-в) в исходных и 1-3 дБ (рис. 5-г) в сглаженных спектрах. Подобная картина наблюдалась и для 1-й степени износа.

Изменение нагрузочного режима работы двигателя (моделирование потери заряда) приводило к изменению в уровнях максимальных спектральных составляющих исходных спектров при 2-й и 1-й степенях износа на 7-11 дБ для 4-го (рис. 5-д) и 2-7 дБ для 3-го цилиндров, в то время как изменения в сглаженных спектрах составили соответственно 1-2 (рис. 5-е) и 1-3 дБ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе анализа процессов возбуждения и распространения вибрации в конструкции ДВС разработана диагностическая модель сопряжения поршень-гильза и ее физико-математическое описание, учитывающие многоимпульсное возбуждение вибрации от перекладки поршня; распространение вибрации по конструкции двигателя от места возбуждения к месту регистрации многими каналами; реверберацию вибросигналов от границ конструкции.

2. Показано, что многоимпульсное возбуждение, многоканальное распространение и реверберация вибросигналов приводит к пульсациям в спектре, которые имеют в значительной степени случайный характер, а амплитуда их может составлять 10 и более дБ. Поэтому они являются одним из основных источников нестабильности спектральных уровней, приводя к снижению точности результатов диагностирования технического состояния сопряжения поршень-гильза.

3. Разработан метод вибродиагностики технического состояния сопряжения поршень-гильза ДВС на основе кепстрального анализа.

/Данный метод предлагает использование в качестве диагностического параметра сглаженные спектры мощности, полученные путем последовательного применения "частотно-временной" селекции и кеп-стральной лифтрации вибросигналов, зарегистрированных во время перекладки поршня. Решение о техническом состоянии диагностируемого сопряжения, а именно о величине зазора в сопряжении поршень-гильза, будет приниматься на основании сравнения в информативной полосе частот уровней текущих и базовых сглаженных спектров.

4. Рассмотрены особенности 'цифрового спектрального и кеп-стрального анализа применительно к решаемой задаче. С их учетом разработано программное обеспечение, позволяющее расс читывать дискретные спектры, кепстры и сглаженные спектры вибросигналов, а также проводить расчетный анализ влияния на характеристики вибрации различных приемов обработки сигналов. -

5. На основе анализа временных реализаций, спектров и кеп-стров мощности вибрации от перекладки поршня разработана программа, позволяющая моделировать расчетные сигналы, характеристики которых качественно подобны экспериментальным и проводить расчетный анализ влияния особенностей формирования вибросигналов и эффектов, связанных с цифровой обработкой сигналов на дискретные спектры и кепстры мощности.

6. Предложена методика экспериментально-расчетной оптимизации алгоритма расчета сглаженных спектров мощности. Она позволяет быстро и эффективно найти практические приемы использования разработанного метода вибродиагностики сопряжения поршень-гильза для различных конструкций. ДВС, исходя из условия максимально возможной стабильности сглаженных спекгроз. Проэедена практическая реализация метода для двигателя ВАЗ 21083.

7. Проведенное экспериментальное исследование вибрации двигателя ВАЗ 21083 при различных зазорах в сопряжении поршень-гильза подтвердило эффективность предложенного метода диагностирования. Сглаженные'спектры мощности вибрации-как диагностический параметр обладали большей статистической устойчивостью, стабильностью, чувствительностью и информативностью по сравнению с исходными спектрами. Интервалы между верхними и нижними доверительными границами в сглаженных спектрах в информативных полосах частот составили 1-2 дБ и уменьшились в 2-3 раза по сравнению с исходными спектрами. Разброс спектральных составляющих в информативных полосах частот, вызываемый погрешностями, возникающими в процессе диагностирования, составлял в сглаженных спектрах 1-4 дБ, в то время как в исходных спектрах он составил-2-13 дБ.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

Доценко Ю.Г., НзззроЕ Н.И. Метод вибродиагностики деталей циликдро-поршневой группы двигателя на основе кепстрального анализа. Моск. ззт. дор. ин-т,- 15с. Деп. в ВИНИТИ 2.07.96.- № 2157-В96. от 2.07.В5.

Доценко Ю.Г. Повышение точности диагностирозания технического состояния сопряжения поршень-гильза путем применения кеп-страпьной лифтрации./ Моск. азт. дор. ин-т,- 12С. Деп. в ВИНИТИ. 2.137.96 - № 2158-В96. от 2.07Ж