一种柴油机故障预警装置的制作方法

本实用新型属于设备状态监测诊断领域，主要针对柴油机设计了一种故障预警装置，通过采集、处理、分析振动、键相、瞬时转速、动态压力及润滑油液特征信号，对柴油机典型故障进行预警。

背景技术：

柴油机作为机械设备领域的一部分，在电力、石化、船舶、车辆等相关领域发挥着极为重要的作用。由于结构复杂，振动激励源多，故障关联性强，机组故障诊断准确率低，重大安全事故频发，如何提高柴油机故障诊断的准确性始终是困扰企业设备管理人员的难点，也是科研人员研究的热点。柴油机典型故障主要包括：失火、撞缸，拉缸、气门磨损、正时齿轮折断、连杆螺栓断裂、滑油进水等。本实用新型的目的就是通过一系列传感器实时在线监测并预警柴油机故障情况，避免发生严重事故。

查阅已有的相关文献与专利资料，柴油机监测诊断技术与系统方面的研究与应用成果已较多，包括各类在线与离线监测系统。

专利方面，柴油机润滑油在线监测系统(申请号201210179984.5)、一种在用大功率柴油机润滑状态在线监测系统(申请号201510339669.8)、船舶柴油机嵌入式监测系统(申请号201520351257.1)，对柴油机润滑油系统进行监测；一种实船柴油机氮氧化合物排放在线监测系统(申请号201610250519.4)、一种柴油机尾气质量监测系统(申请号201510659725.6)、一种矿用柴油机车实时排放监测系统(申请号201520779243.X)，对柴油机尾气进行监测；一种低速二冲程柴油机轴承磨损监测系统(申请号：201510025051.4)、一种柴油机曲拐箱内的轴承磨损监测系统安装支架(申请号201520034495.X)对柴油机模式情况进在线监测；柴油机气阀漏气监测系统(申请号201410263421.3)通过声发射传感器、缸压传感器、上止点传感器对气门漏气进行离线监测，柴油机爆燃监测系统(申请号200520029334.8)两个爆震传感器监测气缸内的爆燃情况。

文章方面，姚良等撰写的《柴油机状态在线监测与故障诊断系统开发》，提出了一种基于加速度传感器、上止点传感器、外卡油压传感器、电流传感器、电压传感器、温度传感器的柴油机在线监测系统，其中加速度传感器仅用于测量缸盖振动，也未规定上止点传感器的安装方式；李宏坤等撰写的《柴油机在线监测与故障诊断系统》，提出一种基于振动信号的在线监测系统对缸盖、缸体、曲轴、变速箱振动进行监测，但是缺少其他监测传感器；曹永撰写的《船舶柴油机综合在线监测诊断系统的研究》，对柴油机基于热工参数(温度、流量、压力等)与润滑油监测的在线监测系统进行了研究；郑仙梅等撰写的《一种新型的柴油机在线监测系统》对基于缸压、转速、缸温、润滑油压力等信号的柴油机在线监测系统进行了研究；闵云平撰写的《船舶柴油机在线监测与故障诊断系统研究》提出了一种船舶柴油机在线监测系统，包括气缸压力示功图监测模块、润滑冷却系统监测模块、瞬时转速监测模块、燃油系统监测模块、轴功率监测模块、增压器及进排气监测模块、振动监测模块，柴油机状态判别与故障诊断模块，监测参数包括滑油温度、滑油压力、瞬时转速、轴功率、油管压力、排气温度、轴系纵振。

但是上述专利与文章，在具体实施方案方面与本实用新型存在明显的区别，首先，本实用新型明确了各种传感器及相关安装位置，安装位置直接影响传感器对机组运行状态和故障的监测效果；其次，本实用新型规定了振动传感器、瞬时转速传感器、气缸动态压力传感器信号原始模拟量采集方式和整周期采集要求，以及润滑油监测参数的非整周期采集方式，这些与上述资料明显不同。

本实用新型为了方便有效地解决柴油机运行状态在线监测与典型故障预警问题，设计了一种柴油机故障预警装置，通过对机组振动，瞬时转速，键相，缸内动态压力，润滑油金属颗粒、流量、温度、湿度信号进行在线监测，有效掌握柴油机运行状态，基于数据的分析与自动报警，实现柴油机故障的早期发现与预警，已在相关柴油机上得到实际应用，未来推广前景广阔。

技术实现要素：

一种柴油机故障监测预警装置，其特征在于：

该装置包括振动传感器、键相传感器、瞬时转速传感器、气缸动态压力传感器、润滑油金属颗粒传感器、润滑油流量传感器、润滑油温度与湿度传感器，整周期采集模块、非整周期采集模块、网络设备、安装箱体、监测信号电缆、数据服务器；

键相传感器采集柴油机第一个点火缸活塞上止点信号，安装于与曲轴固连的轮盘或与凸轮轴固连的轮盘，通过粘块与加工凹槽方式，使键相传感器在柴油机第一个点火缸活塞位于上止点时，键相传感器与粘块或凹槽处于正对位置；振动传感器安装于气缸缸盖、曲轴箱壳体、齿轮箱壳体、涡轮增压器壳体、支撑底座；气缸缸盖的振动传感器安装方向平行于活塞运动方向，曲轴箱壳体的振动传感器在曲轴箱两侧均匀布置，垂直于曲轴中心线并与曲轴中心线保持同一高度，齿轮箱壳体位置的振动传感器分为平行曲轴安装与垂直曲轴安装，涡轮增压器壳体位置的振动传感器应靠近涡轮增压器轴承，支撑底座位置的振动传感器应靠近柴油机与底座连接点；气缸动态压力传感器安装于气缸缸压引压孔；瞬时转速传感器安装于与曲轴固连的齿轮盘，垂直齿轮盘中心线并正对齿轮顶面；润滑油金属颗粒传感器、润滑油流量传感器、润滑油温/湿度传感器均安装于高压滤清器前的润滑油管路中；

振动传感器、键相传感器、瞬时转速传感器与气缸动态压力传感器的原始模拟量信号通过监测信号电缆进入整周期采集模块，以键相传感器采集到的脉冲信号为基础，完成振动传感器、瞬时转速传感器与气缸动态压力传感器信号的整周期采集；

润滑油金属颗粒传感器、润滑油流量传感器、润滑油温/湿度传感器信号与柴油机运行周期无关，通过监测信号电缆进入非整周期采集模块，完成信号采集；

整周期采集模块与非整周期采集模块通过网络设备与数据服务器连接。

附图说明

图1是某12缸柴油机故障预警装置测点布置图；

图2是柴油机故障预警装置硬件架构图；

图3是基于键相信号的整周期采集原理图。

具体实施方式

以某型号四冲程V型12缸柴油机为例，详细介绍本专利的具体实施方式；

该12缸柴油机缸号分别标记为A1、A2、A3、A4、A5、A6、B1、B2、B3、B4、B5、B6，如图1所示，在每个缸缸盖上安装振动传感器，传感器安装方向平行于活塞运动方向，即垂直于活塞上表面和缸盖的下表面；缸盖振动测点分别为VA1、VA2、VA3、VA4、VA5、VA6、VB1、VB2、VB3、VB4、VB5、VB6；上述的安装方式可有效保证缸盖振动传感器采集到缸内点火、缸盖气门开闭的冲击信号，因为缸内的点火冲击与气门开闭冲击均直接作用于气缸盖下表面，平行于活塞运动的方向；但是若缸盖振动传感器安装到机体上，即使是平行于活塞运动方向，仍不能有效监测缸内点火和气门的冲击，这是因为气缸内的点火冲击传递到机体需要经过缸套，而缸套与机体之间有间隙，信号传递将受到严重影响；而气门冲击则需要通过缸盖-紧固螺栓-机体，这样的传递路径，信号也会大幅衰减，这是根据实测信号特征总结获得的特征。

机组每个气缸上有示功孔，因此在每个气缸上安装动态压力传感器，监测气缸内的压力信号，测点分别是PA1、PA2、PA3、PA4、PA5、PA6、PB1、PB2、PB3、PB4、PB5、PB6；

在曲轴箱两侧安装2个振动传感器，监测曲轴箱壳体振动，传感器在曲轴箱两侧均匀布置，垂直于曲轴中心线并与曲轴中心线保持同一高度，测点分别为VA7、VB7，这样的安装方式可使传感器安装位置尽可能考经曲轴，因为能够较好的采集机体的振动信号；

在2个涡轮增压器上安装2个振动传感器，监测涡轮增压器壳体振动，测点分别为VW1、VW2，在柴油机支撑底座上安装4个振动传感器，监测底座振动，测点分别为VD1、VD2、VD3、VD4，在柴油机自由端齿轮箱壳体上安装振动传感器，测点分别为VG1、VG2、VG3、VG4；齿轮箱的振动测点分为平行曲轴安装与垂直曲轴安装，这是因为齿轮箱壁薄，齿轮与齿轮箱无直接连接，信号传递需要经过齿轮轴承、机体、齿轮箱的传递路径，分为两个方向的安装方式可有效采集齿轮箱上振动信号，捕捉齿轮故障特征。

在柴油机输出端齿轮盘径向上安装瞬时转速传感器S1，瞬时转速传感器针对轮齿，齿轮盘与柴油机曲轴固连；在柴油机自由端轮盘上粘贴键相块，并安装键相传感器Key，使键相传感器在柴油机第一个点火缸活塞位于上止点时，键相传感器与粘贴的键相块处于正对位置；键相传感器的安装方式充分考虑了机组的结构空间，不易存在结构干扰，同时，键相传感器监测到了曲轴转动信号，曲轴每转2周，柴油机各缸完成点火一次，因此，键相传感器每采集到2个脉冲信号，证明柴油机经过了一个工作循环，因为键相信号为整周期采集模块的数据采集奠定了基础。

此外，将润滑油金属颗粒传感器、润滑油流量传感器、润滑油温/湿度传感器安装于高压滤清器前的润滑油管路中，监测润滑油管路中的油品参数；需指出，上述油品参数与振动、瞬时转速、缸内压力信号不同，这些参数的变化与柴油机工作循环没有明显的关联性，因此进入非整周期采集模块，可降低信号采集的处理难度和复杂度，提高效率。

如图2所示，柴油机故障预警装置各类传感器输出信号到整周期采集模块与非整周期采集模块，完成数据采集、处理与特征提取，整周期采集模块与非整周期采集模块安装于箱体内，挂于柴油机旁。振动传感器、键相传感器、瞬时转速传感器与气缸动态压力传感器的原始模拟量信号与机组整周期工作是紧密关联的，需要进行整周期数据采集，因此上述传感器通过监测信号电缆进入整周期采集模块，以键相传感器采集到的脉冲信号为基础，完成振动传感器、瞬时转速传感器与气缸动态压力传感器信号的整周期采集；

润滑油金属颗粒传感器、润滑油流量传感器、润滑油温/湿度传感器信号与柴油机运行周期无关，通过监测信号电缆进入非整周期采集模块，完成信号采集。

箱体内安装有路由器，数据服务器则安装与箱体外，远离传感器的位置，因为数据服务器对振动、温度等环境要求高，一种典型的数据服务器是CPCI计算机。数据服务器通过路由器与柴油机自有控制系统连接，柴油机自有控制系统与数据服务器进行数据通讯，向数据服务器发送柴油机进排气温度、冷却水温度等热工参数信号，数据服务器向柴油机自有控制系统上传报警信号。两种数据采集模块通过路由器将采集处理后的各类信号上传至数据服务器。

根据如图3所示的要求，本台柴油机为四冲程柴油机，且键相信号安装于与曲轴固连的自由端轮盘上，因此三个键相脉冲之间的信号对应柴油机曲轴旋转两圈，即四个冲程，因此利用连续3个键相脉冲信号进行整周期采集。