基于振动和油液信息的发动机状态监测和故障诊断方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及发动机故障诊断方法领域，尤其涉及一种基于振动和油液信息融合的 发动机状态监测和故障诊断方法
【背景技术】
[0002] 对于机械设备而言，发动机是一种重要的动力机械，也是机械设备的核心动力组 成部分。现有技术中公开的发动机故障诊断的方法主要以振动信息诊断、油液信息诊断、状 态参数诊断、声发射信息诊断为主。其中基于单一振动信息和油液信息诊断应用最广泛。仅 凭单一信息是不能完整反映发动机的运行状态的。目前基于振动和油液信息融合的发动机 故障诊断已有一定研究，但目前鲜有关于融合振动信息、油品信息和油液铁谱信息的发动 机故障诊断方法。
[0003] 公开于该【背景技术】部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应 当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种发动机状态监测方法，其结合了发动机的振动信息和 油液信息来判断发动机是否发生故障，从而克服了现有技术中采用单一信息为主而导致的 监测准确率不高的缺点。
[0005] 本发明的另一目的在于提供一种发动机故障诊断方法，其能够在发动机发生故障 的前提下结合油液和振动信息而准确查明发生故障的具体部件或具体原因。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种基于振动和油液信息的发动机状态监测方 法，其特征在于，包括以下步骤：提取发动机的振动特征参数；提取发动机的油品特征参 数；以及发动机的运行状态综合评价，其包括：建立评价集：将发动机运行状态分为4个等 级，即良好、正常、故障、警告；建立因素集：确定一级因素集和二级因素集，根据所述一级 和二级因素集中的元素的重要程度来分配相应的权重系数，所述一级因素集为油品和振动 两个元素构成的因素集，所述二级因素集为油品的理化指标数据构成的油品子集和发动机 的振动数据构成的振动子集；确定隶属度函数：对于所述振动子集和油品子集中的各个元 素进行单因素评判，建立隶属度函数；确定评判矩阵：由上述隶属度函数确定所述一级因 素集和二级因素集中的各个元素对所述评价集的隶属度，确定油品因素和振动因素的评判 矩阵，根据模糊推理合成规则，结合所述振动子集和油品子集的权重求得二级因素评判矩 阵；以及综合所述油品子集和振动子集评判形成运行状态综合评判矩阵，并结合所述一级 因素集中的元素所占的权重，选择合适的模糊运算模型计算，得到综合评判结果，从而判断 发动机运行状态。
[0007] 优选地，上述技术方案中，所述提取发动机的振动特征参数的步骤包括：将发动机 振动监测试验测试点选在缸盖上端平面和机身侧部靠近曲轴处，并选择两个测点，将测点 一布置在缸盖上端面，将测点二布置在机身侧部靠近曲轴处。
[0008] 优选地，上述技术方案中，所述油品的理化指标构成的油品子集中的元素包括：粘 度劣化率、机械杂质劣化率、水分劣化率和酸值劣化率。
[0009] 优选地，上述技术方案中，所述提取发动机的振动特征参数和提取发动机的油品 特征参数采用线上模式，振动传感器和油品传感器的信号通过串口发出，然后通过无线模 块将信息发送至网络服务器。将客户端接入到网络服务器，达到信息接收和反馈的及时性。 [0010] 在本发明的另一方面中，提供了一种基于振动和油液信息的发动机故障诊断方 法，包括以下步骤：执行如上所述的基于振动和油液信息的发动机状态监测方法；以及如 果判定发动机的运行状态为故障或者警告，则继续执行以下步骤：发动机机油铁谱信息特 征参数的提取，获得润滑油铁谱信息；建立发动机的振动一磨损混合故障树和主轴承的振 动一磨损混合故障树，得到发动机振动一磨损混合故障树的最小割集；根据上述混合故障 树的最小割集建立模糊诊断故障集；建立发动机综合故障征兆集合；由隶属函数得到发动 机油液铁谱和振动故障征兆与振动原因之间的模糊关系，即得出每一个故障征兆对每个故 障原因的隶属度，由此得到发动机单个故障征兆对各故障因素隶属度组成的单故障征兆模 糊子集；将发动机油液故障征兆和振动故障征兆的隶属度模糊子集组合成矩阵形式，得到 发动机故障集与综合征兆集的模糊关系矩阵，即为发动机模糊综合诊断矩阵；以及根据模 糊推理合成规则，由综合征兆集，模糊算子和模糊诊断矩阵，得到综合评判模型。
[0011] 优选地，上述技术方案中，在所述发动机综合故障征兆集合中，包括m个参数，前i 种故障征兆为振动参数征兆，选择对振动信号比较敏感的统计参数作为故障特征；而故障 征兆集中其余的故障征兆为油液铁谱参数征兆，根据数据的特点以及对参数进行灵敏度分 析，选择对磨粒敏感的故障特征参数。
[0012] 优选地，上述技术方案中，所述对震动信号比较敏感的统计参数包括幅值、均值、 均方值、峭度、偏度和功率谱。
[0013] 优选地，上述技术方案中，所述对磨粒敏感的故障特征参数包括磨粒数、小磨粒 数、磨损严重指数和各种磨粒的磨损状态。
[0014] 优选地，上述技术方案中，所述提取发动机的振动特征参数和提取发动机的油品 特征参数采用线上模式，振动传感器和油品传感器的信号通过串口发出，然后通过无线模 块将信息发送至网络服务器。将客户端接入到网络服务器，达到信息接收和反馈的及时性。
[0015] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：其能够结合振动和油液信息准确判 断发动机是否处于正常工作状态，并且在发动机出现故障的情况下，可以根据振动和油液 信息迅速查明发动机的故障原因。此外，可以随时随地利用手机客户端或电脑客户端监测 发动机油品和振动相关信息。达到信息反馈的及时性。
【附图说明】
[0016] 图1是根据本发明实施例的基于振动和油液信息融合的发动机状态监测和故障 诊断方法的流程图。
[0017] 图2A和图2B分别是根据本发明实施例的柴油机在空载转速800r/min的测点一 的振动信号时域信号图和频域图信号图。
[0018] 图3A和图3B分别是根据本发明实施例的柴油机在在空载转速800r/min下的测 点二的振动信号时域信号图和频域图信号图。
[0019] 图4A和图4B分别是根据本发明实施例的柴油机在空载转速1200r/min的测点一 的振动信号时域信号图和频域图信号图。
[0020] 图5A和图5B分别是根据本发明实施例的柴油机在在空载转速1200r/min下的测 点二的振动信号时域信号图和频域图信号图。
[0021] 图6A和图6B分别是根据本发明实施例的柴油机在空载转速1500r/min的测点一 的振动信号时域信号图和频域图信号图。
[0022] 图7A和图7B分别是根据本发明实施例的柴油机在在空载转速1500r/min下的测 点二的振动信号时域信号图和频域图信号图。
[0023] 图8是根据本发明的采用油液斑点法对采集的4个油液样本进行斑点试验得到各 样本油液斑点图。
[0024] 图9是根据本发明的发动机振动一磨损混合故障树的示意图。
[0025] 图10是根据本发明的主轴承的振动一磨损混合故障树的示意图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】进行详细描述，但应当理解本发明的保 护范围并不受【具体实施方式】的限制。
[0027] 除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语"包括"或其变 换如"包含"或"包括有"等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它 元件或其它组成部分。
[0028] 本发明选用了玉柴公司生产的4D20柴油发动机为研究对象，其他发动机故障检 测与其相似。本发明对发动机综合诊断流程分成一级状态评价模型和二级故障诊断模型， 其流程图如图1所示。一级状态评价模型的主要目的是综合判断发动机的运行状态；二级 故障诊断模型的主要目的是对发动机进行故障诊断。
[0029] 一 ·发动机状态监测
[0030] 第一步，提取发动机振动特征参数：
[0031] (1)连接设备，布置测点：连接好各设备，包括传感器布置和MDR采集系统的连接 等。将发动机振动监测试验测试点选定在缸盖上端平面和机身侧部靠近曲轴处，将传感器 测点一布置在缸盖上端面，将测点二布置在机身侧部靠近曲轴处。
[0032] (2)测取不同速度振动数据：根据采样定理，选定传感器各通道采样频率和采样 时长。分别测取柴油机两个测点空载怠速、空载转速和空载转速，三种工况下的振动数据；
[0033] (3)选定样本，获取发动机振动特征参数：对三组振动数据进行时域和频域分析， 避免噪声等相关因素的影响。选取时域波形相对稳定工况下的振动参数作为试验样本数 据。按监测时间，采集η个样本。对该工况下测点振动信号的多次测量值计算各幅值与均 方根值，从而得到样本振动参数。
[0034] 第二步：提取发动机油品特征参数
[0035] (1