基于声发射分析的替代燃料柴油机摩擦磨损诊断研究

To meet the requirment of real-time measurements in developing alternative fuels, new lubrication methods and fault diagnosis techniques for internal combustion engines, this research will focus on undestanding the tribological behaviour of internal combustion engines based on acoustic emission (AE) data analysis. It will develop a comprhnsive lubrication model to simulate different lubrication processes including boudery lubrication, adhesive were and lubricant cavitaion for the core componets of piston and cylinder assembly and to understand characteristics of these potetial AE sources under different lubrication and eingine operating conditions. In the meantime, a new signal processing technique based on wavelet adaptation of parrelle short time local waves will be investigated to fusion model predition for extracting piston-bore wear AE components from compound surface AE signals.The wear AE components is then used to develop a quantative diagnostic meathod for estimation both piston-bore wear and friction losses in real time.This research will pave the way for developing systems for engine real-time friction and wear detection and diagnosis.

为满足内燃机新型清洁燃料、摩擦损失减少、故障监测研发和应用中对摩擦磨损实时精确监测的要求，本课题将基于声发射信号的分析来开展对内燃机摩擦学行为的研究。首先通过建立一个全面的润滑模型来仿真内燃机活塞-缸套润滑过程,着重研究由边界润滑，润滑油物化因素，活塞侧击和润滑油气蚀所导致的摩擦磨损及其声发射机理。然后通过表面声发射信号的分析来验证和完善这一模型。柴油机表面声发射的信号是众多激励源响应的综合，相互干扰，为此本课题同时开展对处理非平稳时变冲击信号的并行短时局域波自适应小波分析的理论研究，以融合模型预测结果,提取确定表征摩擦磨损的声发射信号和特征参数。建立基于声发射的定量表达柴油机缸套摩擦磨损和功率损失的诊断方法，为实时精确诊断和监测内燃机摩擦磨损系统的开发提供理论支撑和技术保证。

为满足内燃机新型清洁燃料、减摩增效、故障监测技术研发和应用中对摩擦磨损实时精确监测的要求，项目基于理论建模与声发射信号分析，对内燃机摩擦动力学行为就以下五方面进行深入研究：.（1）改进了活塞环-缸套摩擦润滑模型。将缸套表面高频动态变形的耦合作用引入润滑建模，项目对润滑摩擦过程开展了仿真研究，明确了微凸体摩擦动态行为随着流体动压润滑效应的减小而增大，而粘滞摩擦动态行为随着流体动压润滑效应的增大而增大。揭示了超声高频振动可以改善粘滞摩擦动态行为，从而为内燃机减摩增效优化设计提供了新的途径与理论依据。.（2）建立了两种基本的润滑摩擦声发射分析模型：微凸体-微凸体碰撞分析模型和油液-微凸体交互作用分析模型，首次阐释了边界、混合和动压润滑过程中所产生声发射应为连续稳定的局域波，其幅值取决于速度和粘度，受压力的影响较小；在诸如润滑油品质恶化，不完全燃烧，润滑表面异常等情况下，该局域波将呈现非稳态特性。.（3）搭建了多功能单缸柴油机试验系统，能够有效地进行不同润滑油品、不同燃料、缸套高频激励和不同运行工况（包括倒拖试验）条件下的试验研究，准确地测试发动机运行参数，包括摩擦损耗、缸内压力、结构振动、缸体和缸套的声发射响应。从而为所建润滑摩擦模型和声发射机理模型的验证与完善，以及声发射信号特征的全面准确分析提供了准确可靠的数据。.（4）开发了基于小波分析的局域波分离算法。通过研究各种阈值去噪算法，提出了基于活塞运动速度的自适应阈值局域波分离算法，从强非稳态背景噪声中将润滑摩擦所产生的微弱局域声发射信号有效的分离出来，并将其分解为局域稳态波和局域非稳态波，以有效地表征动压润滑过程中正常摩擦损耗和异常磨损状态。.（5）评估了摩擦润滑状态。利用局域稳态波和局域非稳态波的幅值变化特性对替代燃料、润滑油品、润滑油恶化、润滑条件等因素引起的内燃机活塞-缸体组件摩擦磨损状态的变化进行了有效监测与早期故障诊断。