声发射法的船舶柴油机气阀故障诊断机理研究

以船舶柴油机气阀为研究对象，采用理论分析与试验相结合的方法，进行基于声发射的气阀故障诊断机理研究。根据缸盖和气阀几何尺寸、材料属性、边界条件和激励力特征建立缸盖声发射模型，研究气阀撞击-缸盖内应力-声发射的变化规律；计算分析气阀撞击力及其发生故障时的信号特征；对缸盖进行单独静态试验，验证激励大小和位置对声发射信号的影响，以修正声发射模型和验证理论分析的结论；在柴油机台架上进行气阀正常、气阀正时故障和气阀漏气故障对比试验，解决排气过程缸盖声发射信号的自动提取、传感器安装的位置和环境条件影响规律、声发射信号的滤波、标定和宽频信号特征提取等科学问题，为基于声发射的气阀故障诊断新方法奠定技术基础。

气阀组件是柴油机最重要的零部件之一，也是最容易发生故障的部件，随着柴油机强载度的提高，气阀的工作条件更为恶劣，发生故障的可能性更大。本课题研究了缸盖声发射信号产生机理以及声发射信号处理和模式识别技术。课题主要研究成果体现在：.（1）在声发射信号产生机理方面，进行了气阀落座力和气阀漏气激励缸盖声发射信号的特征。首先建立了基于多体动力学理论的配气机构动力学模型，仿真计算了不同气阀间隙下的气阀落座力、气阀落座力产生的声发射信号，理论计算表明，排气阀落座时会激励一个突发型声发射信号，缸盖某点测得的声发射信号正是由该信号在缸盖内传播而产生的纵波、横波、表面波等组成的；其次建立了气阀漏气时缸内气体冲击缸盖的流体力学模型，计算了不同气阀漏气程度下，气体对缸盖的激励力，仿真计算了该激励力产生的声发射信号，经试验验证表明在漏气状态下声发射信号的缸盖频率特征会发生明显变化，能量会向相对高频方向转移，这是气阀漏气声发射监测技术的基础。.（2）在试验研究方面，为了将气阀漏气激励源从其它众多激励源和干扰信号中分离出来，在柴油机停机状态下进行了向缸内充入压缩空气的静态试验，研究了只存在漏气激励作用下缸盖声发射信号的频率特性。试验结果表明气阀漏气会产生具有一定频带宽度的声发射应力波，漏气状态下的声发射信号频率特征由缸盖的结构和漏气的形式、大小决定，验证了声发射信号产生的机理仿真分析的结果；然后通过多种机型的故障模拟试验表明排气阀关闭时段声发射信号对应的角度可以有效反映配气机构的正时信息，燃烧时段内的高频能量可以有效反映反映排气阀漏气状态，验证了声发射对柴油机配气机构正时故障和气阀漏气故障的监测的可行性和有效性。.（3）通过对缸盖声发射信号进行小波分析和EMD分解，发现第1个IMF分量能量占总能量的比例变化可以有效提取气阀漏气信息，结合支持向量机模式识别技术，建立了能有效实现气阀漏气故障的分类的6维特征向量SVM模型诊断，在此基础上开发了一套可应用于实船的气阀漏气声发射监测系统（原理样机）。.课题研究发现了不同机型的缸盖声发射信号存在一定的差别，但通过信号分析处理技术提取故障特征参数的方法是一致，这为气阀漏气声发射监测技术的应用奠定了基础，达到了课题研究的预期目标。