基于瞬时转速的内燃机模糊神经网络故障诊断方法的研究

作者:徐向荣 刊名:南通航运职业技术学院学报 上传者:叶茂

【摘要】文章研究了基于瞬时转速波形分类的内燃机故障诊断方法,从瞬时转速波形中定义了3种用于诊断的波形特征参数,提出了用模糊理论对内燃机瞬时转速波形识别的故障诊断方法,并进行了大量的实验研究与分析。实验表明该方法对内燃机故障诊断是一种较为有效的方法。

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0引言内燃机是一种在各个领域都有着广泛应用的重要动力设备。作为一种复杂的往复式运动机械,加之工作条件往往十分恶劣,从而导致其经常出现故障。众所周知,内燃机出现故障所造成的后果往往是十分严重的,不仅在经济上造成重大损失,甚至危及人身安全。所有这些都使得内燃机故障诊断的研究工作显得越来越重要。为提高其安全性和可靠性,本文通过一些实验数据对基于瞬时转速的模糊故障诊断方法进行了探讨。文中采用了模糊理论的神经网络法,分为模糊BP网络和模糊径向基神经网络(RBFN)。通过比较,从而寻求一种较为有效的故障诊断方法。由气体压力和往复惯性力所形成的扭矩分别为:1内燃机瞬时转速模型1.1内燃机转速信号概述内燃机瞬时转速是指某一微小的时间间隔内曲轴转角的平均转速。对于多缸机而言,各缸按照进气、压缩、爆发、排气的工作循环工作,作用在曲轴上的扭矩呈周期变化,这就使得内燃机的瞬时转速也处于周期有规律的变化之中。对于一个各缸发火均匀的N缸内燃机而言,在一个工作循环中,扭矩与转速会有N次明显的波动。而当内燃机的某些零部件或系统发生故障或技术状况发生改变时,瞬时转速的变化规律也会相应的发生变化。所以,通过对内燃机瞬时转速变化规律的研究,可以分析发动机的运行状况,判断内燃机的性能以及故障诊断。与直接测量气缸压力、示功图、振声信号以及油液分析等方法相比较,瞬时转速信号的测取非常方便,且无需破坏内燃机的结构,具有代价低廉和工程实用性强等特点。[1]1.2内燃机瞬时转速变化模型分析作用于活塞式柴油机运动部件上的力主要包括气体压力、活塞组件的惯性力以及摩擦力。若忽略摩擦力的影响,气体压力和惯性力合成为作用于活塞上的净力,最后作用的结果是由连杆传递为曲柄上的回转力,如图1所示。根据几何关系以及力的合成原理,最后可以得到惯性力:(1)式中,M为活塞往复部件的质量;为曲轴的回转角速度。(coscos2)lrF=Mr+,,(3)从式3中可以看出柴油机的气压扭矩和压力与曲轴转角与回转速度有关。所以,通过对瞬时转速的测量和分析,可以推演出发动机各气缸的气体压力和气压扭矩及其变化波形。为了更好地了解各气缸的气体压力和气压扭矩的关系,我们可以把一台柴油机可以看作是一个单输入输出系统[2],其模型如图2所示:图1曲柄连杆机构基本力学原理图图2内燃机瞬时转速诊断系统模型图中输入Pi为气缸压力,输出为曲轴的角速度以及角加速度,Ti为气缸压力扭矩,Tr为往复惯性力矩,Tfp为阻力矩(摩擦力矩与负载力矩),Te为净输出力矩,可利用实验所用的柴油机结构参数计算得到:(4)1.3瞬时转速与气缸压力及扭矩的关系一台柴油机装置是一多质量系统,为便于讨论,现将其简化为如图3所示的四质量系统的简化模型。图3内燃机简化模型首先建立系统的运动方程,根据运动方程重建发动机的扭矩图,再将惯性矩去掉,即可得到气体压力波形,最后根据气体压力波形和内燃机参数,通过公式即可计算出扭矩。将以上各式代入运动方程,以矩阵的形式可表示为:(5)其中,为运动方程的系统矩阵;为角位移幅值矢量;为外力矩阵。作用于曲轴上的净扭矩Te为气缸压力扭矩Ti、往复惯性力矩Tr和摩擦力阻力矩之和Tfp,即有:{}{T}{R}{}={T}f(){R}(6)其中,可通过经验公式辅以实验修正得到;可由转速求得;可通过下式计算得到:(7)其中,为内燃机的等效质量。这样,气缸压力扭矩即可通过下式求得:(8)通过以上的讨论,可以得出这样的结论:瞬时转速、气缸压力扭矩及气缸压力三者之间有着明确的数值关系。将瞬时转速作为系统的输出,推出系统的响应函数,即可求解气缸压力和气压扭矩。可见

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