大功率船用柴油機振動傳感器位置研究范文

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摘要：通過對某大功率船用柴油機原設(shè)計模型的簡化，運用模態(tài)分析方法提取了缸蓋的前10階固有頻率和振型。考慮了缸蓋固有頻率與柴油機激勵頻率的相關(guān)性，為傳感器的位置優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：柴油機；模態(tài)分析；傳感器

0引言

當部件之間的磨損間隙過大時，柴油機的機械性能和振動都會發(fā)生變化。因此，通過對關(guān)鍵部件振動現(xiàn)象的監(jiān)測和振動信號的分析，可以了解被測對象的內(nèi)部運行狀態(tài)，從而提高柴油機的振動性能。麻省理工學(xué)院的R．H．Lyon教授做了大量的基礎(chǔ)理論研究。日本的T．Katagi和R．Kimura利用振動和聲音信號診斷船用柴油機故障。華中科技大學(xué)、武漢理工大學(xué)、西南交通大學(xué)、海軍工程大學(xué)等高校也在這方面做了諸多研究工作，取得了豐富成果[1]。振動監(jiān)測方法可用于柴油機氣門機構(gòu)、增壓器和活塞缸套的故障診斷。柴油機振動信號故障診斷的關(guān)鍵工作，是分析缸蓋或缸體振動信號，提取柴油機燃燒激振力和排氣門座響應(yīng)的頻率特性[2]。

1傳感器優(yōu)化配置方法

傳感器需要能夠感知高度結(jié)構(gòu)化的機械狀態(tài)，即振動系統(tǒng)的位移、速度和加速度，如直接轉(zhuǎn)換為電信號，直接反映振動的實時狀態(tài)，必須具有足夠的可靠性和靈敏性。振動信息的快速準確獲取。此外，傳感器的尺寸小而薄，與原有的結(jié)構(gòu)材料很好地結(jié)合。它不影響結(jié)構(gòu)的形狀。該傳感器具有覆蓋范圍廣、頻響寬、外部干擾小的特點。可在結(jié)構(gòu)的溫濕度范圍內(nèi)正常工作，與其他電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)兼容。

1.1傳感器優(yōu)化配置準則

目前，在傳感器優(yōu)化配置標準中，提出了多種傳感器優(yōu)化布置準則，包括可控性/可觀性準則、系統(tǒng)能量準則、系統(tǒng)響應(yīng)準則、可靠性準則、控制溢出/觀測溢出準則等[4]。以下是基于系統(tǒng)能量準則的相關(guān)說明。①閉環(huán)模態(tài)能量耗散系數(shù)是用來評估活動中引入模態(tài)阻尼的相對大小的結(jié)構(gòu)減振控制，建立多目標優(yōu)化問題，并研究活性成分的最佳配置。②從有效衰減能量，李雅普諾夫第二方法用于確定目標函數(shù)，優(yōu)化激勵器和傳感器的結(jié)構(gòu)，及柔性結(jié)構(gòu)的振動控制。③主動件和被動阻尼器的最優(yōu)配置基于輸出速度反饋進行了研究。④在獨立模態(tài)空間控制方法，以系統(tǒng)的能源消耗為目標函數(shù)，得出的結(jié)論是，消耗的能量系統(tǒng)是獨立于執(zhí)行機構(gòu)的安排。⑤使用速度反饋，提出了一種基于系統(tǒng)耗散能量的優(yōu)化布置準則。⑥以系統(tǒng)耗散能積分為目標函數(shù)，求解最優(yōu)傳感器布置問題。考慮系統(tǒng)的總能量，比如控制力引起的陀螺效應(yīng)，更能反映實際情況。當能量相關(guān)準則用于同時優(yōu)化傳感器位置時，往往與系統(tǒng)的初始狀態(tài)有關(guān)。假設(shè)結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊載荷，系統(tǒng)的初始狀態(tài)所產(chǎn)生的反應(yīng)也可以被假定為一個單位球面上均勻分布隨機變量，然后跟蹤進行消除的影響目標函數(shù)的初始狀態(tài)。

1.2傳感器優(yōu)化配置計算方法

傳感器通常部署在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和有限元分析的表面節(jié)點上。這屬于組合優(yōu)化問題，即整數(shù)規(guī)劃問題。假設(shè)m個致動器或傳感器需要部署在n個可選位置。如果我們使用窮舉方法，我們需要次函數(shù)。當n和m較大時，用窮舉法求解它們需要較多的時間。考慮控制增益，包括連續(xù)變量和離散變量。目前，沒有一種很好的方法來解決這一問題。由于組合優(yōu)化的困難，其求解一直是熱門領(lǐng)域。目前，各種有效方法被提出，需根據(jù)具體情況加以使用。

1.2.1非線性規(guī)劃優(yōu)化方法

對于形狀規(guī)則的梁和板，可以得到模態(tài)和固有頻率的表達式。此時，傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題可以通過擬牛頓法和遞推二次規(guī)劃法等非線性規(guī)劃方法直接求解。對于一些復(fù)雜的傳感器配置問題，可通過將離散變量轉(zhuǎn)換為連續(xù)變量進行求解[3]。如果目標函數(shù)是一個具有小變量的線性函數(shù)，這種方法是非常有效的。這些方法和非線性規(guī)劃優(yōu)化方法比較成熟，但它們需要利用目標函數(shù)的梯度，往往在局部最優(yōu)解。此外，優(yōu)化方法的結(jié)果還需修改，有限元模型對應(yīng)的節(jié)點將使原解不可用。

1.2.2序列法

它可以分為累積法和逐步消除法。基本方法是將最佳配置從剩余的可選位置添加到最佳配置，直到達到所需的數(shù)量為止。與累積方法相比，逐步消除方法從傳感器的剩余可選位置移除最小或最小貢獻位置中的一個或多個，直到僅保留所需數(shù)量的可選位置為止。

1.2.3推斷算法

該方法首先任意選擇N個位置，然后每次從N個位置中移除一個位置，以最小化目標函數(shù)的變化，然后從其他Np-N位置中添加另一個位置。如果目標函數(shù)升高，則保持該位置。重復(fù)這個過程直到收斂，其中Np是可選位置。

1.2.4隨機類方法

隨機方法與推理方法相似，但其位置位移方法是概率性的，不屬于局部極小值。隨機方法分為模擬退火算法和遺傳算法。根據(jù)統(tǒng)計力學(xué)和熱力學(xué)，衍生了退火算法。首先，將其應(yīng)用于組合優(yōu)化問題的求解。從理論上證明了模擬退火算法可以收斂到全局最優(yōu)解。關(guān)鍵工作是初始溫度、退火速度等數(shù)據(jù)。由于這些參數(shù)因具體問題而異，難以合理選擇這些參數(shù)，導(dǎo)致搜索效率無法控制，導(dǎo)致搜索時間過長。根據(jù)達爾文的生物進化論，衍生了遺傳算法。它模擬了自然界的“適者生存”方式。基本思想是在遺傳計算的過程中。高體質(zhì)個體的基因是遺傳的，低體質(zhì)個體的基因是逐漸消失的。雖然遺傳算法已經(jīng)被應(yīng)用于組合優(yōu)化，但它只是一個簡單的生物進化系統(tǒng)的近似模擬，遺傳算法本身還需要進一步的研究。由于隨機方法不必使用局部最優(yōu)解，在求解組合優(yōu)化問題中應(yīng)用較廣。

1.3現(xiàn)有方法中的不足

控制性、可觀性準則較早被采用，并在現(xiàn)有的執(zhí)行機構(gòu)優(yōu)化配置準則中得到了充分的研究。此外，它的幾何意義和物理意義是清楚的。但僅考慮控制系統(tǒng)的設(shè)計，效果并不理想。在優(yōu)化配置計算方面，現(xiàn)有方法效率低下，甚至不能解決一些復(fù)雜的問題。因此，其計算方法仍是該類問題的主要方法。

2缸蓋振動傳感器位置優(yōu)化

對大功率船用柴油機的初步設(shè)計模型進行了適當?shù)暮喕ㄟ^模態(tài)分析，提取了缸蓋的前10階固有頻率和振動模態(tài)。考慮到柴油機缸蓋固有振動頻率與激勵頻率的相關(guān)性，為傳感器的位置優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

3總結(jié)

優(yōu)化傳感器位置可以有效地提取柴油機表面各個測量點的振動信號并進行狀態(tài)監(jiān)測。進排氣門間隙異常、排氣門泄漏、活塞缸套磨損、主軸承磨損等故障診斷可在各種工況下進行。另外，柴油機的故障診斷也可以在其他檢查點進行。比如對活塞缸套發(fā)生的敲、拉缸失效、活塞銷和連桿銅套異常、連桿軸承磨損失效、連桿螺栓松動等關(guān)鍵部件進行了監(jiān)測與診斷。因此，通過建立各測量點的振動特征值數(shù)據(jù)庫，進行趨勢分析和預(yù)測，并通過適當?shù)恼駝咏＃梢詰?yīng)用于不同柴油機的運行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。

參考文獻：

[1]張立元，廖華新.柴油機振動信號特征提取與故障診斷[J].內(nèi)燃機與配件，2017（07）：100-101.

[2]張玲玲，楊青樂，楊萬成，賈繼德，張光陽，張海峰.柴油機振動信號非平穩(wěn)周期特征的極坐標增強研究[J].內(nèi)燃機工程，2014，35（05）：33-37，45.

[3]常麗，杜憲峰.柴油機機體結(jié)構(gòu)振動信號特征參數(shù)計算分析[J].內(nèi)燃機工程，2015，36（03）：113-116.

[4]董安，潘宏俠.柴油機振動信號的分形特征及故障診斷[J].噪聲與振動控制，2014，34（02）：144-147.

作者:徐琛 吳超 劉利軍 王玉寶 單位:海軍駐滬東中華造船(集團)有限公司代表室