某柴油机异常敲击故障分析

目前大型柴油机故障诊断主要利用各种在线采集的热工参数，由于柴油机故障类型多、故障原因多样，有时也需要采用离线传感器采集其他参数进行辅助判断。便携式振动采集器和传感器尺寸小、重量轻、携带方便，可以发现的故障类型多，在柴油机离线故障诊断中使用广泛。柴油机运转时不可避免会产生较大的振动，这是由其结构特点和工作性质决定的。柴油机结构复杂，故障产生的原因有时模糊不清；柴油机振动激励源多，传递路径复杂，柴油机各类故障所对应的振动频率较难确定。目前振动监测主要用于对柴油机燃烧过程和部分运动部件的监测和故障诊断，如敲缸、失火及配气机构的故障等。现有柴油机故障的振动诊断主要是利用振动信号的时域和频域信息来监测机器的运转状况，实际上是一种模式识别的分类过程，但这些信息也同时受柴油机转速、负荷、结构振动特性的影响。因此，使用振动监测技术诊断柴油机故障，需要根据不同的故障原因采集不同类型的参数。例如对于异常声响故障诊断，高频振动加速度的波形和频谱有更好的效果。

1 故障现象

某船主机是低速二冲程柴油机，主机转速为101 r/min 时，2#气缸附近存在明显的、有规律的敲击声。对1#、2#、3#气缸振动信号进行了测量和分析。如果敲击响应的频率较高，主要测量振动加速度信号，以突出高频响应，力求能在时域信号中直接看出间断性的冲击信号。但是有时这种间断性的冲击可能会被其它信号掩盖，所以应设定合适的滤波频率和分析频率。如果敲击响应的频率在中低频，则主要测量振动速度信号。如果不了解敲击响应的大致频率特性，就要不断改变滤波频率和分析频率多次测量，直到在时域波形中直接看到冲击响应。敲击声是否具有规律性对故障诊断也十分重要，对于规律性敲击，要分析敲击出现的频率，这个频率可用于故障判断和定位。敲击声频率较高，高频信号在结构中衰减快，因此测量范围控制在敲击声比较大的点附近即可（对中低频振动问题不适用）。由于这种高频振动没有评价标准，相对分析（不同时间或者不同工况）和类比分析（不同设备或者不同测点）是重要的分析手段。

2 振动信号测量和分析

使用VIBEXPERTⅡ振动分析仪对该柴油机进行了振动测量。为了检查敲击响应信号的重复性，采样时间长度要足够。本例中设定采样时间长度为5 s，柴油机在5 s 内平均发火8.5 次。为了分析加速度信号，采样频率要足够高，设定采样频率为32 768 Hz。频率下限选10 Hz，尽量减少低频干扰。敲击声具有间断性，对敲击响应进行分析时，时域信号比频域信号更有优势，因此重点对振动加速度波形进行分析。

2#缸为疑似故障缸，主机2#缸缸盖横向振动加速度波形如图1 所示。主机1#缸缸盖横向振动加速度波形如图2 所示，主机3#缸缸盖横向振动加速度波形如图3 所示。由图1 知，2#缸缸盖存在明显异常的冲击信号，由于高频冲击信号在结构中传递时会很快衰减，冲击响应最大的点离振源更近。1#缸缸盖和3#缸缸盖的冲击明显比2#缸缸盖小。因此问题肯定出在2#缸，与听到的异常敲击声位置对应。

图1 主机2#缸缸盖横向振动加速度波形

图2 主机1#缸缸盖横向振动加速度波形

图3 主机3#缸缸盖横向振动加速度波形

主机2#缸缸盖横向振动加速度冲击解调谱如图4 所示，冲击每秒出现1.7 次，与转频1.7 Hz 一致，对应于该柴油机单缸发火频率。缸盖振动信号存在多个冲击源，如燃烧冲击、气阀冲击。这种敲击声一般是燃烧冲击或者气阀敲击造成的。由图1知，每个工作循环存在2个明显大的冲击信号，最大的在后，次大的在前。较小的冲击幅值虽小，但是持续时间相对长，应该是燃烧冲击。最大冲击持续时间相对短，且时间顺序在后，应该是排气阀敲击。

图4 主机2#缸缸盖横向振动加速度冲击解调谱

该柴油机是低速二冲程柴油机，带有液压驱动排气阀，该排气阀的液压驱动系统发生故障的概率也较高。一旦液压排气阀出现故障，会造成气阀不能及时启闭，影响柴油机的工作特性，建议检查2#缸排气阀及其液压驱动系统。检查结果表明2#缸排气阀控制油路存在问题，修理后敲击声消失。

3 结束语

1）柴油机中冲击源较多，其中燃烧冲击和气阀敲击在缸盖处响应较大。缸盖刚度较大，因此冲击响应中高频振动加速度较大，且频率分布较广。因此分析缸盖处的振动时，必须采集高频加速度时域波形并进行详细分析。

2）虽然柴油机缸盖冲击源主要是燃烧冲击和气阀敲击，但是不同柴油机的敲击响应波形特点和出现的规律都不相同，特别是二冲程和四冲程柴油机明显不同。要详细了解被测设备的详细结构和工作原理，才能更精准分析故障原因。