基于建模仿真与振动分析的发动机故障诊断方法研究

论文摘要

汽车发动机结构越来越复杂，安装精度要求也越来越高。在不拆检的情况下，如何判断出故障的类型和位置，是目前研究的重点和难点。研究发动机故障时，往往需要测量故障状态下的相关参数变化情况，了解故障信息并提取故障特征，但是并不轻易具备收集各种故障信息的条件，而靠人为方法设置发动机故障，往往会导致发动机严重的损伤和破坏，试验成本很高，限制了发动机故障诊断的深入研究。针对发动机故障诊断技术研究存在的不足，首次通过建模仿真和实验对发动机整机进行典型故障机理、特征提取和诊断方法研究。利用有限元与多体动力学联合建模，计算结果更精确可靠；通过模型进行了多种类型的故障仿真，从激励力变化这一内在因素分析机体表面振动响应变化，深层次了解故障引起的机体异常振动成因和特性，通过模型正常状态和故障状态的机体表面振动信号变化趋势分析来提取故障特征,为发动机故障诊断研究提供一种新方法。利用多体动力学和有限元技术建立高质量标杆发动机仿真模型，通过相关参数设置，分别模拟发动机失火故障、气门间隙大、凸轮轴承松脱、活塞敲缸和主轴承磨损等故障，从机理上进行了分析，提取了相应故障特征，得到了相关实验验证。提出了应用小波包分解与解调方法来提取气门间隙过大和凸轮轴松脱故障的故障特征。利用发动机仿真模型进行了气门间隙大和凸轮轴承松脱的故障仿真分析，发现由于气门间隙增大，导致气门落座力、凸轮轴承力的增大，这些增大的冲击力使缸盖振动响应时域信号在一个工作循环内出现3个明显冲击，在频谱上激发起中高频频段内的显著振动能量。利用小波包分解到此特征频段后再解调，故障状态的解调谱中出现明显的1.5阶次成分；而对于凸轮轴松脱故障，用相同方法可得到故障状态下解调谱的0.5阶次的明显增大。从理论上说明了此种类型故障具有明显的中高频调制现象，为故障特征提取和故障诊断研究提供有力参考。通过仿真分析发现活塞敲缸故障会激发2500Hz以上高频段振动能量的加剧，提出故障状态与正常状态的小波包分解总能量比随转速变化趋势作为依据进行故障诊断的方法；通过对主轴承间隙过大造成主轴承反力的波动变化，解析了此类故障引起200~1000Hz中低频段振动能量增加的原因，为此类故障诊断研究提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 研究背景与意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 发动机故障诊断技术研究现状
• 1.3.2 基于模型仿真技术的研究现状
• 1.4 主要研究内容
• 第二章 基于多体动力学的发动机建模仿真分析
• 2.1 多柔体系统动力学分析
• 2.1.1 矩阵缩减
• 2.1.2 AVL-EXCITE 多体系统动力学
• 2.2 多体动力学仿真模型分析
• 2.2.1 有限元模型分析
• 2.2.2 有限元模型缩减
• 2.2.3 多体动力学模型构建与分析
• 2.2.4 激励力加载
• 2.3 仿真结果分析
• 2.3.1 转速波动
• 2.3.2 振动分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 发动机失火故障的机理研究、监测与特征提取
• 3.1 失火监测方法与试验分析
• 3.1.1 试验测试
• 3.1.2 小波分析在失火监测中的应用
• 3.2 单缸失火故障仿真与试验对比
• 3.2.1 失火故障设置
• 3.2.2 仿真结果分析
• 3.2.3 实车试验测试与结果分析
• 3.3 考虑多种激励力作用下的多种失火故障仿真分析与故障特征提取
• 3.3.1 仿真结果分析
• 3.3.2 实车试验测试与结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 配气机构典型故障的机理分析和基于小波包与解调的故障特征提取方法
• 4.1 配气机构仿真系统分析
• 4.1.1 配气机构模型建立
• 4.1.2 主要单元的处理和参数设定
• 4.1.3 仿真结果分析
• 4.1.4 激励力加载
• 4.2 气门间隙大故障仿真与故障特征提取
• 4.2.1 故障设置与仿真结果
• 4.2.2 时域与频谱分析
• 4.2.3 传递函数分析
• 4.2.4 基于小波包分解与解调的故障特征提取
• 4.3 凸轮轴承松脱故障仿真分析
• 4.3.1 故障设置与仿真结果
• 4.3.2 时域分析
• 4.3.3 频谱分析
• 4.4 发动机台架试验测试与结果分析
• 4.4.1 试验系统组成
• 4.4.2 故障设置
• 4.4.3 试验结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 活塞敲击故障机理与诊断方法研究
• 5.1 活塞敲击仿真模型
• 5.2 活塞敲击故障下的敲击力仿真结果分析
• 5.2.1 故障设置
• 5.2.2 敲击力加载
• 5.2.3 敲击力分析
• 5.3 活塞敲击故障的机体振动分析
• 5.3.1 有无活塞敲击激励的振动信号对比
• 5.3.2 传递函数分析
• 5.3.3 正常与活塞敲击故障的振动信号对比分析
• 5.4 活塞敲击故障诊断方法研究
• 5.4.1 小波包总能量比和相对能量值
• 5.4.2 基于小波包总能量比的活塞敲击故障分析
• 5.4.3 基于小波包分解相对能量值和神经网络的活塞敲击故障诊断
• 5.5 本章小结
• 第六章 主轴承磨损故障分析与诊断方法
• 6.1 液体动力滑动轴承分析理论
• 6.1.1 轴承油膜数学模型
• 6.1.2 ENHD 轴承有限元缩减模型
• 6.2 磨损故障设置与仿真分析
• 6.2.1 主轴承载荷分析
• 6.2.2 机体表面振动分析
• 6.3 主轴承磨损故障诊断
• 6.3.1 基于小波包分解时频图的诊断方法
• 6.3.2 基于 CWD 的主轴承磨损故障诊断方法
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件