1．目的及意义 1、研究目的及意义
1.1研究目的及意义
声发射是指材料局部因为能量的快速释放而发出的瞬态弹性波的现象。声发射技术属于检测超声技术领域，是一种动态无损检测技术，涉及声发射源、波的传播、声电转换、信号处理、数据显示与记录、解释评定等方面内容[1]。声发射可分为两类：第一类是指物件在一定应力作用下产生变形或裂纹所释放的弹性波，这一类声发射信号完全由物件内部的变化决定；第二类是指物件受到外部的撞击、燃烧、流体泄漏、机械摩擦等激励而产生的声发射信号[2]。固体在内部发生缺陷或即将发生缺陷状态下，如果外部作用发生改变时会产生声发射。所以，声发射信号包含着丰富的材料内部缺陷或损伤的信息。声发射监测法就是利用信号处理技术分析声发射信号，判断材料内部的状态。由于材料产生的声发射信号具有很宽的频率带宽，信号频率可以达到数MHz，因此声发射信号蕴含着丰富的信息，已被广泛地应用于机械设备监测中[3]。
柴油机是船舶的主要动力源，是船舶的心脏。当活塞在上止点时，由气缸盖底面、气缸套内表面及活塞顶共同组成的燃料与空气混合和燃烧的这一空间称为燃烧室。燃烧室部件（活塞组件、气缸盖组件和气缸组件）是柴油机中最重要的部件，对柴油机性能的影响至关重要。由于柴油机在工作时，燃烧室中持续地进行压缩、燃烧和膨胀过程，燃烧室部件将受到燃气高温、高压和腐蚀作用，活塞的摩擦、敲击和侧推力作用，以及冷却水的腐蚀和穴蚀，其工作条件最为恶劣，故障发生的概率在整个柴油机中占比较大[4]。因此，对柴油机燃烧室部件进行状态监测和故障诊断是保证柴油机安全运行，提高柴油机设备的经济性、安全性和可靠性的必要环节之一。
利用声发射技术对柴油机进行监测诊断能够提高柴油机的综合性能，提升我国船舶柴油机的整体技术水平，具有很高的研究意义和价值。
1.2国内外的研究现状分析
在国外，P. Nivesrangsan等人首先参考从运行的发动机获取的有限数据集，对传感器定位和信号处理的合适方法做出了初步建议[5]，并进行了相应的实验，研究了小型四冲程燃油喷射柴油机气缸盖周围声发射信号传播的特性[6]，使用基于波速和基于声发射能量两种源定位技术在74kW四冲程柴油机气缸盖上进行了演示，重点实现了机械应用中典型的相对复杂结构上的多源信号的源定位技术[7]。Kaewwaewnoi,W等人对通过阀门的内部流体泄漏与泄漏产生的声发射之间关系进行了研究，解释了泄漏率、入口压力水平、阀门尺寸和阀门类型等因素对声发射参数和〖AE〗_RMS的影响, 理论和实验结果表明, 从功率谱密度 (PSD) 计算的声发射信号功率与泄漏率的影响因素有很好的相关性[2]。美国海军工程研究所的Brian Dykas等针对单缸发电柴油机研究了声发射传感器安装在不同部位对柴油机的监测效果的影响，并且利用故障状态AE信号与正常状态信号的相关性成功进行了柴油机失火的诊断[8]。Cavina N等人利用麦克风测量机体附近声发射强度，提取信号中与柴油机控制有关的信息（如敲缸强度、增压器转速等）并进行了失火和排气歧管漏气的诊断[9]。
在国内，卢东升以船舶柴油机为对象，仿真计算柴油机在不同气阀间隙下排气阔落座力的变化，并以此作为边界条件，通过仿真与实验分析，计算由排气阀落座引起的声发射信号，证实了利用声发射信号可以有效监测诊断柴油机排气阀状态[10]。纪鹏飞围绕柴油机气阀漏气故障以4120SG型柴油机为研究对象开展了基于声发射信号的柴油机气阀漏气诊断方法研究，并利用信号分析处理技术提取了声发射信号故障参数[11]。余永华教授等人开展了基于支持向量机的柴油机气阀漏气的声发射诊断研究，建立了能够有效对气阀漏气进行诊断的声发射故障诊断模型[11]。潘长海以船用6DK20柴油机为研究对象研究船用中速机气阀漏气声发射诊断方法，分析气阀漏气引起的缸盖声发射机理，通过缸内气体与缸盖单向流耦合计算，获得气体流动对缸盖瞬态激励和声发射特征，并进行了气阀漏气故障模拟实验，测量不同气阀密封状态声发射信号，识别气阀漏气的声发射信号特征，并开发了船用柴油机气阀漏气声发射诊断系统[12]。沈宇龙对内燃机的一个往复运动进行更加深入的研究和分析，采用缸套-活塞环试样为摩擦副，利用声发射检测技术测量往复试验机一个工作循环的缸套-活塞环声发射特征参数，建立声发射信号和缸套-活塞环润滑状态相应的关系，并对声发射信号的产生机理进行了研究和阐述，研究表明声发射信号特征参数和绝对能量对缸套活塞环润滑状态的改变较为敏感，可以作为评价润滑状态的参数[13]。张舒等人根据柴油机的结构及配气相位，分析了柴油机气阀漏气与其激励的声发射信号的关系，在某小型柴油机台架上试验研究了缸盖声发射信号的提取方法，根据气动声学公式，提出了基于漏气激励声发射频段能量法的气阀漏气特征参数，并在其他不同两类柴油机上进行了试验验证，结果表明：该方法具有很好的通用性，可为不同机型柴油机气阀漏气诊断提供技术参考[14]。史强等人利用声发射技术对摩擦润滑状态进行在线监测，试验结果显示：冲程中部的声发射信号能够有效地表征活塞环-缸套的摩擦润滑状态，并能够通过声发射指示标准区分不同类型的油品对系统润滑状态的影响。其中，声发射信号的幅值随着载荷的增大而小幅增大，且随着转速的增大而明显增大，充分证明了声发射监测技术在活塞环－缸套摩擦润滑状态在线监测的有效性[15]。王欢欢以某型单缸柴油机为研究对象，利用声发射检测技术与先进的信号处理手段对柴油机早期的微弱故障进行了诊断和研究，为该型内燃机的优化设计提供了坚实的理论依据与明晰的改进方向，表明声发射检测技术是一种研究分析柴油机早期故障的有效技术手段[16]。张虎等人开展了基于异常声发射信号的柴油机早期故障诊断研究，为诊断某新型单缸柴油机缸体表面异常声发射信号，将声发射传感器布置在柴油机不同部位进行定位分析，实现柴油机早期故障的诊断，证明声发射监测技术对柴油机早期故障诊断的有效性,具有较好的推广应用价值[17]。
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2. 研究的基本内容与方案
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2、研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施
2.1 研究内容
掌握声发射信号数据采集方法，利用缸盖敏感性试验研究传感器安装位置对故障灵敏度的影响，通过柴油机燃烧室部件故障模拟试验，同步采集柴油机声发射、缸压和上止点等信号，在LabVIEW软件平台下对数据进行分析与处理，提取相关故障特征参数，掌握利用单声发射传感器诊断燃烧室不同部件故障的方法。
2.2 研究目标
针对柴油机燃烧室部件监测诊断问题，通过掌握声发射信号采集方法，建立传感器敏感性模型，进行故障模拟实验，提取不同故障特征参数，得出传感器安装位置对故障敏感性的影响，以实现利用单传感器对燃烧室不同故障进行检测诊断。
2.3 技术方案及措施
（1）掌握声发射信号采集方法，在缸盖不同位置采集声发射信号，将贴近声发射源的传感器信号能量近似为声发射源能量，根据不同位置信号能量衰减因子判断安装位置的优劣，研究信号随传播距离和传播介质变化的衰减规律，建立反映传感器敏感性的数据模型，寻找缸盖上传感器的最优安装位置。
（2）进行柴油机正常状态的试验研究，采集柴油机声发射、缸压和上止点等信号，针对船用柴油机燃烧室部件易出现的喷油压力减小、单缸失火、喷嘴堵塞、针阀磨损、排气阀漏气和活塞环磨损等故障分别设计故障模拟实验（模拟方法见表1），将各过程的信号特征与正常状态特征进行对比，利用LabVIEW平台进行测试数据分析，提取柴油机不同故障时相关故障特征参数，研究特征参数的规律。
表1.针对柴油机常见故障的模拟方法
| 柴油机故障 | 模拟方法 |
| 喷油压力减小 | 在喷油器正常的基础上减少调整垫片的数量 |
| 单缸失火 | 移除该缸的高压油管 |
| 喷嘴堵塞 | 在正常喷油器其它条件不变的情况下，堵塞喷孔 |
| 针阀磨损 | 用砂纸打磨模拟不同程度磨损 |
| 排气阀漏气 | 在正常气阀上切槽 |
| 活塞环磨损 | 对第一道气环内圈半径和搭口间隙进行磨损 |
（3）应用所有故障下提取的特征参数，进行不同故障状态的特征参数验证，以实现单传感器对不同故障进行诊断。
3. 参考文献 [1] 胡昌洋，杨钢锋，黄振峰，等.声发射技术及其在检测中的应用[J]. 计量与测试技术. 2008(06): 1-3.
[2] Kaewwaewnoi W, Prateepasen A,Kaewtrakulpong P. Investigation of the relationship between internal fluidleakage through a valve and the acoustic emission generated from theleakage[J]. Measurement. 2010, 43(2): 274-282.
[3] 余永华，杨建国. 船舶柴油机监测诊断技术研究及其应用[J]. 柴油机. 2013, 35(02): 1-6.
[4] 李斌. 船舶柴油机[M]. 第二版. 大连: 大连海事大学出版社, 2014.
[5] Nivesrangsan P, Steel J A, Reuben R L. AEmapping of engines for spatially located time series[J]. Mechanical Systems andSignal Processing. 2005, 19(5): 1034-1054.
[6] Nivesrangsan P, Steel J A, Reuben R L.Acoustic emission mapping of diesel engines for spatially located timeseries—Part II: Spatial reconstitution[J]. Mechanical Systems and SignalProcessing. 2007, 21(2): 1084-1102.
[7] Nivesrangsan P, Steel J A, Reuben R L.Source location of acoustic emission in diesel engines[J]. Mechanical Systemsand Signal Processing. 2007, 21(2): 1103-1114.
[8] Dykas B, Harris J. Acoustic emissioncharacteristics of a single cylinder diesel generator at various loads and witha failing injector[J]. Mechanical Systems and Signal Processing. 2017, 93:397-414.
[9] Cavina N, Businaro A, Rojo N, et al.Combustion and Intake/Exhaust Systems Diagnosis Based on Acoustic Emissions ofa GDI TC Engine[J]. Energy Procedia. 2016, 101: 677-684.
[10] 卢东升. 基于声发射信号的柴油机排气阀故障诊断技术研究[D]. 武汉理工大学, 2012.
[11] 纪鹏飞. 柴油机气阀漏气声发射诊断方法研究[D]. 武汉理工大学, 2013.
[12] 潘长海. 声发射监测船用中速柴油机气阀漏气的应用研究[D]. 武汉理工大学, 2014.
[13] 沈宇龙. 基于声发射缸套—活塞环润滑状态的研究[D].大连海事大学, 2014.
[14] 张舒，余永华，胡磊，等. 柴油机气阀漏气故障声发射诊断特征参数[J]. 内燃机学报. 2016, 34(04): 379-383.
[15] 史强，谷丰收，王铁，等. 基于声发射和小波分析的活塞环-缸套系统的摩擦润滑状态研究[J]. 内燃机工程. 2017, 38(04): 97-102.
[16] 王欢欢. 基于声发射的柴油机早期故障诊断研究[D]. 太原理工大学, 2017.
[17] 张虎，谷丰收，王铁，等. 基于异常声发射信号的柴油机早期故障诊断[J]. 中国测试. 2018, 44(03): 28-32.
1．目的及意义 1、研究目的及意义
1.1研究目的及意义
声发射是指材料局部因为能量的快速释放而发出的瞬态弹性波的现象。声发射技术属于检测超声技术领域，是一种动态无损检测技术，涉及声发射源、波的传播、声电转换、信号处理、数据显示与记录、解释评定等方面内容[1]。声发射可分为两类：第一类是指物件在一定应力作用下产生变形或裂纹所释放的弹性波，这一类声发射信号完全由物件内部的变化决定；第二类是指物件受到外部的撞击、燃烧、流体泄漏、机械摩擦等激励而产生的声发射信号[2]。固体在内部发生缺陷或即将发生缺陷状态下，如果外部作用发生改变时会产生声发射。所以，声发射信号包含着丰富的材料内部缺陷或损伤的信息。声发射监测法就是利用信号处理技术分析声发射信号，判断材料内部的状态。由于材料产生的声发射信号具有很宽的频率带宽，信号频率可以达到数MHz，因此声发射信号蕴含着丰富的信息，已被广泛地应用于机械设备监测中[3]。
柴油机是船舶的主要动力源，是船舶的心脏。当活塞在上止点时，由气缸盖底面、气缸套内表面及活塞顶共同组成的燃料与空气混合和燃烧的这一空间称为燃烧室。燃烧室部件（活塞组件、气缸盖组件和气缸组件）是柴油机中最重要的部件，对柴油机性能的影响至关重要。由于柴油机在工作时，燃烧室中持续地进行压缩、燃烧和膨胀过程，燃烧室部件将受到燃气高温、高压和腐蚀作用，活塞的摩擦、敲击和侧推力作用，以及冷却水的腐蚀和穴蚀，其工作条件最为恶劣，故障发生的概率在整个柴油机中占比较大[4]。因此，对柴油机燃烧室部件进行状态监测和故障诊断是保证柴油机安全运行，提高柴油机设备的经济性、安全性和可靠性的必要环节之一。
利用声发射技术对柴油机进行监测诊断能够提高柴油机的综合性能，提升我国船舶柴油机的整体技术水平，具有很高的研究意义和价值。
1.2国内外的研究现状分析
在国外，P. Nivesrangsan等人首先参考从运行的发动机获取的有限数据集，对传感器定位和信号处理的合适方法做出了初步建议[5]，并进行了相应的实验，研究了小型四冲程燃油喷射柴油机气缸盖周围声发射信号传播的特性[6]，使用基于波速和基于声发射能量两种源定位技术在74kW四冲程柴油机气缸盖上进行了演示，重点实现了机械应用中典型的相对复杂结构上的多源信号的源定位技术[7]。Kaewwaewnoi,W等人对通过阀门的内部流体泄漏与泄漏产生的声发射之间关系进行了研究，解释了泄漏率、入口压力水平、阀门尺寸和阀门类型等因素对声发射参数和〖AE〗_RMS的影响, 理论和实验结果表明, 从功率谱密度 (PSD) 计算的声发射信号功率与泄漏率的影响因素有很好的相关性[2]。美国海军工程研究所的Brian Dykas等针对单缸发电柴油机研究了声发射传感器安装在不同部位对柴油机的监测效果的影响，并且利用故障状态AE信号与正常状态信号的相关性成功进行了柴油机失火的诊断[8]。Cavina N等人利用麦克风测量机体附近声发射强度，提取信号中与柴油机控制有关的信息（如敲缸强度、增压器转速等）并进行了失火和排气歧管漏气的诊断[9]。
在国内，卢东升以船舶柴油机为对象，仿真计算柴油机在不同气阀间隙下排气阔落座力的变化，并以此作为边界条件，通过仿真与实验分析，计算由排气阀落座引起的声发射信号，证实了利用声发射信号可以有效监测诊断柴油机排气阀状态[10]。纪鹏飞围绕柴油机气阀漏气故障以4120SG型柴油机为研究对象开展了基于声发射信号的柴油机气阀漏气诊断方法研究，并利用信号分析处理技术提取了声发射信号故障参数[11]。余永华教授等人开展了基于支持向量机的柴油机气阀漏气的声发射诊断研究，建立了能够有效对气阀漏气进行诊断的声发射故障诊断模型[11]。潘长海以船用6DK20柴油机为研究对象研究船用中速机气阀漏气声发射诊断方法，分析气阀漏气引起的缸盖声发射机理，通过缸内气体与缸盖单向流耦合计算，获得气体流动对缸盖瞬态激励和声发射特征，并进行了气阀漏气故障模拟实验，测量不同气阀密封状态声发射信号，识别气阀漏气的声发射信号特征，并开发了船用柴油机气阀漏气声发射诊断系统[12]。沈宇龙对内燃机的一个往复运动进行更加深入的研究和分析，采用缸套-活塞环试样为摩擦副，利用声发射检测技术测量往复试验机一个工作循环的缸套-活塞环声发射特征参数，建立声发射信号和缸套-活塞环润滑状态相应的关系，并对声发射信号的产生机理进行了研究和阐述，研究表明声发射信号特征参数和绝对能量对缸套活塞环润滑状态的改变较为敏感，可以作为评价润滑状态的参数[13]。张舒等人根据柴油机的结构及配气相位，分析了柴油机气阀漏气与其激励的声发射信号的关系，在某小型柴油机台架上试验研究了缸盖声发射信号的提取方法，根据气动声学公式，提出了基于漏气激励声发射频段能量法的气阀漏气特征参数，并在其他不同两类柴油机上进行了试验验证，结果表明：该方法具有很好的通用性，可为不同机型柴油机气阀漏气诊断提供技术参考[14]。史强等人利用声发射技术对摩擦润滑状态进行在线监测，试验结果显示：冲程中部的声发射信号能够有效地表征活塞环-缸套的摩擦润滑状态，并能够通过声发射指示标准区分不同类型的油品对系统润滑状态的影响。其中，声发射信号的幅值随着载荷的增大而小幅增大，且随着转速的增大而明显增大，充分证明了声发射监测技术在活塞环－缸套摩擦润滑状态在线监测的有效性[15]。王欢欢以某型单缸柴油机为研究对象，利用声发射检测技术与先进的信号处理手段对柴油机早期的微弱故障进行了诊断和研究，为该型内燃机的优化设计提供了坚实的理论依据与明晰的改进方向，表明声发射检测技术是一种研究分析柴油机早期故障的有效技术手段[16]。张虎等人开展了基于异常声发射信号的柴油机早期故障诊断研究，为诊断某新型单缸柴油机缸体表面异常声发射信号，将声发射传感器布置在柴油机不同部位进行定位分析，实现柴油机早期故障的诊断，证明声发射监测技术对柴油机早期故障诊断的有效性,具有较好的推广应用价值[17]。
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2. 研究的基本内容与方案
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2、研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施
2.1 研究内容
掌握声发射信号数据采集方法，利用缸盖敏感性试验研究传感器安装位置对故障灵敏度的影响，通过柴油机燃烧室部件故障模拟试验，同步采集柴油机声发射、缸压和上止点等信号，在LabVIEW软件平台下对数据进行分析与处理，提取相关故障特征参数，掌握利用单声发射传感器诊断燃烧室不同部件故障的方法。
2.2 研究目标
针对柴油机燃烧室部件监测诊断问题，通过掌握声发射信号采集方法，建立传感器敏感性模型，进行故障模拟实验，提取不同故障特征参数，得出传感器安装位置对故障敏感性的影响，以实现利用单传感器对燃烧室不同故障进行检测诊断。
2.3 技术方案及措施
（1）掌握声发射信号采集方法，在缸盖不同位置采集声发射信号，将贴近声发射源的传感器信号能量近似为声发射源能量，根据不同位置信号能量衰减因子判断安装位置的优劣，研究信号随传播距离和传播介质变化的衰减规律，建立反映传感器敏感性的数据模型，寻找缸盖上传感器的最优安装位置。
（2）进行柴油机正常状态的试验研究，采集柴油机声发射、缸压和上止点等信号，针对船用柴油机燃烧室部件易出现的喷油压力减小、单缸失火、喷嘴堵塞、针阀磨损、排气阀漏气和活塞环磨损等故障分别设计故障模拟实验（模拟方法见表1），将各过程的信号特征与正常状态特征进行对比，利用LabVIEW平台进行测试数据分析，提取柴油机不同故障时相关故障特征参数，研究特征参数的规律。
表1.针对柴油机常见故障的模拟方法
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