本课题的研究意义

内燃机作为一种重要的往复式动力机械，广泛应用于船舶、车辆、内燃机车、发电机组和工程机械中。内燃机运行状态的好坏直接影响整个动力装置的安全性和可靠性。由于内燃机零部件多且相互关联、结构复杂、工作条件恶劣，所以发生故障的可能性增大。缸套活塞环是柴油机中最关键、最重要的摩擦副之一，其工作可靠性和寿命将直接影响内燃机的性能和使用寿命。由于缸套活塞环的摩擦磨损性能在很大程度上影响着柴油机整机的性能和可靠性，而且活塞环零件在缸套中高速往复运动，直接承受燃烧爆发压力和高温燃气的作用，故机械负荷和热负荷都十分严重，润滑条件也较差，因此在使用中很容易失效，甚至引发活塞环折断。因此，对柴油机活塞环状态监测和故障诊断有益于保障柴油机的经济性和可靠性。

本课题的研究目的

通过对不同工况、不同活塞环磨损状态下柴油机进行实验测试，得到其表面机械振动信号，并对这些振动信号进行分析处理，提取出对活塞环磨损状态敏感的特征参数，最终通过振动信号的分析处理实现活塞环磨损的实时在线诊断，能够分辨活塞环正常、磨损、断裂等不同故障。

国内外的研究现状

在国外，美国是最早开展故障诊断技术研究的国家，早在1961年美国就成立了国家故障机械研究所，从事故障机理、检测诊断技术、可靠性分析的研究以及耐久性评价等工作。在世纪年代中期,美国就已研制出机车、船舶柴油机故障诊断专家系统；加拿大把声振诊断技术应用于内燃机故障诊断^[13]，均取得了良好的经济效益。之后，Wavebook公司开发了一套适合于内燃机振动和噪声信号分析的软件包，推广应用到全世界，成为内燃机研制和开发能力较强的知名企业。20世纪70年代初，英国成立了机械保障与状态检测协会。该协会奠定了故障诊断技术在英国的普及与发展^[14]。目前英国柴油机摩擦、磨损故障诊断方面具有领先地位。在欧洲其它国家中，对故障诊断技术及诊断分析仪器的开发与研究中，各有特色并有很大成效^[15]，如丹麦Bamp;K公司侧重于振动、噪声监测技术，且该公司研制开发的振动噪声测试设备处于领先水平挪威的船舶柴油机监测与诊断研究所遍及世界各地，并建立服务于全球的各级船级社，在国际上具有较大的影响，不过他们的测试手段和分析方法相对比较简单。

20世纪70年代后期，在我国一些部门和学者对故障诊断技术开始有所研究。到了80年代初期，国家颁布了《国营工业交通设备管理试行条例》，把故障诊断技术正式列入了企业管理法规,并提出了维修体制改革的发展方向，从而使我国故障诊断技术的研究和应用达到了长足的发展。其中武汉交通科技大学武汉理工大学、华中理工大学华中科技大学、第二炮兵工程学院、西安交通大学、清华大学、山东大学、大连理工大学、海军工程大学、东风汽车研究所等高校及研究院所，在利用柴油机振动及噪声信号进行故障诊断研究方面做了大量的研究工作，并结合实际课题研制开发了相应的产品，如华中理工大学侧重于故障机理的研究，武汉交通科技大学对柴油机的主要磨损故障及气门漏气故障等进行了大量的试验研究,如缸套活塞磨损、排气门漏气、连杆大小端轴承和主轴承磨损，并研制出一型柴油机智能诊断仪，可不解体诊断柴油机缸套活塞磨损和排气门漏气等故障，西安交通大学和东风汽车研究所都研制出了在线式铁谱分析仪。

目前，柴油机故障诊断的主要方法有：振动分析法、油液分析法、瞬时转速法。对活塞环故障诊断还有磁传感监测法和表面图像监测法。本文以柴油机表面振动信号分析法对活塞环进行故障诊断。

1、振动分析法

柴油机工作一定会产生振动，其内部零件的性能状态信息通过一定传递途径反映到表面振动信号中，柴油机故障特征提取的依据是振动信号包含了振源信息及系统状态等信息。所以利用振动信号对柴油机进行不解体故障诊断是行之有效的方法。利用表面振动信号进行柴油机故障诊断的出发点是建立在机械动力分析、信号特征分析的基础上，进而研究柴油机的工作性能。一般包括时域分析法、频域分析法、时频分析法、时序分析法、非线性动力学分析法。杨建国、周轶尘在《内燃机振动监测与故障诊断》一书中讲述了振动检测技术、振动信号分析和特征量提取等^[1]。于明进^[2]等在《发动机故障的诊断》一文中提取缸盖振动的总振级和高低频能量比来进行拉缸故障的诊断研究。王志华^[3]在《基于模式识别的柴油机故障诊断技术研究》中提出了柴油机表面振动信号的初步处理方法和时域和频谱分析。李敏通等^[4] 提出用经验模式分解方法对获取的振动信号进行分解，选取前三阶的模式分量近似代替原信号，用模式分量的能量百分比、重心频率和重心幅值、偏度、峭度、方差等构成柴油机工作状态特征向量，基于支持向量机对实测的柴油机故障进行诊断分类。一般包括时域分析法、频域分析法、时频分析法、时序分析法、非线性动力学分析法。王志华^[5]在《基于时频分析的柴油机活塞环故障振动诊断》中提出用时频分析法对柴油机表面振动信号进行分析，提取特征参数以实现活塞环故障判断。振动诊断具有敏感性、实时性、多参性、可传递性等优点，并且传感器安装方便，测量简单，不影响柴油机的工作状态。但缺陷是存在振动激励源多且频率范围广,各种激励振动传递路径复杂及信号之间相互祸合,再加之噪声的融入使得表面振动信号所含成分十分复杂，且在强干扰、多征兆、多故障的情况下,故障与特征参量的映射关系模糊,难以进行准确的诊断^[6]。