柴油機氣閥漏氣監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種柴油機氣閥漏氣監(jiān)測系統(tǒng)，其由傳感器、缸壓放大器、接線盒、工控機及手持式信號采集控制器組成，所述傳感器包括裝在柴油機上的聲發(fā)射傳感器(1)、缸壓傳感器(2)、上止點傳感器(4)，手持式信號采集控制器的輸入和輸出端分別通過數據線與聲發(fā)射傳感器、接線盒的一個輸入接口相連；缸壓放大器輸入和輸出端分別通過數據線與缸壓傳感器、接線盒的另一個輸入接口相連；該接線盒的另一個輸入接口還通過數據線與上止點傳感器相連；接線盒的輸出接口通過數據線與內嵌于工控機的數據采集卡相連；手持式信號采集控制器與工控機利用RS485進行通信。本發(fā)明能方便遠程控制信號采集，可準確檢測氣閥漏氣程度。
【專利說明】柴油機氣閥漏氣監(jiān)測系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明為一套用于柴油機氣閥漏氣故障監(jiān)測的系統(tǒng)。本發(fā)明屬于機械【技術領域】，進一步涉及機械信號測試和故障診斷中的利用聲發(fā)射信號監(jiān)測技術診斷柴油機氣閥漏氣的方法。
【背景技術】
[0002]排氣閥是柴油機最容易發(fā)生故障的零部件之一。柴油機氣閥發(fā)生故障的原因可以歸納為兩個方面:(I)排氣閥工作條件惡劣；(2)維護保養(yǎng)不當。柴油機排氣閥一旦發(fā)生故障，輕則排氣閥漏氣，重則造成閥盤和閥桿斷裂。
[0003]柴油機的動力性、經濟性和排放性往往與柴油機排氣閥是否正常工作密切相關。對柴油機排氣閥進行實時監(jiān)測，可實時反映柴油機排氣閥工作狀態(tài)，及時發(fā)現排氣閥故障、及時檢修排氣閥，從而有效避免柴油機發(fā)生惡性事故。同時，柴油機監(jiān)測診斷技術是柴油機智能化的三大核心技術之一。因此，開展排氣閥工作狀態(tài)監(jiān)測診斷技術的研究具有很強的工程應用價值。
[0004]目前柴油機排氣閥故障診斷方法一般采用振動監(jiān)測法、熱力參數監(jiān)測法。振動監(jiān)測法和熱力參數監(jiān)測法在國內外得到廣泛應用。而利用聲發(fā)射法監(jiān)測柴油機氣閥漏氣這一技術，目前在國內外均鮮有報道。聲發(fā)射信號具有以下特點:①聲發(fā)射是應變波發(fā)射，對高壓氣體沖擊作用非常敏感，信噪比高，受傳感器的安裝位置影響較小；②聲發(fā)射波的頻率范圍寬，從幾Hz到幾MHz，其幅值從微觀的位錯運動到大規(guī)模宏觀斷裂，信號的信息量豐富，不易受結構振動等外界因素的干擾；③聲發(fā)射診斷方法的可移植性好，能更早發(fā)現故障征兆。綜上所述，采用聲發(fā)射技術來監(jiān)測氣閥漏氣具有較高的準確性和實用價值。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題是:提供一種柴油機氣閥漏氣監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現信號的便攜采集，并利用EMD技術處理柴油機缸蓋聲發(fā)射信號，快速診斷柴油機是否漏氣，判斷其漏氣程度。
[0006]本發(fā)明解決其技術問題采用以下的技術方案:
[0007]本發(fā)明提供的柴油機氣閥漏氣故障監(jiān)測的系統(tǒng)，由傳感器、缸壓放大器、接線盒、工控機及手持式信號采集控制器組成，其中:所述傳感器包括裝在柴油機上的聲發(fā)射傳感器、缸壓傳感器、上止點傳感器，手持式信號采集控制器的輸入和輸出端分別通過數據線與聲發(fā)射傳感器、接線盒的一個輸入接口相連；缸壓放大器輸入和輸出端分別通過數據線與缸壓傳感器、接線盒的另一個輸入接口相連；該接線盒的另一個輸入接口還通過數據線與上止點傳感器相連；接線盒的輸出接口通過數據線與內嵌于工控機的數據采集卡相連；手持式信號采集控制器與工控機利用RS485進行通信。
[0008]所述聲發(fā)射傳感器封裝在手持式吸附支座內，傳感器引線由該支座的空心手柄引出。[0009]所述手持式吸附支座由空心手柄、頂蓋、底座、強力磁鐵、彈簧及套筒組成，其中:5塊強力磁鐵分別鑲嵌在底座下部的5個沉孔內；套筒安裝在底座上部的沉孔內，聲發(fā)射傳感器安裝在套筒內；彈簧安裝在頂蓋的沉孔內，頂蓋與底座通過螺釘連接；空心手柄焊接在底座的側面。
[0010]所述強力磁鐵有5塊，呈圓周形鑲嵌在底座的下部沉孔內。
[0011 ] 所述缸壓傳感器安裝在柴油機的示功考克內。
[0012]所述上止點傳感器采用SZMB - 5型磁電式傳感器，安裝于柴油機的凸輪軸位置。
[0013]所述手持式信號采集控制器，由微處理器和與之電連接的電壓轉換電路、JPAG調試電路、鍵盤輸入電路、液晶顯示電路、串口通信電路及聲發(fā)射信號放大電路組成。
[0014]本發(fā)明提供的上述柴油機氣閥漏氣故障監(jiān)測的系統(tǒng)，其用途是:在診斷柴油機是否漏氣，判斷其漏氣程度中的應用。
[0015]本發(fā)明在診斷柴油機是否漏氣，判斷其漏氣程度中的應用時，先采集缸蓋表面聲發(fā)射信號、氣缸壓力信號、上止點信號共三路信號，其中聲發(fā)射信號經過手持式信號采集控制器放大后進入接線盒，氣缸壓力信號經過缸壓放大器后進入接線盒，上止點信號直接進入接線盒；然后三路信號由接線盒進入采集卡后，在工控機上同時顯示，此時由使用者通過手持式信號采集控制器來遠程控制三路信號的保存；對于已保存的信號，工控機對其進行分析和處理，進而診斷出柴油機氣閥是否漏氣和其漏氣程度的結果。
[0016]本發(fā)明與現有技術相比具有以下主要的優(yōu)點:
[0017](I)手持式吸附支座的設計大大簡化了聲發(fā)射傳感器的安裝；
[0018](2)手持式信號采集控制器與上位機利用RS485進行通信，能遠程控制信號采集；控制器集成了聲發(fā)射信號放大電路，具有對聲發(fā)射信號調理放大的功能，使得聲發(fā)射信號的采集更加方便；
[0019](3)首次利用EMD技術處理氣閥漏氣引起的柴油機缸蓋聲發(fā)射信號，基于該技術提取的特征參數能有效識別氣閥漏氣的聲發(fā)射信號特征，準確率較高。
[0020](4)監(jiān)測系統(tǒng)上位機操作簡單，所有參數均自動配置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是特征參數的試驗數據。
[0022]圖2是特征參數(EMD能量熵)的試驗數據。
[0023]圖3是氣閥漏氣監(jiān)測系統(tǒng)整體結構示意圖。
[0024]圖4是手持式吸附支座俯視圖。
[0025]圖5是手持式吸附支座仰視圖。
[0026]圖6是手持式吸附支座內部結構圖。
[0027]圖7是手持式信號采集控制器輪廓圖。
[0028]圖8是手持式信號采集控制器內部結構示意圖。
[0029]圖9是上位機軟件內部模塊示意圖。
[0030]圖10是聲發(fā)射、上止點、缸壓信號一個周期內時域圖。
[0031]圖11是手持式采集控制器與上位機通信流程。
[0032]圖12是燃燒段對應信號截取示意圖。[0033]圖13是MF分量及殘余序列波形圖。
[0034]圖14是故障診斷MAP圖。
[0035]圖中:1.聲發(fā)射傳感器；2.缸壓傳感器；3.手持式信號采集控制器；4.上止點傳感器；5.柴油機；6.空心手柄；7.固定螺釘；8.頂蓋；9.底座；10.強力磁鐵；11.傳感器引線；12.彈簧；13.套筒；14.聲發(fā)射傳感器；15.前蓋板；16.聲發(fā)射信號輸入端；17.上蓋板；18.聲發(fā)射信號輸出端；19.電源及串口接線端；20后蓋板；21.下蓋板；22.燃燒段信號。
【具體實施方式】
[0036]下面通過實施例及附圖對本發(fā)明進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0037]本發(fā)明提供的柴油機氣閥漏氣監(jiān)測系統(tǒng)，是一種基于聲發(fā)射技術的柴油機氣閥漏氣監(jiān)測系統(tǒng)，其結構如圖3所示，由傳感器、手持式信號采集控制器、缸壓放大器、接線盒及工控機組成，其中:所述傳感器包括裝在柴油機上的聲發(fā)射傳感器1、缸壓傳感器2、上止點傳感器4。聲發(fā)射傳感器I通過數據線與手持式信號采集控制器3的輸入端相連，手持式信號采集控制器3的輸出端通過數據線與接線盒的一個輸入接口相連；缸壓傳感器2通過數據線與缸壓放大器輸入端相連，缸壓放大器輸出端通過數據線與接線盒的另一個輸入接口相連；上止點傳感器4通過數據線與接線盒的另一個輸入接口相連；接線盒的輸出接口通過數據線與內嵌于 工控機的數據采集卡相連。手持式信號采集控制器3與工控機利用RS485進行通信。
[0038]所述聲發(fā)射傳感器I采用美國PAC公司PK31型聲發(fā)射傳感器，其峰值靈敏度106dB，操作帶寬lOkHz-lOOkHz，適應溫度范圍-35°C _160°C，沖擊極限500g。聲發(fā)射傳感器封裝在手持式吸附支座內，其引線由該支座的空心手柄7引出。
[0039]所述手持式吸附支座用于安裝聲發(fā)射傳感器，監(jiān)測哪個氣缸的氣閥就將其吸附在該氣缸對應的缸蓋上。手持式吸附支座的結構如圖4至圖6所示，由空心手柄6、頂蓋8、底座9、強力磁鐵10、彈簧12及套筒13組成。其中--強力磁鐵10總共有5塊，呈圓周形鑲嵌在底座9下部；套筒13安裝在底座9的沉孔內，聲發(fā)射傳感器14安裝在套筒13內；彈簧12安裝在頂蓋8的沉孔內，頂蓋8與底座9通過4個固定螺釘7連接；空心手柄6焊接在底座9的側面，聲發(fā)射傳感器14的導線由空心手柄6引出。
[0040]所述缸壓傳感器2選用KISTLER公司7013C電荷型壓力傳感器，其量程0bar-250bar,靈敏度_40PC/bar，諧振頻率70kHz，適用溫度范圍-50至350攝氏度。缸壓傳感器2安裝在柴油機的示功考克內。
[0041]所述缸壓放大器采用KISTLER公司5018A型缸壓放大器，其量程2pC-2200000pC，輸出電壓-10V-10V，適用溫度范圍(TC -500C。
[0042]所述上止點傳感器4采用SZMB — 5型磁電式傳感器，安裝于凸輪軸位置。其最小輸出幅值300mV，安裝齒間距2mm。
[0043]所述接線盒采用NI公司BNC-2090型接線盒，該接線盒具有22個BNC輸入接口。
[0044]所述數據采集卡采用NI公司PCI6115型高速采集卡，其最大采樣率達2M。
[0045]所述工控機采用研華科技(Advantech)公司IPC-610MB-L型工控機，其配置Intel15處理器，內存4G，顯存1G，硬盤500G，配備2個RS232，6個USB2.0端口以及4個PCI端□。
[0046]所述手持式信號采集控制器3的外觀如圖7所示。該控制器與上位機利用RS485進行通信，能遠程控制上位機信號保存，并向上位機輸入當前測試信號對應的柴油機缸號、負荷和轉速等參數。此外，該控制器具有對聲發(fā)射信號進行調理和放大的功能。圖8所示為手持式信號采集控制器內部組成示意圖，其采用STM32F103VC作為微處理器，外接12V電源通過LM2575和ASl 117電壓轉換芯片給微處理器及其它芯片供電JPAG調試電路及鍵盤電路與微處理器相應I/O 口相連，IXD1602液晶顯示模塊與微處理器相應I/O 口相連，串口通信電路通過SP3485芯片與微處理器相應I/O 口相連。聲發(fā)射信號輸入端通過繼電器及信號放大電路后與信號輸出端相連，微處理器相應I/O 口與繼電器相連，以控制繼電器的開斷。
[0047]本發(fā)明利用手持式信號采集控制器遠程控制所有信號的采集，利用EMD技術處理采集到的缸蓋表面聲發(fā)射信號，信號被分解為6個代表不同物理意義的本征模分量，以下簡稱IMF分量。通過大量的試驗分析發(fā)現，柴油機缸蓋聲發(fā)射信號的EMD能量熵及第一個本征模分量MFl的能量與氣閥漏氣程度相對應，本套監(jiān)測系統(tǒng)會根據這它們的變化計算出信號的特診參數，進而診斷當前柴油機氣閥工作狀態(tài)。
[0048]本發(fā)明提供的柴油機氣閥漏氣監(jiān)測系統(tǒng)，其工作過程如下:
[0049]1.安裝傳感器，連接電纜線，接通電源；
[0050]2.打開監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件，上位機軟件各模塊示意圖如圖9所示，其中參數自動配置模塊在軟件啟動時就可以自動設置采集參數和分析參數；通訊模塊用于與手持式信號采集控制器進行通信；采集模塊用于驅動采集卡進行數據的采集工作；數據庫模塊用于保存和管理數據文件；信號分析模塊對數據進行EMD分析，提取特征參數，得出診斷結果；報表模塊可用于查看和打印診斷結果報表；幫助模塊可給出軟件的操作提示。
[0051]3.手持式信號采集控制器提示用戶連接上位機，按確定健后控制器與上位機進行連接，同時導通控制器內部的聲發(fā)射信號輸入端與輸出端電路，連接成功后上位機開始采集信號。
[0052]4.上位機采集開始(此時僅是采集信號，不會將信號保存)，同時采集3路信號，分別是缸蓋聲發(fā)射信號、氣缸壓力信號、上止點信號。聲發(fā)射信號經手持式信號采集控制器放大后，從該控制器信號輸出端接入接線盒，氣缸壓力信號經缸壓放大器放大后接入接線盒，上止點信號直接進入接線盒。三路信號同時進入內嵌于工控機內的采集卡，進行數據分析、保存等操作。如圖10所示，信號經上位機軟件周期截取后會同時顯示，并每隔I秒刷新一次顯示的數據。
[0053]5.參見圖11，用戶利用手持式采集控制器向上位機發(fā)送保存指令，并向上位機發(fā)送負荷、缸號、轉速等參數信息。上位機接到指令后會保存當前采集到的5秒內信號及信號的參數信息。
[0054]6.保存完成后，上位機會等待下一個保存指令，并對最近保存的信號進行燃燒段截取。因為氣閥漏氣時，主要是燃燒段信號(燃燒上止點前25CA至燃燒上止點后50CA)受到影響。圖12所示為一個周期內燃燒段信號截取示意圖。
[0055]7.軟件會對各個周期內截取到的燃燒段聲發(fā)射信號進行EMD分解，可以分解得到6個IMF分量和I個殘余分量R。如圖13所不。
[0056]8.計算分解得到的6個MF分量的能量占信號總能量的百分比P1, P2, Ρ^..Ρ6，并計算信號特征參數ε和Θ。
【權利要求】
1.一種柴油機氣閥漏氣故障監(jiān)測的系統(tǒng)，其特征是由傳感器、缸壓放大器、接線盒、工控機及手持式信號采集控制器組成，其中:所述傳感器包括裝在柴油機上的聲發(fā)射傳感器(1)、缸壓傳感器(2)、上止點傳感器(4)，手持式信號采集控制器(3)的輸入和輸出端分別通過數據線與聲發(fā)射傳感器(I)、接線盒的一個輸入接口相連；缸壓放大器輸入和輸出端分別通過數據線與缸壓傳感器(2)、接線盒的另一個輸入接口相連；該接線盒的另一個輸入接口還通過數據線與上止點傳感器(4)相連；接線盒的輸出接口通過數據線與內嵌于工控機的數據采集卡相連；手持式信號采集控制器(3)與工控機利用RS485進行通信。
2.根據權利要求1所述的柴油機氣閥漏氣故障監(jiān)測的系統(tǒng)，其特征是所述聲發(fā)射傳感器(I)封裝在手持式吸附支座內，傳感器引線由該支座的空心手柄(6)引出。
3.根據權利要求2所述的柴油機氣閥漏氣故障監(jiān)測的系統(tǒng)，其特征是所述手持式吸附支座由空心手柄(6)、頂蓋(8)、底座(9)、強力磁鐵(10)、彈簧(12)及套筒(13)組成，其中:強力磁鐵(10)鑲嵌在底座(9)下部沉孔內；套筒(13)安裝在底座(9)的沉孔內，聲發(fā)射傳感器(14)安裝在套筒(13)內；彈簧(12)安裝在頂蓋⑶的沉孔內，頂蓋⑶與底座(9)通過螺釘(7)連接；空心手柄(6)焊接在底座(9)的側面。
4.根據權利要求3所述的柴油機氣閥漏氣故障監(jiān)測的系統(tǒng)，其特征是所述強力磁鐵(10)有5塊，呈圓周 形鑲嵌在底座(9)的下部沉孔內。
5.根據權利要求1所述的柴油機氣閥漏氣故障監(jiān)測的系統(tǒng)，其特征是所述缸壓傳感器(2)安裝在柴油機的示功考克內。
6.根據權利要求1所述的柴油機氣閥漏氣故障監(jiān)測的系統(tǒng)，其特征是所述上止點傳感器(4)米用SZMB — 5型磁電式傳感器,安裝于柴油機的凸輪軸位置。
7.根據權利要求1所述的柴油機氣閥漏氣故障監(jiān)測的系統(tǒng)，其特征是所述手持式信號采集控制器(3)，由微處理器和與之電連接的電壓轉換電路、JPAG調試電路、鍵盤輸入電路、液晶顯不電路、串口通/[目電路及聲發(fā)射?目號放大電路組成。
8.權利要求1至7中任一權利要求所述柴油機氣閥漏氣故障監(jiān)測的系統(tǒng)的用途，其特征是在診斷柴油機是否漏氣，判斷其漏氣程度中的應用。
9.根據權利要求8所述的用途，其特征是先采集缸蓋表面聲發(fā)射信號、氣缸壓力信號、上止點信號共三路信號，其中聲發(fā)射信號經過手持式信號采集控制器放大后進入接線盒，氣缸壓力信號經過缸壓放大器后進入接線盒，上止點信號直接進入接線盒；然后三路信號由接線盒進入采集卡后，在工控機上同時顯示，此時由使用者通過手持式信號采集控制器來遠程控制三路信號的保存；對于已保存的信號，工控機對其進行分析和處理，進而診斷出柴油機氣閥是否漏氣和其漏氣程度的結果。
【文檔編號】G05B23/02GK104035434SQ201410263421
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權日:2014年6月13日
【發(fā)明者】余永華, 楊建國, 潘長海 申請人:武漢理工大學