内燃机非平稳周期循环特征检测方法技术

本发明专利技术涉及一种内燃机非平稳周期循环特征检测方法，其特征是：具体步骤如下：在内燃机指定位置安装振动传感器及第1缸上止点传感器，同步获取振动信号及第1缸上止点信号；依靠第1缸上止点信号对振动信号按工作循环进行分段，获得多个不同长度的等时数据序列；按每个工作循环720°CA进行等角度重采样，获得长度相同的等角度数据序列；对等角度数据序列进行小波变换，得到信号的角频分布；对于角频分布按内燃机工作顺序分段，依次向极坐标的确定位置进行映射增强，从而突出非平稳周期循环特征。本发明专利技术的优点是能够削弱噪声干扰，突出信号中的非平稳周期循环特征，提高内燃机状态监测及故障诊断效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属 于内燃机信号分析检测方法，具体涉及一种可用于内燃机状态监测及故障诊断的。
技术介绍
内燃机是常用的动力设备，在石油钻井、船舶、汽车、铁路、农业、工程建筑等方面获得了广泛应用。作为机械系统的“心脏”，其运行状态的好坏，直接影响到整个机械系统的工作状态。内燃机承受复杂的交变载荷作用，既有旋转运动，又有往复运动，因而，内燃机的信号具有非平稳周期循环特征；另外，工作环境复杂，工作条件恶劣，测取的内燃机信号存在大量的噪声干扰，非平稳周期循环特征信息常常被掩盖，影响了内燃机状态监测及故障诊断效果。早期轻微故障特征信息较微弱，同时现场存在大量的噪声干扰，造成实际故障诊断较为困难。该方向的研究引起了众多学者的兴趣，文献Meltzer G, Nguyen PhongDien.Fault diagnosis in gears operating undernon-stationary rotationalspeed using polar wavelet amplitude maps. Mechanical Systems and SignalProcessing, 2004，18:985-992.及《振动工程学报》，2008，21 (6) : 635-638.朱忠奎，伍小燕，李德风等的《周期特征的极坐标同步增强及其在轴承故障检测中的应用》，针对具有周期特征的旋转设备故障，在时频表示的基础上，通过坐标变换方法，实现了信号的瞬态特征增强。然而，该方法对于信号周期性、平稳性要求太高，不适合非平稳周期循环变化的内燃机信号。中国专利文献CN 101344427B公开了一种信号中周期瞬态特征的检测方法，针对具有明显周期特征的旋转设备机械，在时频分布的基础上，通过坐标变换方法，实现了周期瞬态特征的自动检测。上述专利技术主要针对周期性较强及且噪声较小的生物医学信号及机械设备的检测方法。上述现有技术的不足之处在于对于信号周期性、平稳性要求太高，不适合内燃机这种往复机械信号的检测。业内亟待研发一种能够根据内燃机信号特点，与内燃机信号特点相适应，可以削弱噪声干扰，突出信号中的非平稳周期循环特征的检测方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种，适用于工作环境复杂，工作条件恶劣的内燃机信号检测。通过对振动信号分段、等角度重采样、特征提取、映射增强，快速准确地实现了非平稳周期循环特征检测的目的。本专利技术为实现上述目的，采用以下技术方案一种，其特征是对于内燃机振动信号按工作循环进行分段、等角度重采样，然后采用小波变换提取信号中的非平稳周期循环特征，并进一步按内燃机工作顺序向极坐标映射增强的检测方法，具体步骤如下(I)在内燃机指定位置安装振动传感器及第I缸上止点传感器，同步获取振动信号及第I缸上止点信号；(2)依靠第I缸上止点信号对振动信号按工作循环进行分段，获得多个不同长度的数据序列#(/)、相、- …/'^，其中七表示时间，！^^、…、^表示采样数据中内燃机实际的工作循环，m表示工作循环个数；(3)按每个工作循环720° CA进行等角度重采样，获得长度相同的等角度数据序列X7' (Θ)、 Xr^ {Θ)、X·'. (Θ)…X:、(Θ)，其中Θ表示曲轴转角；(4)对上述等角度数据序列进行小波变换，得到信号的角频分布Ρχη(θ，f)、ΡΧΤ2(Θ，f)、pxT3(0，f)、…、Ρχτ-(θ，f)，其中f表示频率，角频分布Ρχ(θ，f)是一个二维矩 阵；(5)将角频分布按内燃机工作顺序，依次按直角坐标系与极坐标关系X =P οο8φ, y = P sincK 向极坐标系映射得 Ρχδ1(Φ， ·)、Ρχδ2(Φ， ·)、Ρχδ3(Φ，f)...PxSk((Kf),其中Φ表示极角(θ/2)，P表示极径，δ2、δ3、…、6,对应内燃机工作顺序，k表示最大缸位数。所述在内燃机上安装的振动传感器为压电式加速度传感器，第I缸上止点传感器可以为光电式、磁电式、霍尔式、油压式，安装方式可以为固定安装或夹持式安装。有益效果适用于内燃机在线与离线状态监测与诊断，克服了现有技术对于信号周期性、平稳性要求太高，不适合内燃机非平稳周期循环特征检测的不足。本专利技术根据内燃机信号特点，提出了一种与内燃机信号特点相适应的检测方法-内燃机非平稳循环特征检测方法。通过仿真信号及实际信号分析，结果表明，该方法可以削弱噪声干扰，突出信号中的非平稳周期循环特征。本专利技术为了检测非平稳周期循环特征，首先对内燃机振动信号按工作循环进行分段并等角度重采样，然后采用小波变换进行特征提取，将角频分布中的信号特征按内燃机工作顺序向极坐标的确定位置进行映射增强，从而突出非平稳周期循环特征的检测方法。附图说明图Ia是仿真信号时域波形；图Ib是含有噪声的仿真信号时域波形；图2是含有噪声的仿真信号时频分布图；图3a-图3d是含有噪声的仿真信号极坐标检测结果；图4a_图4e是内燃机各缸燃烧状态非平稳周期循环特征检测结果；图5a_图5d是内燃机曲轴轴承不同磨损状态非平稳周期循环特征检测结果。具体实施例方式下面结合较佳实施例详细说明本专利技术的具体实施方式。详见附图，实例一选取两个谐波频率调制一个指数衰减的脉冲来仿真内燃机振动冲击信号，仿真信号的表达式为x (k) = exp (-at) (sin2 π f^kT+sin〗π f2kT)+n (t)式中k-为自然数，T-采样时间间隔，取值为5 X I Ο—5，f m—调制频率，取值为I OOHz，t_取值为mod(kT，l/fm)，a-指数频率，取值为800Hz，f\，f2-载波频率，分别取值为3kHz、7kHz, n (t)-噪声。如图Ia所示为仿真信号的时域波形，图Ib所示为增加噪声后仿真信号的时域波形。没有加噪声前可以看出信号中包含多个瞬态冲击成分，然而，信号中瞬态成分并不是严格按一定周期变化，而是按周期O. 0105s,O. 0095s变替变化，用来表示信号的非平稳周期循环变化过程。加噪声后瞬态冲击被噪声污染，给信号的时域分析带来影响。如图2所示为信号经连续小波变换处理后的图形，信号中的噪声得到衰减，可以清晰地看出，在3kHz频率处有明显的瞬态能量出现，但7kHz频率处仅出现了零散的较小的瞬态能量。这与仿真信号的本质是不相符的。这说明，利用小波变换对多分量复杂信号处理，可以显著地检测强信号成分特征，对于微弱信号成分特征的检测有一定的不足。为了实现非平稳周期循环特征增强检测，采用专利CN 101344427B公开方法及本专利技术所述方法将信号的时频特征从直角坐标向极坐标映射，也就是将时频分布中的信 号特征按一定周期向极坐标某一确定位置进行映射，从而使信号特征得到显著增强。周期的选择采取了四种处理方法分别按周期T=O. 0105s、周期T=O. 0095s、前两周期的平均T=O. 01s、按周期T=O. Ols对原信号等角度重采样。前两种方法为专利CN 101344427B公开方法，最后一种方法为本专利技术所述方法。结果如图3所示。从检测效果来看，前三种方法由于采用等时周期映射，导致信号能量向极坐标空间多处散射，检测效果较差。本专利技术所述方法，通过等角度重采样，消除了非平稳周期变化，采用等角度周期映射方法，实现了信号的时频特征向极坐标某本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种内燃机非平稳周期循环特征检测方法，其特征是：对于内燃机振动信号按工作循环分段、等角度重采样，然后采用小波变换提取信号中的非平稳周期循环特征，并进一步按内燃机工作顺序向极坐标映射增强的检测方法，具体步骤如下：（1）在内燃机指定位置安装振动传感器及第1缸上止点传感器，同步获取振动信号及第1缸上止点信号；（2）依靠第1缸上止点信号对振动信号按工作循环进行分段，获得多个不同长度的数据序列XT1(t),xT2(t),xT3(t)···xTm(t),其中t表示时间，T1、T2、T3、…、Tm表示采样数据中内燃机实际的工作循环，m表示工作循环个数；（3）按每个工作循环720°CA进行等角度重采样，获得长度相同的等角度数据序列XT1(θ),xT2(θ),xT3(θ)···xTm(θ),其中θ表示曲轴转角；（4）对上述等角度数据序列进行小波变换，得到信号的角频分布PxT1(θ，f)、PxT2(θ，f)、PxT3(θ，f)、…、PxTm(θ，f)，其中f表示频率，角频分布Px(θ，f)是一个二维矩阵；（5）将角频分布按内燃机工作顺序，依次按直角坐标系与极坐标关系x＝ρcosφ，y＝ρsinφ，向极坐标系映射得Pxδ1(φ，f)、Pxδ2(φ，f)、Pxδ3(φ，f)…Pxδk(φ，f),其中φ表示极角(θ/2)，ρ表示极径，δ1、δ2、δ3、…、δk对应内燃机工作顺序，k表示最大缸位数。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贾继德，张玲玲，赵慧敏，周斌，肖云魁，陈安宇，乔龙，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事交通学院，
类型：发明
国别省市：