船用柴油机非稳态振动信号分析系统

戴魏魏，蒋倩，鲍海波，权国政

（1.江苏省船舶动力系统零件先进制造工程技术研究中心，江苏 南京 211121；2.南京中远海运船舶设备配件有限公司，江苏 南京 211121；3.重庆大学，重庆 400044）

船舶柴油机是多运动部件、多层次组合，在不确定边界、不稳定运行工况的影响下，会产生非稳态振动信号。机体上任何一点的振动都是柴油机内部激励的反映，然而由于振动信号的不确定性，即使是同一柴油机、相同工况、相同测量点时得到的振动信号也不完全相同。因此振动信号分析具有一定的困难。但是，柴油机的运行情况具有一定的周期性，把握住信号的规律性，有利于诊断柴油机故障状态[1，2，3]。

本文将基于时域、频域特征信号分析原理，利用分析软件MATLAB 建立船用柴油机非稳态振动信号分析系统。系统对非稳态信号进行一系列特征分析，为后续故障诊断、运行状态判断提供基础。

1 船用柴油机缸盖振动信号特征提取

系统对柴油机缸盖模拟振动信号进行特征分析，缸盖振动信号受排气阀撞击、缸内燃爆影响，具有一定周期性（图1）。一个周期内，缸盖振动信号可依据运行特征，分成排气阀开启、排气阀撞击、缸内燃爆三个特征峰。系统特征分析包括时域特征值提取、频域特征值提取、信息熵提取功能，具体如下。

图1 柴油机缸盖振动时域信号

（1）时域特征提取包括最大值、最小值、峰峰值、均值、方差、标准差、均方值等有纲量特征值，以及峰值因子、脉冲因子、裕度因子等无纲量特征值。时域信号清楚地描述出时间和频率的相互变化关系。

（2）信号功率谱估计表示了信号功率随着频率的变化关系，系统采用WELCH 法、AR 谱估计（自相关法、Burg 法、协方差法）。

（3）频率特征指标根据信号的功率谱求得，包括重心频率、均方频率、均方根频率、频率方差等。与时域特征值一起共同用于表示柴油机运行状态。

（4）时频域上信息熵特征指标，信息熵包括能量熵、功率谱熵和奇异谱熵。三个信息熵分别表示信号能量的复杂程度、信号不同状态下在频域上的变化、信号的信息量评估[4，5，6]。

2 船用柴油机非稳态振动信号分析系统

本文基于MATLAB 系统GUI 平台构建振动信号分析系统。图2 为构建的时域、频域分析界面，此界面主要对一个周期的振动信号进行分析。图中，1区为数据导入及保存板材；2 区为时域分析板块；3区为频域分析及信息熵板块。

图2 系统信号分析界面-时域、频域

图3 单峰信号分析界面-时域、频域

通过检索框输入相应的振动信号信息，如曲柄转速、采样频率等，导入采集信号，点击运算，就可以得到该信号的一系列特征值；界面还提供数据保存功能，点击相应保存按钮即可实现功能。

通过图2 右下角按钮进入单峰分析界面。对图2界面分析的一个周期信号进行分段，周期中不同峰值被特征识别为排开信号、闭气信号、撞击信号和燃爆信号。同样单独对每个信号波段进行时域、频域分析，提取零部件工作状态特征信息并推测系统状态变化。图中，1 区为时域图及功率谱估计板块；2 区为时域特征值及频域特征值板块；3 区为数据保存板块。

3 船用柴油机缸盖振动信号特征分析

柴油机缸盖传递气体压力激励至机体表面，同时气阀撞击、开启都会通过阀座传递至缸盖。所以，在气阀有磨损时，会引起缸盖振动特征的明显变化。通过缸盖振动检测气阀磨损状态是可行的。

通过系统分别对5 种不同气阀磨损故障状态下的柴油机缸盖振动信号进行特征值分析。状态1 表示气阀正常，状态2、3 表示气阀轻微磨损，但3 的磨损程度要大于2。状态4、5 表示气阀严重磨损，但5的磨损程度要大于4。表1 为分析这5 种状态下，一个周期振动信号的特征指标。

表1 缸盖振动信号统计特征参数表

分析不同气阀磨损状态下，缸盖振动信号的变化规律可以得到，随气阀磨损增大，缸盖振动信号时域特征值、重心频率、均方频率是先增大后减小。当磨损量达到一定值时，具有转折点。振动信号的频率标准差、奇异谱熵随着气阀磨损间隙增大先减小后增大，当磨损量达到一定值时，同样出现极值点。图4为峰峰值以及频率标准差随气阀磨损量的变化趋势，变化转折点均在9mm 处。

图4 特征值变化规律

通过以上分析可知，可以通过对信号进行特征提取，对柴油机的气阀磨损情况进行有效的监控，以防止柴油机在气阀严重的状况下运转。

4 总结

（1）借用MATLAB 语言编写船用柴油机非稳态振动信号分析系统。系统实现功能包括：振动信号时域分析、频域分析、信息熵计算、数据保存等。通过特征提取准确的表达系统运行状态，为后续进一步系统故障诊断提供基础。

（2）通过系统对不同气阀磨损状态下缸盖振动信号分析，得出特征值符合一定的变化规律，在一定的磨损间隙内，峰峰值递增后减小，频率标准差值递减后增大，均出现转折点。