基于声发射技术的缸套-活塞环润滑状态监测_韩昊.pdf

第 45 卷（2023）第 2 期Vol.45（2023）No.2柴油机Diesel EngineDOI：10.12374/j.issn.1001-4357.2023.02.006基于声发射技术的缸套-活塞环润滑状态监测韩昊1，丁红元2，石昭宇1，王忠巍1，王伯群1（1.哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，哈尔滨150001；2.武汉第二船舶设计研究所，武汉430205）摘要：为实现对缸套-活塞环摩擦润滑状态的监测，基于声发射技术对某小型四缸柴油机缸套活塞环的润滑状态进行研究。采用小波阈值降噪法抑制阀门启闭和燃烧所引起的声发射信号，分别提取每个冲程声发射信号均方根（root mean square，RMS），选择RMS值作为评价缸内润滑状态的指标。研究结果表明：进排气冲程RMS值可以很好地表征缸内的润滑状态；受试验条件的限制，贫油状态的RMS值整体上略低于正常状态的RMS值，但差异性并不明显。关键词：柴油机；声发射；缸套活塞环；润滑状态；小波降噪 中图分类号：TK421+.9文献标志码：A文章编号：1001-4357（2023）02-0026-06Lubrication State Monitoring of Cylinder Liner-Piston Ring Based on Acoustic Emission TechnologyHAN Hao1，DING Hongyuan2，SHI Zhaoyu1，WANG Zhongwei1，WANG Boqun1（1.College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430205，China）Abstract：In order to realize the monitoring of the cylinder liner-piston ring friction lubrication status，the lubrication status of the cylinder liner-piston ring of a small four-cylinder diesel engine was studied based on the acoustic emission technology.The wavelet threshold noise reduction method was used to suppress the acoustic emission signals caused by valve opening and closing and combustion.The root mean square（RMS）of acoustic emission signals of each stroke was extracted，and the RMS value were selected as the index to evaluate the lubrication state in the cylinder.The research results show that the RMS value of the intake and exhaust strokes can well characterize the lubrication state in the cylinder，and due to the limitations of experimental conditions，the RMS value of the lean oil state is generally slightly lower than the RMS value of the normal state，but the difference is not significant.Key words：diesel engine；acoustic emission；cylinder liner-piston ring；lubrication state；wavelet noise reduction0引言柴油机因其热效率高、功率范围广等优点被广泛应用于生产生活中。缸套活塞环作为柴油机关键的摩擦副，其摩擦润滑状态的好坏直接影响柴油机的运行状态，进而影响柴油机的经济性、可靠性。研究1表明，摩擦耗能约占柴油机总耗能的6%，缸套活塞环因摩擦损失的功率占发动结构与可靠性收稿日期：2021-12-01；修回日期：2021-12-16基金项目：黑龙江省自然基金项目（E2016018）2023 年 3 月 27 韩昊等：基于声发射技术的缸套-活塞环润滑状态监测机总损失功率的25%50%。缸套活塞环润滑不良将导致柴油机缸内异常磨损，甚至导致拉缸、抱轴等重大故障。因此，对柴油机缸套活塞环的润滑状态研究具有重要意义。缸套活塞环长期工作在高温、高压的环境中，二者表面之间呈高速往复线性运动状态，缸内的摩擦润滑状态难以用常规手段进行监测。声发射技术（acoustic emission，AE）是一种动态无损的检测技术，具有应用范围广、灵敏度高等特点，逐渐被应用到柴油机状态监测等相关领域。文献2在柴油机转速恒定的情况下改变负载条件，研究声发射信号对负载的敏感性，并且用声发射信号均方根（root mean square，RMS）值成功识别出喷油器故障。文献3以小型四冲程柴油机和大型船用二冲程柴油机为研究对象，对缸套活塞环之间声发射信号产生的机理进行分析，并进行相关试验。试验结果表明：小型四冲程柴油机转速对声发射信号的影响较大；大型二冲程柴油机气缸内压力对声发射信号的影响较大。文献4 研究不同燃料对内燃机摩擦学性能的影响，采用微凸体微凸体碰撞和流体微凸体剪切模型来解释缸套活塞环摩擦副的声发射响应，试验结果表明该模型可以很好地解释不同的声发射响应。文献5-6利用声发射技术对柴油机的缸套活塞环系统的润滑状态进行检测，采用小波分析、约束自适应阈值降噪等方法对采集到的信号进行降噪，并用声发射信号的RMS值来评价缸套活塞环的润滑状态。文献 7-8 为诊断柴油机缸体表面的异常声发射信号，通过在单缸柴油机表面不同位置安装声发射传感器，对比不同位置的峰值信号，最终确定异常声发射信号的来源，证明声发射技术对柴油机故障诊断的有效性。目前，针对缸套活塞环润滑状态的研究大都在摩擦磨损试验机上进行，对缸套活塞环之间的摩擦润滑过程做了大幅度简化，无法反映缸套活塞环之间真实的润滑状态，具有一定的局限性。因此本文以四缸柴油机为研究对象对缸内摩擦润滑过程进行探究。1小波降噪1.1小波变换原理小波变换是在傅里叶变换的基础上演化发展而来的，是目前应用最广泛的一种信号处理方法，对非平稳信号的分析更有效，已经广泛应用于信号去噪领域9-13。设 x（t）是平方可积函数，记作 x（t）L2（R），（t）为母小波函数，则x（t）的小波变换为：Tx()a，b=1ax（t）*t-badt （1）式中：Tx（a，b）为小波变换函数；a 为尺度因 子，a0；b 为 平 移 因 子，其 值 可 正 可 负；*t-ba为 t-ba的共轭复数。a，b(t)=1at-ba （2）a，b（t）是x（t）经伸缩平移后得到的一组小波基函数，t、a、b均为连续变量，称为连续小波变换。连续小波的逆变换为：x()t=C-1-+-+a，b()tTx()a，bdbda|a2 （3）其中C必须满足：C=-+|()2|d70放大器1106537-2060BNC1.31 200.020/40/6010注：空白代表“不适用”。图3声发射传感器安装实物图表2柴油机主要技术规格项目型号型式气缸数气缸直径/mm活塞行程/mm活塞总排量/L压缩比标定功率/kW标定转速/（rmin-1）发火顺序参数SC5S122D直列四冲程、水冷、直接喷射41141305.30817.31901 5001-3-4-2图2柴油机试验台架2023 年 3 月 29 韩昊等：基于声发射技术的缸套-活塞环润滑状态监测在柴油机实际工作过程中往往会出现润滑状态不良的情况，掌握柴油机在贫油状态下的缸内摩擦润滑特征对柴油机润滑不良的早期故障诊断具有重要意义。本文模拟在贫油状态时柴油机缸套活塞环的润滑状态，探究在贫油状态下缸套活塞环摩擦润滑的特征。柴油机润滑油量可以通过油尺测量得到，在模拟贫油状态时，通过油底壳放出润滑油，探究润滑油处于油尺下限和低于油尺下限两种工况下缸内的润滑状态。3结果分析3.1小波基的选取结合柴油机声发射信号的特点，选择具有离散小波变换函数的小波基来减少小波系数的冗余信息量，降低计算量。为了减少信号的失真，所选取的小波基应具有对称性。结合以上分析选取Sym8小波基，分解层级为3级。对比不同阈值处理方式，最终采用无偏似然估计法作为选取阈值的准则，通过硬阈值法对信号进行处理。3.2声发射特征参数的提取为了更好地分析一个循环内的声发射信号，减少气门启闭、缸内燃烧等过程对摩擦磨损部分声发射信号的影响，将时域信号转换成角度域进行处理。受进排气提前、迟闭角的影响，在进排气过程中没有气门的启闭，亦不受燃烧过程的影响，因此本文选择进排气冲程的声发射信号进行分析。柴油机缸内声发射信号变化程度较大，导致幅值变化程度较大，如果用单一的幅度或者计数进行分析，可靠性较低。采用一段时间内信号电压的均方根值URMS对缸套活塞环之间的声发射信号进行分析更准确可靠。本文选用URMS作为特征参数来评价缸内的润滑状态。URMS的计算公式如式（6）所示。URMS=1Ni=1Nx2i （6）式中：xi为i点处离散声发射信号电压的瞬时值；N为离散点总数。3.3缸内润滑状态的影响因素德国学者 Stribeck 通过 Stribeck 曲线将摩擦润滑状态分为3种类型：边界润滑、混合润滑、流体润滑15。结合实际因素，当缸套活塞环系统的润滑状态处于边界润滑时，产生的油膜厚度远小于微凸体凸起的高度，此时缸套活塞环之间几乎处于干摩擦状态，其磨损程度是正常磨损的几十倍，严重时将导致柴油机拉缸，造成活塞与气缸“咬死”的现象，使柴油机无法运行。在柴油机正常工作中，缸套活塞环间均处于流体动压润滑状态，在极少数情况下会出现边界润滑状态。因此，本文只考虑流体润滑状态、混合润滑状态，不考虑边界润滑状态。图4声发射传感器安装示意图表3试验测试工况柴油机转速/（rmin-1）800 9001 0001 1001 2001 300负载/%255075255075255075255075255075255075第 45 卷第 2 期 30 柴 油 机流体摩擦力如式（7）所示。FH=A()H1+H2dxdy （7）式中：H1为流体间剪切应力；H2为流体作用于微凸体上的力。H1=-Uh|h1hT+fs+fph2 dPdx （8）H2=Vr2|()hfp-hT dPdx-Uhfs （9）式中：1hT、fs、fp均为剪切应力因子；h为油膜厚度；U为两表面相对速度；为缸套和活塞环之间的相对速度。由式（7）、式（8）、式（9）可以看出流体摩擦力主要受润滑油黏度、两表面间相对运动速度、油膜厚度、缸内压力等因素的影响。微凸体摩擦力如式（10）所示。FA=0AC+ACPA（10）式中：0为剪切应力常数，为比例系数，二者均取决于材料本身；PA为微凸体间接触压力；AC为接触面积。微凸体摩擦力主要受微凸体本身的性质、接触面积、微凸体两表面之间压力的影响。3.4试验结果分析图 5 和图 6 分别为柴油机在正常状态不同转速、负载下进排气冲程的声发射信号 RMS 值。从图 5 和图 6 可以看出：随转速的增大，RMS 值呈增大趋势，这主要是由于活塞环速度增大，动压效果增强，促进缸套活塞环之间油膜的形成，使油膜厚度增大，导致油膜间的黏滞摩擦力增大；在不同负载下 3 条曲线交织在一起，表明RMS值受负载的影响不大，负载只会影响缸内峰值压力，对缸内平均压力的影响不大，对缸内润滑状态的影响也不大。图 5 在 1 2001 300 r/min、高负载时RMS值有下降的趋势，此时缸内燃烧环境恶劣，润滑状态由流体动压润滑状态变成混合润滑状态。从图6也可以看出，在高转速时RMS值突变较大，此时缸内燃烧剧烈，滑油无法保证正常的润滑状态，导致润滑状态发生改变。相比于图5来说，图6在75%负载时突变程度更大，可能的原因是受邻近气缸（3#缸）的影响，根据发火顺序，当4#缸处于排气冲程时，3#缸正处于做功冲程，所产生的声发射信号较大，为避免其对所测缸摩擦润滑信号的影响，在贫油状态时只选取进气冲程进行分析。图7和图8分别为在进气冲程25%负载和75%负载下RMS值随滑油量的变化图，可以看出RMS值随转速的增大而增大，这与正常状态下的结论相一致。在25%负载时，正常状态的RMS值大于贫油状态的RMS值，且随着滑油量的减少，RMS值呈下降趋势，这是因为随着油量的减小活塞在移动过程中动压润滑效果减弱，所形成的油膜厚度减小，使缸套活塞环之间的黏滞摩擦力减小；但在 75%负载下这种现象并不明显，并且在 1 2001 300 r/min 时声发射吸纳后发生突变，主要是因为在高转速、高负载情况下油量的减小使得油膜生成条件较差，生成的油膜厚度难以完全覆盖缸套活塞环表面的微凸体，此时微凸体之间的碰撞在该速度下表现得更明显，使缸套活塞环的润滑状态发生改变。图5进气冲程RMS值图6排气冲程RMS值图7在25%负载下进气冲程RMS值随油量的变化2023 年 3 月 31 韩昊等：基于声发射技术的缸套-活塞环润滑状态监测4结论（1）基于小波降噪的声发射特征值RMS与柴油机转速有关，RMS值随转速的增大呈增大趋势，受负载的影响不大。（2）在1 2001 300 r/min高负载时声发射特征值RMS值呈下降趋势，表明在高转速、高负载时缸内摩擦润滑状态发生改变。（3）在模拟贫油状态时低负载下的RMS值随润滑油量的减小而减小，在高负载时效果不佳。整体而言RMS值随转速的增大呈增大趋势。参考文献1 HOLMBERG K，ANDERSSON P，ERDEMIR A.Global energy consumption due to friction in passenger carsJ.Tribology International，2012，47：221-234.2 A B D，B J H.Acoustic emission 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