大功率船用柴油机振动传感器位置研究范文

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摘要：通过对某大功率船用柴油机原设计模型的简化，运用模态分析方法提取了缸盖的前10阶固有频率和振型。考虑了缸盖固有频率与柴油机激励频率的相关性，为传感器的位置优化提供了理论依据。

关键词：柴油机；模态分析；传感器

0引言

当部件之间的磨损间隙过大时，柴油机的机械性能和振动都会发生变化。因此，通过对关键部件振动现象的监测和振动信号的分析，可以了解被测对象的内部运行状态，从而提高柴油机的振动性能。麻省理工学院的R．H．Lyon教授做了大量的基础理论研究。日本的T．Katagi和R．Kimura利用振动和声音信号诊断船用柴油机故障。华中科技大学、武汉理工大学、西南交通大学、海军工程大学等高校也在这方面做了诸多研究工作，取得了丰富成果[1]。振动监测方法可用于柴油机气门机构、增压器和活塞缸套的故障诊断。柴油机振动信号故障诊断的关键工作，是分析缸盖或缸体振动信号，提取柴油机燃烧激振力和排气门座响应的频率特性[2]。

1传感器优化配置方法

传感器需要能够感知高度结构化的机械状态，即振动系统的位移、速度和加速度，如直接转换为电信号，直接反映振动的实时状态，必须具有足够的可靠性和灵敏性。振动信息的快速准确获取。此外，传感器的尺寸小而薄，与原有的结构材料很好地结合。它不影响结构的形状。该传感器具有覆盖范围广、频响宽、外部干扰小的特点。可在结构的温湿度范围内正常工作，与其他电气设备结构兼容。

1.1传感器优化配置准则

目前，在传感器优化配置标准中，提出了多种传感器优化布置准则，包括可控性/可观性准则、系统能量准则、系统响应准则、可靠性准则、控制溢出/观测溢出准则等[4]。以下是基于系统能量准则的相关说明。①闭环模态能量耗散系数是用来评估活动中引入模态阻尼的相对大小的结构减振控制，建立多目标优化问题，并研究活性成分的最佳配置。②从有效衰减能量，李雅普诺夫第二方法用于确定目标函数，优化激励器和传感器的结构，及柔性结构的振动控制。③主动件和被动阻尼器的最优配置基于输出速度反馈进行了研究。④在独立模态空间控制方法，以系统的能源消耗为目标函数，得出的结论是，消耗的能量系统是独立于执行机构的安排。⑤使用速度反馈，提出了一种基于系统耗散能量的优化布置准则。⑥以系统耗散能积分为目标函数，求解最优传感器布置问题。考虑系统的总能量，比如控制力引起的陀螺效应，更能反映实际情况。当能量相关准则用于同时优化传感器位置时，往往与系统的初始状态有关。假设结构受到冲击载荷，系统的初始状态所产生的反应也可以被假定为一个单位球面上均匀分布随机变量，然后跟踪进行消除的影响目标函数的初始状态。

1.2传感器优化配置计算方法

传感器通常部署在结构系统和有限元分析的表面节点上。这属于组合优化问题，即整数规划问题。假设m个致动器或传感器需要部署在n个可选位置。如果我们使用穷举方法，我们需要次函数。当n和m较大时，用穷举法求解它们需要较多的时间。考虑控制增益，包括连续变量和离散变量。目前，没有一种很好的方法来解决这一问题。由于组合优化的困难，其求解一直是热门领域。目前，各种有效方法被提出，需根据具体情况加以使用。

1.2.1非线性规划优化方法

对于形状规则的梁和板，可以得到模态和固有频率的表达式。此时，传感器结构优化问题可以通过拟牛顿法和递推二次规划法等非线性规划方法直接求解。对于一些复杂的传感器配置问题，可通过将离散变量转换为连续变量进行求解[3]。如果目标函数是一个具有小变量的线性函数，这种方法是非常有效的。这些方法和非线性规划优化方法比较成熟，但它们需要利用目标函数的梯度，往往在局部最优解。此外，优化方法的结果还需修改，有限元模型对应的节点将使原解不可用。

1.2.2序列法

它可以分为累积法和逐步消除法。基本方法是将最佳配置从剩余的可选位置添加到最佳配置，直到达到所需的数量为止。与累积方法相比，逐步消除方法从传感器的剩余可选位置移除最小或最小贡献位置中的一个或多个，直到仅保留所需数量的可选位置为止。

1.2.3推断算法

该方法首先任意选择N个位置，然后每次从N个位置中移除一个位置，以最小化目标函数的变化，然后从其他Np-N位置中添加另一个位置。如果目标函数升高，则保持该位置。重复这个过程直到收敛，其中Np是可选位置。

1.2.4随机类方法

随机方法与推理方法相似，但其位置位移方法是概率性的，不属于局部极小值。随机方法分为模拟退火算法和遗传算法。根据统计力学和热力学，衍生了退火算法。首先，将其应用于组合优化问题的求解。从理论上证明了模拟退火算法可以收敛到全局最优解。关键工作是初始温度、退火速度等数据。由于这些参数因具体问题而异，难以合理选择这些参数，导致搜索效率无法控制，导致搜索时间过长。根据达尔文的生物进化论，衍生了遗传算法。它模拟了自然界的“适者生存”方式。基本思想是在遗传计算的过程中。高体质个体的基因是遗传的，低体质个体的基因是逐渐消失的。虽然遗传算法已经被应用于组合优化，但它只是一个简单的生物进化系统的近似模拟，遗传算法本身还需要进一步的研究。由于随机方法不必使用局部最优解，在求解组合优化问题中应用较广。

1.3现有方法中的不足

控制性、可观性准则较早被采用，并在现有的执行机构优化配置准则中得到了充分的研究。此外，它的几何意义和物理意义是清楚的。但仅考虑控制系统的设计，效果并不理想。在优化配置计算方面，现有方法效率低下，甚至不能解决一些复杂的问题。因此，其计算方法仍是该类问题的主要方法。

2缸盖振动传感器位置优化

对大功率船用柴油机的初步设计模型进行了适当的简化，通过模态分析，提取了缸盖的前10阶固有频率和振动模态。考虑到柴油机缸盖固有振动频率与激励频率的相关性，为传感器的位置优化提供了理论依据。

3总结

优化传感器位置可以有效地提取柴油机表面各个测量点的振动信号并进行状态监测。进排气门间隙异常、排气门泄漏、活塞缸套磨损、主轴承磨损等故障诊断可在各种工况下进行。另外，柴油机的故障诊断也可以在其他检查点进行。比如对活塞缸套发生的敲、拉缸失效、活塞销和连杆铜套异常、连杆轴承磨损失效、连杆螺栓松动等关键部件进行了监测与诊断。因此，通过建立各测量点的振动特征值数据库，进行趋势分析和预测，并通过适当的振动建模，可以应用于不同柴油机的运行状态监测和故障诊断。

参考文献：

[1]张立元，廖华新.柴油机振动信号特征提取与故障诊断[J].内燃机与配件，2017（07）：100-101.

[2]张玲玲，杨青乐，杨万成，贾继德，张光阳，张海峰.柴油机振动信号非平稳周期特征的极坐标增强研究[J].内燃机工程，2014，35（05）：33-37，45.

[3]常丽，杜宪峰.柴油机机体结构振动信号特征参数计算分析[J].内燃机工程，2015，36（03）：113-116.

[4]董安，潘宏侠.柴油机振动信号的分形特征及故障诊断[J].噪声与振动控制，2014，34（02）：144-147.

作者:徐琛 吴超 刘利军 王玉宝 单位:海军驻沪东中华造船(集团)有限公司代表室