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多缸柴油机做功不均匀动力学分析与精准识别方法研究

摘要

船用柴油机智能化程度越来越高，对柴油机的可靠性要求也进一步提高，各大船级

社在智能船舶的智能机舱部分均要求对柴油机各缸的做功状态进行监测报警。面对这一

要求，准确监测各缸做功的技术手段得到迅速发展。当前，市场上常用方法是每个气缸

盖安装加速度传感器或者监测各气缸的排气温度，但这些方法的成本价格较为昂贵，此

外，对于多缸柴油机的振动信号而言，各缸之间的振动存在相互干扰，增加了诊断难度，

且各缸排温通常具有一定差异，给缸数较多的柴油机精准定位故障气缸带来了困难。本

文试图利用转速传感器采集的瞬时转速信号，探索一种精度高且成本低的做功不均匀故

障气缸的识别方法，为智能机舱发展提供技术支撑。

本文针对V型16缸柴油机的做功不均匀故障气缸进行高精度识别方法研究，利用

集总参数法建立曲轴系统扭振模型，分析正常工况和做功不均匀故障工况下的柴油机轴

系扭振特性和瞬时转速变化规律。以瞬时转速信号为纽带，提出考虑控制系统影响的柴

油机曲轴动力学分析模型。将传统研究中分别考虑的控制系统和动力学系统的仿真计算

进行耦合分析，经过与实验对比验证，该模型对柴油机瞬时转速波动仿真的误差在10%

以内，较传统仿真模型的仿真精度有一定提高。

利用建立的仿真模型，得到正常工况和做功不均匀故障工况下飞轮端的瞬时转速波

形曲线，根据柴油机故障时的转速变化规律，将正常工况与故障工况下的转速曲线做差

值处理，通过找到差值曲线中的最大值前的相邻零点，利用该零点的相位定位柴油机的

故障气缸（零点法），经对一型柴油机16个故障气缸运行时的转速波形差值曲线进行

分析，定位误差不超过4°，证明该故障气缸定位方法具有一定的准确性。

为验证本文提出气缸做功不均匀故障诊断方法的准确性，同时兼顾实机模拟的可行

性，以做功不均匀的极限情况—失火故障为切入点，利用柴油机故障模拟实验台架，获

得柴油机在正常工况和失火故障工况下的瞬时转速信号，并划分数据集，利用卷积神经

网络进行柴油机失火故障诊断。将试验数据的失火故障转速波动规律与仿真计算的结果

的进行对比，并利用零点法在多工况下进行定位计算，故障气缸定位准确度为95.35%，

验证了零点法定位故障气缸的准确性和普遍适用性。

利用LABVIEW虚拟仪器编程软件开发了柴油机做功不均匀故障诊断系统，实现柴

油机失火故障即时诊断的功能，使用弹窗界面、故障指示灯、波形示意图等较好的人机

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

交互形式，以满足用户友好性、适应性和人机交互效率的需求。利用该软件进行故障数

据采集和处理试验，证明了该系统的可靠性。本文提出的故障诊断算法已应用于我国首

条油电混合拖轮的智能机舱研发中，并在审图中获得船级社认可。

关键词：多缸柴油机；做功不均；动力学；识别

多缸柴油机做功不均匀动力学分析与精准识别方法研究

Abstract

Marinedieselenginesarebecomingmoreandmoreintelligent,andthereliability

requirementsofdieselenginesarefurtherimproved,andmajorclassificationsocietiesrequire

monitoringandalarmingtheworkstatusofeachcylinderofdieselenginesintheintelligent

nacellepartofintelligentships.Inthefaceofthisrequirement,thetechnicalmeansof

accuratelymonitoringtheworkdonebyeachcylinderhavebeenrapidlydeveloped.Atpresent,

thecommonmethodonthemarketistoinstallanaccele