TBD234型舰艇柴油机高压油管压力波监测技术研究
时间：2020-04-05 05:10:40 来源：千叶帆 本文已影响人
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摘 要：针对舰船动力装置柴油机主要故障源燃油喷射系统，目前尚没有有效的、有针对性的监测诊断仪器，利用测量高压油管内的压力波并分析其特征的方法，对燃油喷射系统进行状况监测和故障诊断。采用夹持式压力传感器进行间接测量高压油管压力的手段，以PC104工业计算机主板为基础，配备合适的工业接口数据采集设备和传感器，从测试对象测取压力波信号，编制程序进行分析、处理，显示监测结果，同时进行数据存储工作。选取TBD234型舰艇柴油机为研究对象，研制舰用柴油机高压油管压力波监测装置原理样机。经实船试验验证，该样机测量数据准确，工作性能稳定、可靠。
关键词：柴油机 高压油管 压力波 夹持式传感器 监测
中图分类号：U66 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（c）-0118-02
海军舰艇广泛采用柴油机作为主动力装置原动机，同时柴油机几乎是所有舰艇电站的原动机，担负着向全舰提供动力和能源的重要任务，它是舰艇的“心脏”。航行过程中，柴油机长期处于较大负荷运行状态，产生故障是不可避免的，保障柴油机安全、可靠运行是舰船远航的重要前提。
由于柴油机本身往复结构的复杂性，其测试诊断工作难度很大。其中燃油喷射系统是柴油机的主要故障源，燃油喷射系统主要由喷油泵、高压油管和喷油器等组成，其工作质量直接影响柴油机工作过程及整机性能，决定柴油机的经济性和可靠性。柴油机的实际喷射过程是燃油在由喷油泵、高压油管和喷油器组成的弹性系统中不稳定的波动过程。波动过程中高压油管内每时每处压力波的形伏、压力波上的特征点及其对应的特征参数在一定程度上反映了喷射系统的工作状况。因此，测量高压油管内的压力波并分析其特征是对燃油喷射系统进行状况监测和故障诊断的前提。
由于目前尚没有有效的、有针对性的舰艇柴油机燃油喷射系统监测诊断仪器，于是笔者及同事选择TBD234型舰艇柴油机作为研究对象，探索柴油机高压油管压力波监测技术，并研制舰用柴油机高压油管压力波监测装置，可为柴油机燃油喷射系统的状况监测和故障诊断工作打下工作基础，从而降低设备故障率，减少维修次数及维修费用。
1 柴油机高压油管压力波测试技术分析
为尽量减小燃油喷射系统高压油管的弹性膨胀对喷射过程的影响，高压油管一般由厚壁无缝钢管制成。即便如此，高压油管在燃油的高压下还是会产生一定的弹性变形，外卡式压力传感器就是感受该变形来测量油管内瞬时压力的动态变化过程。
笔者及同事用高压油泵在试验台上做实验，得到图1所示高压油管典型压力波曲线图。当高压油泵转速n=350 r/m，喷油开启压力P=21 MPa，400循环喷油量27.2 mL，用外卡式压力传感器测量的压力波。当柱塞上行到关闭进回油孔时，几何供油开始。随着柱塞的上行，柱塞偶件内腔的油压逐渐升高，当压力升高到大于高压油管内腔残余压力和出油阀弹簧作用力时，出油阀开启，见图1中a点，燃油进入高压油腔，使高压油腔内的压力在a点开始上升。随着柱塞继续上行，高压油腔内的压力迅速上升，当喷油器端压力达到喷油器开始喷油压力时，见图1中b点，喷油器针阀抬起向燃烧室内喷油。此时，部分燃油被喷出，压力升高率出现暂时下降。但柱塞继续上行，因供油量大于喷油量，高压油腔内的压力继续上升，在b点附近会出现小幅度的压力波动。当柱塞螺旋斜边打开回油孔时，即为几何供油终点，见图1中c点，高压油腔内的压力达到最大值。此时，由于供油停止、回油孔逐渐开大，压力急剧下降，随后针阀落座，见图1中d点，喷油终止。
波形检查的方法是：首先检查各缸的供油提前角。供油提前角是柴油机的重要技术参数，若发现检测到的供油提前角普遍过大或过小，则分析燃油压力波的同时要考虑供油提前角调整是否符合技术要求，燃油粘度是否过低，环境温度是否过低等因素。其次分析油压波形，即可推断出喷油泵或喷油器故障问题。
根据工程力学，高压油管可视为内壁受压的厚壁圆管来处理。当油管受内压，轴向伸长完全被阻碍，即在外壁处于二向应力状态时，油管外壁的径向变形可用下式计算：
式中，μ为高压油管外壁面的径向变形，mm；P为高压油管内燃油的压力，MPa；E为高压油管的弹性模量；λ为高压油管的泊松比；K为高压油管内外径之比。
由上式可知，高压油管外壁面的变形与高压油管的材料有关。当材料一定时，主要受内外径之比K的影响，因此在检测时要考虑壁厚对测量结果的影响。
夹持式压力传感器检测原理是：当高压油管在燃油压力作用下产生膨胀变形时，油管的变形张力通过传力块传递到压电片上，压电片由于正压电效应而产生电荷，该电荷经后续处理电路处理后，即可得到表示压力大小的电压信号。
2 舰艇柴油机高压油管压力波监测装置研制
2.1 总体设计
该监测装置的目的是能够测量、记录舰艇柴油机高压油管压力，供检测人员进行分析。相应指标为：
高压油管压力测量方式：管外夹持式测量；
高压油管压力测量范围：5～100 MPa；
高压油管压力测量精度：1%。
根据测试需要，该系统由传感器、信号调理电路板、A/D数据采集卡、工控计算机和相关测试程序组成。制作思路为：以PC104工业计算机主板为基础，配合合适的工业接口数据采集设备和传感器，从测试对象测取压力波信号，编制程序进行分析、处理，显示监测结果，同时进行数据存储工作。
2.2 监测装置硬件设计
监测装置硬件包括传感器、A/D数据采集卡、工控计算机和电源等附属器件。
传感器包括压力波传感器和上止点传感器。
信号调理电路板上包括滤波电路和电荷放大电路。压力传感器的输出信号也需要进行放大和预处理工作后才能进入数据采集电路，对此设计了滤波电路和电荷放大电路。滤波器用来消除干扰杂讯，对输入或输出的信号中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除。电荷放大电路采用了ICA10X电荷放大器模块，A/D数据采集卡将调理后的传感器信号进行采集量化后送到计算机进行处理。
工控计算机主板以PC104工业计算机主板为基础来实现，是对传感器信号进行分析的硬件核心。
电源采用小型多路电源模块，为信号调理电路板、A/D数据采集卡、工控计算机主板等硬件设备供电。
2.3 软件程序设计
在系统硬件的基础上，软件完成动态监测、记录高压油管压力波的功能。主要功能如下。
（1）控制A/D数据采集卡进行压力和上止点信号的采集、存储。
（2）压力波信号时域特征参数的计算。
（3）压力波信号时域特征参数历史存储数据的浏览；
采用Delphi语言进行程序编制，数据库采用通用的Access数据库，使用ADO数据库连接方式。
程序启动后，主界面包括了所有功能控制按钮和压力波的显示控件。
点击“开始监测”按钮即可开始高压油管压力波、上止点信号测试，测试数据量为32 768点，持续时间大约2～5 min。测试完成后，在界面主体的图片框中显示压力波信号和上止点信号，其中压力波信号以红色曲线显示，上止点信号以绿色曲线显示。同时计算绝对均值、最大峰值、方根幅值、均方幅值、波形指标、峰值指标、脉冲指标、裕度指标、歪度指标、峭度指标等时域特征参数，显示在右下部文本框中。此时即可进行波形分析，来判断柴油机运行的状态。
高压油管压力波、上止点信号测试完成后，点击“存储数据”按钮，在弹出的存储文件对话框中选择存储路径和文件名称，点击“保存”完成数据的存储。点击“退出系统”按钮退出测试程序。
3 结语
以上研究了舰艇柴油机高压油管压力波测量方法和特征提取计算，并制作软硬件完成了原理样机，初步完成了实用的监测仪器作制作，也为柴油机故障监测做出了一份贡献。
寻找一种简便的柴油机喷油系统状态监测和故障诊断方式是国内外目前努力的重要目标，使用夹持式传感器进行高压油管压力波的监测，其安装十分方便，实用性较强。针对舰艇TBD234型柴油机，研制相应的压力波测量装置，它面向的是通用柴油机设备，不仅可用于海军装备的监测诊断，同样可用于其他多种场合，在面向工程应用上也有着重要的意义和价值。进一步完善推广后将产生明显的经济效益。
参考文献
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