柴油机状态检测技术研究现状浅析

刘君 火箭军士官学校

随着柴油机使用时间的增长，其零部件磨损程度的增大以及可能存在的疲劳损伤等，都将导致柴油机性能的下降，甚至引起故障。挖掘机、装载机等工程机械的工作性质，决定了其柴油机具有大功率、高强度、高负荷、工作条件复杂、故障率高等特点，一旦发生故障，将直接影响工程机械的工作状态。为此，必须加强对柴油机状态的检测与评价，实时掌握柴油机状态的优劣情况，提早发现故障征兆，提高装备保障效能。

国外在柴油机状态检测技术与评价方法方面的研究较为深入，经过多年的发展，形成了系统的监测管理理念和领先的技术水平，研发了一系列的监测设备。但是我国在这一方面的研究还比较落后，长期受“定期维修”等思想的影响，存在诸多的不足。

一、当前常用的柴油机状态检测诊断技术

柴油机检测诊断技术是进行柴油机状态检测的重要手段，先进的检测诊断技术能够提高检测的准确性。目前，常用的柴油机检测诊断方法主要有以下几种：状态参数监测法，振动分析法和油液分析法。

（一）状态参数监测法

状态参数监测法主要是通过对柴油机的各种运行参数（如转速、功率、压力、温度等）进行测量，然后分析各参数的异常情况来对柴油机的运行状态进行监测诊断。例如温度监测法是通过分析机械设备箱体、底座或者相关零部件等表面的温度变化情况来对设备状态和故障情况进行监测诊断的方法。机械设备在运行过程中，温度变化情况与设备故障、磨损等状况紧密相连，甚至裂纹的产生也会引起周围材料温度的变化。

但是在有些时候，温度等状态参数的变化并不明显，只有当故障达到一定的程度时，才会有明显的反映。并且有些参数易受外界环境以及使用条件的影响，参数测量结果的准确性难以保证。

（二）振动分析法

柴油机在运行过程中的振动信号及其特征包含反映自身整体状况的重要信息，并能一定程度上揭示整体状况的变化规律。振动分析法是利用安装在设备适当位置的振动传感器来获取设备的振动信号，并通过分析振动信号来对设备状态进行检测诊断，这也是机械设备故障及状态检测诊断过程中最有效、最常用的方法之一。振动分析法具有以下优点：振动信号易于获取，实现了不解体诊断；振动信号来源于设备本身，不需要外加振动源；可根据不同结构振动的不同特征，有效的检测诊断出不同部位存在的问题；可以实现实时故障检测与诊断等。但是由于机械设备通常内部结构零部件较多，以及所处的环境复杂、噪声干扰较多，有用的信号常常和噪声信号混杂在一起，所以有时难以进行准确的故障诊断。并且当对设备振动信号规律不明确时，很难从振动信号中获取关于设备状态的有用信息。

对振动信号进行分析处理的方法很多，主要集中在时域分析法、频域分析法和时频域分析法三个方面。近年来，随着检测诊断技术和方法的发展，在融合各相关学科新理论的基础上，产生了很多新的振动信号分析方法，例如产生了基于神经网络、盲源分离、模糊理论的故障诊断和状态检测技术。

（三）油液分析法

如果说柴油机是车辆的心脏，那么柴油机润滑油便是心脏的血液，柴油机润滑油液的理化性质及其金属元素成分和含量的变化蕴含着柴油机运行状态的丰富信息。通过油液光谱、铁谱分析技术，对设备磨损状态进行分析，是包括柴油机在内的机械设备状态检测的重要手段。美国西部铁路部门最早在1940年左右开始对铁路机车所用润滑油进行了分析，取得了明显的成效。随后，油液分析方法逐渐得到了美军的重视，建立了一些油液分析中心，研究获得了一些油液分析手段，开发形成了一些油液检测设备。近年来，油液分析方法也得到了国际许多国家的重视。

由于油液中含有柴油机运行过程产生的各种磨损产物，因此通过油液分析能够有效的掌握柴油机的磨损机理、判断磨损部位并预测磨损发展趋势。油液分析方法操作简单，避免了对柴油机的拆解检查，有着较好的应用前景。但是由于柴油机运转中要不断的消耗机油，因此要不断的定期换油，这样也就必然带来了油液中元素含量的跳跃性变化，也就不能用一些科学模型来对磨损情况进行预测，给油液分析工作带来了一定的困难。

二、相关研究成果

国外在柴油机状态检测与评价方面的研究开始较早，也较为深入，形成了一定的理论体系和研究方法，并转化成了硬件设计，实现了柴油机状态的在线监测。如美军在主战坦克上配备了一种数字诊断和预测“工具箱”，通过对柴油机状态参数的实时检测，能够进行故障定位和状态评价。美国GE公司通过多种传感器对机车柴油机上的多个参数进行测量，研发了该型柴油机的在线监测系统，实现了对柴油机工作状态的实时检测与评价。

我国在这方面也进行了一定的研究。西安宏达微电子技术研究所研制的多功能柴油机工况自动监测系统，可以对柴油机的转速、缸压、零部件温度等参数进行不断地检测。

三、发展趋势

从目前研究进展和发展需要看，柴油机状态检测发展趋势是：

检测技术综合化研究。近年来，美国不断将现代高新技术应用于维修领域，形成了多技术综合的检测手段，极大提高了维修保障效率和效能。随着科技发展，柴油机结构越发复杂，零部件数量庞大，对其状态检测与评价能力的要求也相应提高，因此开展检测技术综合化研究是十分必要的，这也是装备保障建设发展的方向。

检测设备嵌入式研究。通过将符合要求的传感器，特别是适合柴油机检测需要的长寿命传感器深埋于柴油机内部，结合嵌入式系统，可以为后期检测评价提供极大地方便，并提高评价的准确性。目前美国、日本等国家将超薄型传感器安置在发动机内部，实现了对发动机温度等参数的实时检测。