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摘要：通過(guò)對(duì)某大功率船用柴油機(jī)原設(shè)計(jì)模型的簡(jiǎn)化，運(yùn)用模態(tài)分析方法提取了缸蓋的前10階固有頻率和振型。考慮了缸蓋固有頻率與柴油機(jī)激勵(lì)頻率的相關(guān)性，為傳感器的位置優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；模態(tài)分析；傳感器

0引言

當(dāng)部件之間的磨損間隙過(guò)大時(shí)，柴油機(jī)的機(jī)械性能和振動(dòng)都會(huì)發(fā)生變化。因此，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵部件振動(dòng)現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)和振動(dòng)信號(hào)的分析，可以了解被測(cè)對(duì)象的內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)，從而提高柴油機(jī)的振動(dòng)性能。麻省理工學(xué)院的R．H．Lyon教授做了大量的基礎(chǔ)理論研究。日本的T．Katagi和R．Kimura利用振動(dòng)和聲音信號(hào)診斷船用柴油機(jī)故障。華中科技大學(xué)、武漢理工大學(xué)、西南交通大學(xué)、海軍工程大學(xué)等高校也在這方面做了諸多研究工作，取得了豐富成果[1]。振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法可用于柴油機(jī)氣門機(jī)構(gòu)、增壓器和活塞缸套的故障診斷。柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)故障診斷的關(guān)鍵工作，是分析缸蓋或缸體振動(dòng)信號(hào)，提取柴油機(jī)燃燒激振力和排氣門座響應(yīng)的頻率特性[2]。

1傳感器優(yōu)化配置方法

傳感器需要能夠感知高度結(jié)構(gòu)化的機(jī)械狀態(tài)，即振動(dòng)系統(tǒng)的位移、速度和加速度，如直接轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，直接反映振動(dòng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，必須具有足夠的可靠性和靈敏性。振動(dòng)信息的快速準(zhǔn)確獲取。此外，傳感器的尺寸小而薄，與原有的結(jié)構(gòu)材料很好地結(jié)合。它不影響結(jié)構(gòu)的形狀。該傳感器具有覆蓋范圍廣、頻響寬、外部干擾小的特點(diǎn)。可在結(jié)構(gòu)的溫濕度范圍內(nèi)正常工作，與其他電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)兼容。

1.1傳感器優(yōu)化配置準(zhǔn)則

目前，在傳感器優(yōu)化配置標(biāo)準(zhǔn)中，提出了多種傳感器優(yōu)化布置準(zhǔn)則，包括可控性/可觀性準(zhǔn)則、系統(tǒng)能量準(zhǔn)則、系統(tǒng)響應(yīng)準(zhǔn)則、可靠性準(zhǔn)則、控制溢出/觀測(cè)溢出準(zhǔn)則等[4]。以下是基于系統(tǒng)能量準(zhǔn)則的相關(guān)說(shuō)明。①閉環(huán)模態(tài)能量耗散系數(shù)是用來(lái)評(píng)估活動(dòng)中引入模態(tài)阻尼的相對(duì)大小的結(jié)構(gòu)減振控制，建立多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，并研究活性成分的最佳配置。②從有效衰減能量，李雅普諾夫第二方法用于確定目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化激勵(lì)器和傳感器的結(jié)構(gòu)，及柔性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制。③主動(dòng)件和被動(dòng)阻尼器的最優(yōu)配置基于輸出速度反饋進(jìn)行了研究。④在獨(dú)立模態(tài)空間控制方法，以系統(tǒng)的能源消耗為目標(biāo)函數(shù)，得出的結(jié)論是，消耗的能量系統(tǒng)是獨(dú)立于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安排。⑤使用速度反饋，提出了一種基于系統(tǒng)耗散能量的優(yōu)化布置準(zhǔn)則。⑥以系統(tǒng)耗散能積分為目標(biāo)函數(shù)，求解最優(yōu)傳感器布置問(wèn)題。考慮系統(tǒng)的總能量，比如控制力引起的陀螺效應(yīng)，更能反映實(shí)際情況。當(dāng)能量相關(guān)準(zhǔn)則用于同時(shí)優(yōu)化傳感器位置時(shí)，往往與系統(tǒng)的初始狀態(tài)有關(guān)。假設(shè)結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊載荷，系統(tǒng)的初始狀態(tài)所產(chǎn)生的反應(yīng)也可以被假定為一個(gè)單位球面上均勻分布隨機(jī)變量，然后跟蹤進(jìn)行消除的影響目標(biāo)函數(shù)的初始狀態(tài)。

1.2傳感器優(yōu)化配置計(jì)算方法

傳感器通常部署在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和有限元分析的表面節(jié)點(diǎn)上。這屬于組合優(yōu)化問(wèn)題，即整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題。假設(shè)m個(gè)致動(dòng)器或傳感器需要部署在n個(gè)可選位置。如果我們使用窮舉方法，我們需要次函數(shù)。當(dāng)n和m較大時(shí)，用窮舉法求解它們需要較多的時(shí)間。考慮控制增益，包括連續(xù)變量和離散變量。目前，沒(méi)有一種很好的方法來(lái)解決這一問(wèn)題。由于組合優(yōu)化的困難，其求解一直是熱門領(lǐng)域。目前，各種有效方法被提出，需根據(jù)具體情況加以使用。

1.2.1非線性規(guī)劃優(yōu)化方法

對(duì)于形狀規(guī)則的梁和板，可以得到模態(tài)和固有頻率的表達(dá)式。此時(shí)，傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題可以通過(guò)擬牛頓法和遞推二次規(guī)劃法等非線性規(guī)劃方法直接求解。對(duì)于一些復(fù)雜的傳感器配置問(wèn)題，可通過(guò)將離散變量轉(zhuǎn)換為連續(xù)變量進(jìn)行求解[3]。如果目標(biāo)函數(shù)是一個(gè)具有小變量的線性函數(shù)，這種方法是非常有效的。這些方法和非線性規(guī)劃優(yōu)化方法比較成熟，但它們需要利用目標(biāo)函數(shù)的梯度，往往在局部最優(yōu)解。此外，優(yōu)化方法的結(jié)果還需修改，有限元模型對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)將使原解不可用。

1.2.2序列法

它可以分為累積法和逐步消除法。基本方法是將最佳配置從剩余的可選位置添加到最佳配置，直到達(dá)到所需的數(shù)量為止。與累積方法相比，逐步消除方法從傳感器的剩余可選位置移除最小或最小貢獻(xiàn)位置中的一個(gè)或多個(gè)，直到僅保留所需數(shù)量的可選位置為止。

1.2.3推斷算法

該方法首先任意選擇N個(gè)位置，然后每次從N個(gè)位置中移除一個(gè)位置，以最小化目標(biāo)函數(shù)的變化，然后從其他Np-N位置中添加另一個(gè)位置。如果目標(biāo)函數(shù)升高，則保持該位置。重復(fù)這個(gè)過(guò)程直到收斂，其中Np是可選位置。

1.2.4隨機(jī)類方法

隨機(jī)方法與推理方法相似，但其位置位移方法是概率性的，不屬于局部極小值。隨機(jī)方法分為模擬退火算法和遺傳算法。根據(jù)統(tǒng)計(jì)力學(xué)和熱力學(xué)，衍生了退火算法。首先，將其應(yīng)用于組合優(yōu)化問(wèn)題的求解。從理論上證明了模擬退火算法可以收斂到全局最優(yōu)解。關(guān)鍵工作是初始溫度、退火速度等數(shù)據(jù)。由于這些參數(shù)因具體問(wèn)題而異，難以合理選擇這些參數(shù)，導(dǎo)致搜索效率無(wú)法控制，導(dǎo)致搜索時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。根據(jù)達(dá)爾文的生物進(jìn)化論，衍生了遺傳算法。它模擬了自然界的“適者生存”方式。基本思想是在遺傳計(jì)算的過(guò)程中。高體質(zhì)個(gè)體的基因是遺傳的，低體質(zhì)個(gè)體的基因是逐漸消失的。雖然遺傳算法已經(jīng)被應(yīng)用于組合優(yōu)化，但它只是一個(gè)簡(jiǎn)單的生物進(jìn)化系統(tǒng)的近似模擬，遺傳算法本身還需要進(jìn)一步的研究。由于隨機(jī)方法不必使用局部最優(yōu)解，在求解組合優(yōu)化問(wèn)題中應(yīng)用較廣。

1.3現(xiàn)有方法中的不足

控制性、可觀性準(zhǔn)則較早被采用，并在現(xiàn)有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化配置準(zhǔn)則中得到了充分的研究。此外，它的幾何意義和物理意義是清楚的。但僅考慮控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，效果并不理想。在優(yōu)化配置計(jì)算方面，現(xiàn)有方法效率低下，甚至不能解決一些復(fù)雜的問(wèn)題。因此，其計(jì)算方法仍是該類問(wèn)題的主要方法。

2缸蓋振動(dòng)傳感器位置優(yōu)化

對(duì)大功率船用柴油機(jī)的初步設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，通過(guò)模態(tài)分析，提取了缸蓋的前10階固有頻率和振動(dòng)模態(tài)。考慮到柴油機(jī)缸蓋固有振動(dòng)頻率與激勵(lì)頻率的相關(guān)性，為傳感器的位置優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

3總結(jié)

優(yōu)化傳感器位置可以有效地提取柴油機(jī)表面各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)并進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。進(jìn)排氣門間隙異常、排氣門泄漏、活塞缸套磨損、主軸承磨損等故障診斷可在各種工況下進(jìn)行。另外，柴油機(jī)的故障診斷也可以在其他檢查點(diǎn)進(jìn)行。比如對(duì)活塞缸套發(fā)生的敲、拉缸失效、活塞銷和連桿銅套異常、連桿軸承磨損失效、連桿螺栓松動(dòng)等關(guān)鍵部件進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與診斷。因此，通過(guò)建立各測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)特征值數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行趨勢(shì)分析和預(yù)測(cè)，并通過(guò)適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)建模，可以應(yīng)用于不同柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。

參考文獻(xiàn)：

[1]張立元，廖華新.柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)特征提取與故障診斷[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2017（07）：100-101.

[2]張玲玲，楊青樂(lè)，楊萬(wàn)成，賈繼德，張光陽(yáng)，張海峰.柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)非平穩(wěn)周期特征的極坐標(biāo)增強(qiáng)研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2014，35（05）：33-37，45.

[3]常麗，杜憲峰.柴油機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)特征參數(shù)計(jì)算分析[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2015，36（03）：113-116.

[4]董安，潘宏俠.柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)的分形特征及故障診斷[J].噪聲與振動(dòng)控制，2014，34（02）：144-147.

作者:徐琛 吳超 劉利軍 王玉寶 單位:海軍駐滬東中華造船(集團(tuán))有限公司代表室