气阀故障信号特征与识别

    气阀机构是往复机械的重要部件之一，也是易损件之一。进排气阀的主要故障有气阀与气阀座的配合部件磨损、烧坏，气阀间隙过大或过小，气阀杆弯曲变形，气阀弹簧的折断等故障。这些故障如前所述可以通过对振动信号检测、分析处理进行识别。
    由于结构条件的限制，在气阀机构故障的监测中很难将传感器安装在反映故障最敏感的位置，一般只能安装在附近的气缸盖上。从缸盖上测得的振动信号同时包含有气体爆压冲击信号、排气阀开启时气体节流产生的冲击信号和进、排气阀落座冲击信号。对这些信号，应该根据上止点信号和气阀机构正常工作的规律，通过分析处理，找出信号的频率特征，进而对气阀机构各种故障的性质、原因进行判断。
    在往复机械运转过程中，气阀的落座、开启是一个较小的瞬态冲击力，混杂于各种振动信号中，实际应用中很难提取。图1为试验获得的气阀落座、开启的实际信号，从图中可以看出，气阀落座冲击主要引起高频振动。从图2中缸盖振动和气体压力的相干分析可以看出，缸内气体压力主要产生低频振动能量。

 

图1 缸盖在气阀冲击作用下的振动特征              图1 缸盖响应的相干分析

     (a)缸盖外表面；(b)缸盖内表面             (a)缸盖振动一气体压力相干谱；(b) 自功率谱

    由于气体压力和气阀落座力在频率域上有明显不同的特征，很容易将它们分离开来。但是，频率域上是采用功率谱分析，失去了相位信息，很难从频率域上区别进、排气阀落座冲击特征。所以，还必须从时域上分离这些激励源，根据不同的激励力作用于缸盖的相位不同，分离出这些激励力。图3是一个周期内缸盖振动的时域波形，说明缸盖的振动具有瞬态冲击响应的特点。根据上止点信号和内燃机配气定时规律，可以识别这些信号。

图3 缸盖响应时城信号

    如图4所示，利用延迟触发和瞬态窗技术，可以分析出不同激励对缸盖振动的贡献。利用进排气阀的上述信号特征（频率4 - 6kHz，不同气阀动作时产生的冲击振动信号与上止点信号有不同的相位关系），可以判断出究竟是哪个气阀出现了故障以及故障的严重程度。

图4 不同激励在缸盖上引起振动

(a)气缸爆压；(b)排气阀开；(c)排气阀落座；(d)进气阀落座