METODY PRZETWARZANIA SYGNAŁÓW WIBROAKUSTYCZNYCH W DIAGNOZOWANIU SILNIKÓW SPALINOWYCH

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 1 Seria: TRANSPORT z. 69 Nr kol. 1834 Henryk MADEJ METODY PRZETWARZANIA SYGNAŁÓW WIBROAKUSTYCZNYCH W DIAGNOZOWANIU SILNIKÓW SPALINOWYCH Streszczenie. W artykule przedstawiono przykłady zastosowania analizy falkowe sygnałów przyspieszeń drgań zareestrowanych na kadłubie i głowicy silnika ZI w celu wykrycia symulowanych uszkodzeń. Analiza sygnałów drgań związanych z pracą silnika spalinowego est utrudniona ze względu na złoŝony sygnał wywołany ednoczesnym działaniem wielu źródeł. Sygnał przyspieszeń drgań reestrowany na kadłubie i głowicy silnika est niestaconarny i zawiera składowe impulsowe. Dlatego w diagnostyce drganiowe silników korzystne est stosowanie metod czasowo-częstotliwościowych, takich ak analiza falkowa, które umoŝliwiaą tworzenie uŝytecznych cech diagnostycznych. W artykule przedstawiono przykłady zastosowania pakietu analizy falkowe (WPT) do wykrywania symulowanych uszkodzeń silnika. Z badań wynika, Ŝe zastosowana metoda moŝe być uŝyteczna do diagnozowania róŝnych uszkodzeń silnika spalinowego. APPLICATION OF VIBROACOUSTICS SIGNAL PROCESSING METHODS FOR IC ENGINE DIAGNOSTICS Summary. In this paper, the wavelet transforms of vibration acceleration signals which were acquired from the cylinder head and engine block for various faulty and healthy conditions of IC engine was used to fault detection. The analyssis of vibration signals associated with internal combustion engines is complicated due to the complexity of the engines and diffrent sources of vibration. The engine vibration signal is inherently a transient one even in engine steady operation. The time-frequency localization features of the wavelet transforms make them suitable for IC engine fault diagnosis and monitoring. In the present investigation, a fault diagnosis technique based on wavelet packet transform (WPT) used to engine fault detection. The experimental results show that proposed method is useful for detection the faults in various engine working conditions 1. WPROWADZENIE Systemy diagnostyczne, wykorzystywane we współczesnych silnikach spalinowych, maą na celu lokalizacę elementu lub układu, który wskutek naturalnego zuŝycia lub uszkodzenia nie moŝe dale pełnić swoe funkci określone przez producenta [1]. Rosnące wymagania, co do trwałości i niezawodności silników spalinowych oraz minimalizaci kosztów i niekorzystnego oddziaływania na otoczenie, powoduą, Ŝe istniee konieczność pozyskiwania informaci o ich stanie podczas eksploataci. Wprowadzenie

98 H. Made obowiązku produkowania poazdów samochodowych zgodnych z wymogami normy OBDII spowodowało, Ŝe istnieą obecnie moŝliwości dostępu do danych przechowywanych w sterownikach poszczególnych układów. Dzięki temu rozwiązaniu poawiaą się nowe moŝliwości diagnozowania stanu technicznego tych układów [7, 1]. Nawiększą efektywność pokładowego systemu diagnostycznego zapewniono w zakresie kontroli emisi związków toksycznych. JednakŜe niektóre uszkodzenia, takie ak: narastaące zuŝycie gniazd zaworowych i przylgni zaworów, przesunięcie faz rozrządu, zuŝycie gładzi cylindrowe nawet ponad wymiary dopuszczalne dla danego silnika, w wielu przypadkach potwierdzonych w praktyce, nie stanowią podstawy do reakci systemu diagnostycznego. Naczęstszą przyczyną tego stanu są stosowane algorytmy adaptacynego sterowania silników spalinowych. Jest to sterowanie procesami o zmieniaących się właściwościach dynamicznych oraz o zmieniaących się własnościach zakłóceń stochastycznych, podczas którego przeprowadza się estymacę parametrów modelu procesu i zakłóceń w celu uaktualnienia algorytmu sterowania. Sterowanie adaptacyne silnika moŝe prowadzić do tego, Ŝe poawiaące się błędy zostaną ukryte albo zaadaptowane. Usterki mechaniczne oraz zuŝycie eksploatacyne, szczególnie we wczesnych fazach rozwou, są kompensowane przez adaptacyne systemy regulaci wskutek przyętych dopuszczalnych zakresów regulaci [4]. Dopiero po wystąpieniu większe awarii przebieg procesu regulaci est tak bardzo zakłócony, Ŝe znalezienie usterki będzie stosunkowo łatwe, poniewaŝ system przestawi się na pracę w trybie awarynym. We współczesnych silnikach algorytmy detekci spalania stukowego są częścią składową systemu sterownika silnika ZI. Realizowana zmiana kąta wyprzedzenia zapłonu ma istotny wpływ na charakter mierzonego sygnału drganiowego. Stwarza to niebezpieczeństwo maskowania usterek mechanicznych przez układy sterowania i moŝe być powodem powaŝnieszych awarii. Zmiany stanu technicznego silnika, wywołane wczesnymi fazami ego zuŝycia, są trudne do wykrycia. W badaniach wibroakustycznych silników waŝnym zagadnieniem est odpowiednia interpretaca złoŝonych sygnałów pomiarowych przez zastosowanie coraz doskonalszych metod ich przetwarzania [, 6, 8, 9, 14, 1]. Do głównych zadań w diagnozowaniu moŝna zaliczyć: separacę uŝytecznego sygnału wibroakustycznego oraz wybór charakterystycznych cech przetworzonego sygnału wraŝliwych na uszkodzenia.. DIAGNOZOWANIE SILNIKÓW SPALINOWYCH METODAMI WIBROAKUSTYCZNYMI Jednym ze sposobów pozyskiwania informaci diagnostyczne est pomiar drgań generowanych przez silnik. Silnik spalinowy est obiektem podlegaącym oddziaływaniu wymuszeń wewnętrznych i zewnętrznych. Jednym z istotnych wymuszeń występuących w trakcie pracy układu tłokowo-korbowego są siły bezwładności tłoka przy zmianie ego kierunku ruchu. Wartość wymuszenia zaleŝy w istotny sposób od luzu pomiędzy tłokiem a ścianką cylindra [, 6], spowodowanym zuŝyciem eksploatacynym silnika. Wartość siły est funkcą ciśnienia spalania oraz prędkości obrotowe silnika. Sygnał drganiowy, reestrowany w dowolnym miescu na korpusie silnika, est waŝoną sumą e odpowiedzi na wszystkie zdarzenia elementarne, przy czym ako wagi występuą tu sploty z impulsowymi funkcami prześcia od miesca generaci do odbioru sygnału diagnostycznego.

Wykorzystanie metod wibroakustycznych 99 Wszystkie układy silnika spalinowego pracuą w określone koleności. Uporządkowane są takŝe zdarzenia elementarne zachodzące w parach kinematycznych. Wobec tego, według połoŝenia impulsu uderzeniowego względem sygnału odniesienia, moŝna określić parę kinematyczną silnika, która go wytworzyła. Sygnał wibroakustyczny generowany przez silnik spalinowy moŝna przedstawić w uproszczone postaci: x( t) = Ai cos( ω it + ϕi ) + Bi ( t) u( t t )cos( ωit + ϕi ), (1) gdzie: A i i B i (t) amplitudy składowych sygnału, ω i i ω i częstości drgań składowych, u(t) funkca impulsowa, t czas określaący wystąpienie zawiska impulsowego, ϕ i i ϕ i fazy składowych sygnału. Pierwszy składnik równania odzwierciedla główne składowe harmoniczne, które charakteryzuą się zwykle duŝymi wartościami amplitud. Po usunięciu składowych niskoczęstotliwościowych (rys. 1) otrzymue się sygnał resztkowy, zawieraący wysokoczęstotliwościowe składowe impulsowe. Rys. 1. Sygnał przyspieszeń drgań silnika rozłoŝony na składowe nisko i wysokoczęstotliwościowe Fig. 1. Vibration acceleration signal of IC engine decomposed on low and high frequency components PowyŜsze przekształcenie sygnału ułatwia wydzielenie sygnału sumarycznego badane pary kinematyczne silnika za pomocą selekci czasowe lub kątowe. Sygnały wibroakustyczne generowane przez poszczególne pary kinematyczne i osprzęt silnika spalinowego, ze względu na występowanie zawisk nieliniowych wywołanych m.in. występowaniem luzów, nieliniowości charakterystyk elementów spręŝystych, są z reguły niestaconarne. Charakterystyki częstotliwościowe sygnałów w istotny sposób zaleŝą od transmitanci drogi propagaci sygnałów składowych od źródeł do punktu pomiaru. Drgania

1 H. Made mierzone na bloku maą złoŝony charakter ze względu na nakładanie się sygnałów pochodzących od róŝnych źródeł. Z powyŝszych względów diagnozowanie uszkodzeń silników est procesem trudnym. 3. ANALIZA SYGNAŁÓW W DZIEDZINIE CZAS - SKALA Dyskretna transformata falkowa znadue coraz szersze zastosowanie w diagnostyce maszyn. Je rozwinięciem są tzw. pakiety falkowe, umoŝliwiaące wielorozdzielczą dekompozycę sygnału (WPT) [11 1]. Pakiety falkowe składaą się z liniowe kombinaci rozwinięć funkci falkowych: gdzie: i = 1,, 3..., parametr skali, k parametr przesunięcia. ψ i, k ( ψ t) = ( t k), () i ψ Funkca est zdefiniowana poprzez następuące zaleŝności: t = ψ ( ) h i ( k ) ψ ( t k), (3) ψ + 1 t = ( ) g i ( k ) ψ ( t k ). (4) Dyskretne filtry h(k) i g(k) są filtrami lustrzanymi, związanymi z funkcami skaluącymi i funkcami falkowymi [1, 13]. Algorytm wielorozdzielcze dekompozyci sygnału za pomocą pakietów falek (WPT) przedstawiono na schemacie blokowym (rys. ). h(k) g(k) Dolnoprzepustowa filtraca i decymaca SYGNAŁ x(t) Górnoprzepustowa filtraca i decymaca H = G =1 1 H G H G 1 = 3 H G H G H G H G 1 3 =3 4 6 7 Rys.. Algorytm dekompozyci za pomocą pakietów falkowych Fig.. Algorithm for wavelet packet decomposition Algorytm dokonue analizy częstotliwościowe sygnału przez iteracę dwukanałowego zespołu filtrów, składaącego się z filtrów dolno- i górnoprzepustowych. Sygnał uzyskany

Wykorzystanie metod wibroakustycznych 11 w wyniku filtraci w poprzednim kroku poddawany est dalsze filtraci. W wyniku kaŝde iteraci uzyskue się składową wysokoczęstotliwościową, zwaną detalem, oraz składową niskoczęstotliwościową, zwaną aproksymacą. Proces dekompozyci sygnału est procesem iteracynym, wielopoziomowym, kolene detale i aproksymace podlegaą dalsze dekompozyci. Algorytm obliczeniowy ma postać zespołu filtrów o strukturze drzewa binarnego, w którym rozwiana est gałąź dolno- i górnoprzepustowa za pomocą pary tych samych filtrów. Ten rodza analizy est ostatnio powszechnie stosowany, poniewaŝ umoŝliwia tworzenie zestawów wzorców cech diagnostycznych stosowanych ako dane weściowe klasyfikatorów neuronowych [14, 16]. PowyŜsze właściwości analizy falkowe powoduą, Ŝe est ona coraz częście wykorzystywana w diagnostyce silników spalinowych, gdzie mamy do czynienia z przetwarzaniem sygnałów niestaconarnych ze składowymi impulsowymi. 3. OBIEKT I PRZEBIEG BADAŃ Badania poazdów wyposaŝonych w silniki z zapłonem iskrowym o poemności 1,1 dm 3 przeprowadzono na hamowni podwoziowe FLA 3 firmy BOSCH. Podczas badań reestrowano przyspieszenia drgań kadłuba i głowicy silnika oraz prędkość obrotową i połoŝenie wału korbowego w funkci czasu. Sygnały reestrowano za pomocą ośmiokanałowe karty akwizyci danych NI PCI-6143, sterowane programem opracowanym w środowisku LabView 7.1. Celem badan było określenie wpływu braku dopływu paliwa LPG do poszczególnych cylindrów na charakterystyki sygnału drganiowego. W ramach badań symulowano 7 róŝnych stanów pracy silnika (silnik sprawny, wyłączane koleno cylindry 1,, 3, 4, wyłączne parami cylindry 1 4, 3). 4. WYNIKI BADAŃ Przebiegi czasowe przyspieszeń drgań oraz ich dekompozyce na składowe niskoi wysokoczęstotliwościowe, zrealizowane z uŝyciem filtraci falkowe dla ednego cyklu roboczego silnika pracuącego na biegu ałowym w przypadku wyłączenia dopływu paliwa do cylindrów 1 i 4 silnika, przedstawiono na rys. 3. W odfiltrowanym za pomocą dekompozyci falkowe sygnale moŝna zauwaŝyć niskoczęstotliwościowe zakłócenia wywołane symulowanym stanem silnika. Na rys. 4 zestawiono wyniki aproksymaci A, a na rys. przedstawiono detale D4 dla pięciu symulowanych stanów pracy silnika. Na podstawie przedstawionych wyników analizy falkowe moŝna w prosty sposób określić miary energetyczne z rozkładów na róŝnych poziomach dekompozyci. Energia współczynników rozkładu falkowego dla wybranego poziomu dekompozyci i zakresu pasma k est określona:, k = k, k E c. ()

1 H. Made 1 Sygnał zareestrowany - -1 1 3 4 6 7 Sygnał odfiltrowany - 1 3 4 6 7 Sygnał residualny 1 - -1 1 3 4 6 7 Rys. 3. Dekompozyca sygnału przyspieszeń drgań silnika z wyłączonym 1. i 4. cylindrem w okresie ednego cyklu roboczego Fig. 3. Vibration acceleration signal of IC engine for 1 and 4 cylinder off /s m /s m /s m /s m - 1 3 4 6 7 b - 1 3 4 6 7 c - 1 3 4 6 7 d - 1 3 4 6 7 e - 1 3 4 6 7 a Rys. 4. Aproksymace na poziomie A: a-silnik sprawny, b - wyłączony 1. cylinder, c - wyłączony. cylinder, d - wyłączony 1. i 4. cylinder, e - wyłączony. i 3. cylinder Fig. 4. Approximation coefficients A, a-icengine in healthy condition, b - 1 cylinder off, c - cylinder off, d - 1 and 4 cylinder off, e - and 3 cylinder off

Wykorzystanie metod wibroakustycznych 13 1-1 1 3 4 6 7 b 1-1 1 3 4 6 7 c 1-1 1 3 4 6 7 d 1-1 1 3 4 6 7 e 1-1 1 3 4 6 7 Rys.. Detale na poziomie D4: a - silnik sprawny, b - wyłączony 1. cylinder, c - wyłączony. cylinder, d - wyłączony 1. i 4. cylinder, e - wyłączony. i 3. cylinder Fig.. Details coefficient D4, a-icengine in healthy condition, b - 1 cylinder off, c - cylinder off, d - 1 and 4 cylinder off, e - and 3 cylinder off a 4. PODSUMOWANIE Na podstawie przeprowadzonych badań oraz ostatnio publikowanych prac na ten temat moŝna wnioskować, Ŝe wielorozdzielcza dekompozyca falkowa est dobrym narzędziem do budowy zbioru cech diagnostycznych. Ten rodza analizy est ostatnio powszechnie stosowany, poniewaŝ umoŝliwia tworzenie zestawów wzorców cech diagnostycznych stosowanych ako dane weściowe klasyfikatorów neuronowych. Z przeprowadzonych badań wynika, Ŝe identyfikaca charakterystyk dynamicznych kadłuba silnika spalinowego moŝe w znacznym stopniu ułatwić interpretacę wyników pomiarów drgań w procesie diagnozowania. Określenie struktury rezonansowe silnika ma istotne znaczenie w rozwiązywaniu zagadnień identyfikaci źródeł drgań oraz dróg rozchodzenia się energii wibroakustyczne w silniku. Bibliografia 1. Batko W., Ziółko M.: Zastosowanie teorii falek w diagnostyce techniczne. Problemy InŜynierii Mechaniczne i Robotyki, nr 7, Kraków.. Czech P., Made H.: Wykorzystanie analizy WPT i sieci neuronowych PNN w diagnozowaniu zakłóceń w dopływie paliwa do cylindrów. Problemy Eksploataci, nr 1/9. 3. Dąbrowski Z., Made H.: Masking mechanical damages in the modern control systems of combustion engines. Journal of Kones, Vol. 13, No. 3/6.

14 H. Made 4. Dąbrowski Z., Made H.: O uŝyteczności symptomów wibroakustycznych w nowoczesne diagnostyce silników spalinowych. Przegląd Mechaniczny, nr 1/7, s. 3-3.. Fabis P., Flekiewicz M., Flekiewicz B., Made H., Wonar G.: Influence of piston slap on engine block vibration. SAE Paper, No. 7 1 163. 6. Geveci M.: An investigation of crankshaft oscillations for cylinder health diagnostics. Mechanical Systems and Signal Processing, 19 (), p. 117-1134. 7. Isermann R.: Diagnosis methods for electronic controlled vehicles. Vehicle System Dynamics, Vol. 36, No. 3. 8. Liu B.:Selection of wavelet packet basis for rotating machinery fault diagnosis. Journal of Sound and Vibration, 84(), p. 67-8. 9. Made H., Flekiewicz M., Wonar G.: Spatial-phase selection of diesel engine vibroacustic signal for piston slap diagnostic. Journal of Kones. Powertrain and Transport, Vol. 14, No. /7, p. 133-144. 1. Merkisz J., Mazurek S.: Pokładowe systemy diagnostyczne poazdów samochodowych. WKiŁ, Warszawa 4. 11. Peng Z. K., Chu F. L.:Application of the wavelet transform in machine condition monitoring and fault diagnostics: a review with bibliography. Mechanical Systems and Signal Processing, 18(4), p. 199-1. 1. Wu J. D., Liu C. H.: Investigation of engine fault diagnosis using discrete wavelet transform and neural network. Expert Systems with Applications, 3 (8), p. 1-113. 13. Wu J. D., Chen J. C.: Continuous wavelet transform technique for fault signal diagnosis of internal combustion engines. NDT&E International, 39(6), p. 34-311. 14. Yan R., Gao R. X.: An efficient approach to machine health diagnosis based on harmonic wavelet packet transform. Robotics and Computer Integrated Manufacturing, 1(), p. 91-31. 1. Zhang Z., Tomita E.: Knocking detection using wavelet instantaneous correlation metod. JSAE Review 3(), p. 443-44. Recenzent: Prof. dr hab. inŝ. Zbigniew Dąbrowski Praca powstała w wyniku realizaci proektu BK-93 /RT/9.