內(nèi)燃機(jī)是油氣生產(chǎn)和船舶儲(chǔ)運(yùn)等行業(yè)廣泛使用的一種大型設(shè)備，它以制造技術(shù)成熟、熱效率高、變工況及多臺(tái)機(jī)組聯(lián)網(wǎng)適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。但由于內(nèi)燃機(jī)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行工況的復(fù)雜性，使得內(nèi)燃機(jī)在變載運(yùn)行過(guò)程中易發(fā)生故障，常規(guī)監(jiān)測(cè)方式不容易獲得其故障信號(hào)。

圖.工廠中大型內(nèi)燃機(jī)設(shè)備（圖源網(wǎng)絡(luò)）

往復(fù)式機(jī)械設(shè)備通常需要利用一系列機(jī)構(gòu)將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成往復(fù)運(yùn)動(dòng)（例如往復(fù)壓縮機(jī)）或者將往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（例如內(nèi)燃機(jī)）。因而其機(jī)械結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)形式也較為復(fù)雜。與一般旋轉(zhuǎn)機(jī)械相比，有著信號(hào)源復(fù)雜、負(fù)荷變化大、信號(hào)提取困難、撞力不穩(wěn)定、測(cè)點(diǎn)選擇不確定等特性，這使得內(nèi)燃機(jī)的信號(hào)反饋十分復(fù)雜，從技術(shù)上給故障診斷帶來(lái)較大的困難。

圖.內(nèi)燃機(jī)運(yùn)作示意圖

內(nèi)燃機(jī)故障主要包括燃燒性能與機(jī)械往復(fù)件故障兩大類(lèi)，具體如下圖。常見(jiàn)的故障監(jiān)測(cè)技術(shù)有振動(dòng)參數(shù)法、熱力參數(shù)法、油液分析法等，通過(guò)對(duì)某一特性的監(jiān)測(cè)來(lái)判斷設(shè)備故障情況。目前，市面上大多采用單一的監(jiān)測(cè)手段，很難對(duì)內(nèi)燃機(jī)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)做出精準(zhǔn)的判斷。

圖.內(nèi)燃機(jī)常見(jiàn)故障

沖擊、漏氣和摩擦是內(nèi)燃機(jī)最主要的信號(hào)類(lèi)型，不同頻率的信號(hào)在時(shí)域頻譜圖中很難區(qū)分其組成部分，但在頻譜圖中可以區(qū)分開(kāi)，例如選用振動(dòng)與超聲的不同測(cè)量范圍，可以把振動(dòng)產(chǎn)生的頻率與運(yùn)動(dòng)部件聯(lián)系起來(lái)。幾種類(lèi)型的信號(hào)采用不同的頻段組合，既可隔離干擾又能反映振動(dòng)的能量大小，各種信號(hào)相互印證，結(jié)合性能分析，便能對(duì)內(nèi)燃機(jī)等往復(fù)機(jī)械進(jìn)行全面地分析與診斷。

圖.超聲波、振動(dòng)信號(hào)的頻段劃分

內(nèi)燃機(jī)設(shè)備的振動(dòng)特性比較復(fù)雜，單一的監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)可以有一定程度上對(duì)往復(fù)機(jī)械的故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷，但由于它運(yùn)動(dòng)的相對(duì)復(fù)雜性，在監(jiān)測(cè)與診斷過(guò)程中應(yīng)考慮多方因素的影響。

我們以PreMaint設(shè)備健康管理平臺(tái)為例，PreMaint綜合運(yùn)用動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)和溫度、油液分析等技術(shù)，基于內(nèi)燃機(jī)的物理特性、物理規(guī)律，利用動(dòng)力學(xué)規(guī)律建立機(jī)理模型，使用統(tǒng)計(jì)模型相關(guān)算法，結(jié)合時(shí)域數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備特征數(shù)據(jù)及各類(lèi)報(bào)警預(yù)警數(shù)據(jù)等，構(gòu)建內(nèi)燃機(jī)故障診斷模型和故障分析可視化服務(wù)，有效、針對(duì)性的對(duì)內(nèi)燃機(jī)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障智能診斷。

圖.傳感器測(cè)點(diǎn)示意圖

1.多源數(shù)據(jù)采集

針對(duì)油氣生產(chǎn)和船舶儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)的特殊環(huán)境，PreMaint在線監(jiān)測(cè)傳感器具有防爆、耐腐蝕、易安裝等特性。設(shè)備的鍵相信號(hào)可以輔助振動(dòng)頻率成分分析和相位分析，動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)可以通過(guò)算法處理來(lái)輔助分析熱力性能故障和機(jī)械性能故障。所以，通過(guò)在設(shè)備關(guān)鍵部位安裝傳感器采集包括加速度信號(hào)、電渦流位移信號(hào)、動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)、鍵相信號(hào)等，來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

傳感器將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集終端，數(shù)據(jù)采集終端通過(guò)以太網(wǎng)/4G/5G/WIFI等方式將數(shù)據(jù)傳輸至PreMaint，系統(tǒng)對(duì)多源信息進(jìn)行融合與計(jì)算，用于全面評(píng)價(jià)設(shè)備的健康狀態(tài)。

2.遠(yuǎn)程診斷監(jiān)測(cè)

設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)采集到的多源數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程診斷中心，在中心監(jiān)控室基于PreMaint設(shè)備健康管理平臺(tái)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析、評(píng)估設(shè)備健康狀態(tài)。

PreMaint具備綜合故障診斷及健康評(píng)估能力，能夠根據(jù)各參數(shù)（振動(dòng)、溫度、示功圖、油液等）監(jiān)測(cè)診斷內(nèi)燃機(jī)故障。以振動(dòng)監(jiān)測(cè)為例，能夠提供周期內(nèi)的變化概況、歷史變化趨勢(shì)等，通過(guò)測(cè)得特征參數(shù)曲線能夠監(jiān)測(cè)診斷內(nèi)燃機(jī)機(jī)械故障并報(bào)警顯示，如活塞環(huán)斷裂等。通過(guò)示功圖等參數(shù)判斷以燃燒性能為典型代表的內(nèi)燃機(jī)性能評(píng)定，根據(jù)這些反映內(nèi)燃機(jī)工作狀態(tài)水平，如缸間不平衡、點(diǎn)火提前等；以油液分析判斷內(nèi)燃機(jī)磨損件的磨損程度等故障做出有效分析評(píng)估。

圖.氣缸壓力曲線和閥蓋的振動(dòng)波形

某油氣生產(chǎn)企業(yè)16缸V型排列的發(fā)動(dòng)機(jī)，在采集的振動(dòng)與超聲波數(shù)據(jù)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，其中右3#缸排氣門(mén)存在二次關(guān)閉異常現(xiàn)象。經(jīng)PreMaint設(shè)備健康管理平臺(tái)智能分析，在壓縮沖程的后期和做功沖程的前期，隨著缸內(nèi)容積的減小和可燃混合氣的迅速燃燒，缸內(nèi)壓力急劇上升，缸內(nèi)與排氣管內(nèi)的壓差也隨著增大，缸內(nèi)的高壓氣體便從密封不嚴(yán)的排氣門(mén)急速向排氣管內(nèi)漏出，產(chǎn)生較強(qiáng)的超聲波噪聲。系統(tǒng)智能診斷綜合評(píng)估為氣門(mén)組件（如墊圈、彈簧）因積炭、老化等導(dǎo)致卡塞、關(guān)閉不嚴(yán)的故障。各測(cè)點(diǎn)波形圖如下：

 圖.氣門(mén)組件拆解，與系統(tǒng)判斷一致

內(nèi)燃機(jī)的工作狀態(tài)直接影響到企業(yè)生產(chǎn)的有序進(jìn)行和員工人身安全。通過(guò)應(yīng)用PreMaint對(duì)其實(shí)施在線監(jiān)測(cè)，可以有效預(yù)知設(shè)備故障和運(yùn)行狀態(tài)，在設(shè)備故障發(fā)生之前對(duì)設(shè)備進(jìn)行合理及時(shí)的維護(hù)，避免非計(jì)劃停機(jī)和臨時(shí)性的備件計(jì)劃，保障生產(chǎn)順利進(jìn)行和正常生活秩序。

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作者/王鵬   編輯/霖霖同學(xué)