D绍033yssn10010x.198.北.景科技大学学报 第20卷第5期 Vol.20 No.5 1998年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1998 分形在柴油机燃油系故障诊断中的应用 廖 明石博强张文明 冯雅丽 北京科技大学资源工程学院，北京100083 摘要通过研究柴油机高压油管在喷油过程中，产生的振动信号中包含的丰富的燃油系工况信 息，发现这一信号具有分形特征，即统计意义上的自相似性，类似一种1/「噪声.利用分形理论可 以将其丰富的信息浓缩于信号的功率谱指数或容量维数中，并通过分析它的功率谐指数对燃油 系各种工况的敏感性，进行燃油系的不解体诊断.实例诊断表明，它是一种较好的故障诊断方法， 关键词柴油机：燃油系；分形振动：故障诊断 分类号TH133.33;TH165.3 燃油系故障诊断的方法主要有：将压力传感器串接在高压油路中，通过测燃油压力的变 化，分析喷油过程的各种参数来进行诊断，这是最有效和准确的方法；用外卡式传感器代替串 接式传感器测燃油压力变化；通过分析喷油器和高压泵上的振动信号的频谱特征来反映喷 油过程的各种参数)，上述方法各有它的优缺点， 高压油管的振动信号的振源主要有2个：一是因柴油机燃烧引起的振动通过机体传到油 管上，引起油管的低频振动；二是喷油时，高压高速的燃油在油管中流动、振荡引起的高频振 动.但加上油泵、喷油器等的振动的影响，就形成了一个复杂的、宽带的、连续谱的振动信 号，正是由于其频域成分的复杂性，所以用传统的频谱分析很困难 笔者在STEYR汽车发动机故障诊断中，测得各种工况下的高压油管振动，通过分析它们 的功率谱的特点发现，其功率谱密度S(f)随频率∫成幂指数衰减，即S()~f“,而这正与 1/∫噪声的功率谱类似)，是一种典型的分形信号.振动信号的丰富信息高度浓缩于它的功率 谱指数a(或容量维)中，通过分析功率谱指数α对燃油系各种故障的敏感性，笔者提出了一种 新的基于分形的不解体故障诊断方法， 1自相似过程 柴油机喷油过程中，高压油管的振动信号具有长期相关性，即在较大时间差下，信号的变 化有着较强的相关性，所以，这种随机过程也被称为长记忆过程。它的自相关系数依负幂指 数下降，而不是像传统的短记忆过程，依负指数下降.自相关系数依负幂指数下降，意味着数 据组成结构中的自相似性，即其时域图形在不同尺度下具有相似的形状.这可以用下式定 义： X(at)4a"x(1) (1) 其中，a>0,丝表示依概率分布相等；He[0,1]被称为自相似系数或Hust指数，在随机分形理 199710-05收稿睾明男，25岁，博士生 ·国家自然科学基金资助课题第 2 0卷 1 9 8年 第 5期 1 0月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f nU i v e r s iyt o f Sc i e n c e a n d T e e h n o l o g y B e i j i n g V 0 1 . 2 0 N o . 5 《 k t . 1 99 8 分形在柴油 机燃油系故障诊断 中的应用 廖 明 石 博强 张文 明 冯稚丽 北 京科技大学资源工 程 学院 , 北 京 10 0 0 8 3 摘要 通过研究柴油机高压油管在喷油过 程 中 , 产 生 的振动信 号中包含 的丰富 的燃油 系工 况信 息 , 发现这 一信号具有分形特征 , 即统计意义 上 的 自相似性 , 类似 一种 l/ f 噪声 . 利用 分形理论可 以将其 丰富的信 息浓缩于 信号 的功率谱指数或容量 维数 中 , 并 通 过分析 它的功率谱指数 对燃油 系各种工况 的敏感性 , 进行燃油系的不解体诊断 . 实例诊 断表明 , 它是 一种较好的故 障诊 断方法 . 关健词 柴油机; 燃油系; 分形振动 ; 故障诊断 分类号 T H 1 33 . 33 ; T H 16 5 . 3 燃油 系故 障诊 断的方法 主要有 : 将 压力 传感器 串接在 高 压 油路 中 , 通 过 测燃 油 压力 的 变 化 , 分析喷油过程 的各 种参数来 进行诊 断 , 这是最 有效 和准 确 的方法 ; 用外 卡 式传感 器代 替 串 接式 传感 器测燃 油压力变化 1[] ; 通过分析 喷油 器和 高压 泵上 的 振动 信号 的 频谱特 征来 反 映 喷 油过 程 的各种参数 2j[ . 上述方法各有它 的优缺点 . 高压油 管 的振动信 号的振源主要有 2 个 : 一是 因 柴 油机 燃 烧引起 的振 动通 过机 体传到油 管上 , 引起 油 管的低频振 动 ; 二 是 喷油时 , 高压 高速 的燃 油 在 油管 中流 动 、 振 荡引起 的高 频 振 动 . 但 加 上油 泵 、 喷 油器 等 的振 动 的影 响 , 就 形 成 了 一 个 复 杂 的 、 宽 带 的 、 连 续 谱 的 振 动 信 号 . 正是 由于其频域成分的复杂性 , 所 以 用传统 的频 谱分 析很 困 难 . 笔 者在 S T E Y R 汽车发 动机 故障诊断 中 , 测得 各种 工况 下 的高压 油管 振动 , 通过 分析 它们 的功 率谱 的特 点发现 , 其功率谱 密度 s (f ) 随频 率 f 成 幂 指数 衰 减 , 即 S ( f) 一 f “ , 而 这 正 与 lf/ 噪声 的功率谱类似 3[] , 是一种典型的分形 信号 . 振 动信 号 的丰 富信息 高度浓 缩于 它 的功率 谱指 数 a (或容量维 ) 中 , 通过分析 功率谱指 数a 对燃 油系 各种 故障的敏 感性 , 笔者提 出 了一种 新 的基于 分形 的不解体故障诊 断方 法 . 1 自相 似过程 柴 油机 喷油过程 中 , 高压油 管的振 动信号具 有 长期 相 关性 , 即在 较大 时间 差下 , 信 号的变 化有 着 较 强的相 关性 . 所 以 , 这 种 随机过 程也 被 称为 长 记 忆过 程 . 它 的 自相 关系 数依 负 幂指 数 下 降 , 而 不是像 传统 的短记 忆过 程 , 依 负指 数 下 降 . 自相 关 系数 依负 幂 指数 下 降 , 意 味 着数 据 组 成 结 构 中的 自相 似性 , 即其 时 域 图形 在 不 同尺 度 下 具 有 相 似 的形 状 . 这 可 以 用 下 式 定 义’l] : 其 中 , a > 0 , 些 x ( 。 r ) 些。 , , x ( r ) 表示依 概率分布 相等 ; H以 0 , l] 被称 为 自相似 系数 或 ( l ) H u srt 指 数 , 在 随机分 形理 19 9 7 一 1 0 一 0 5 收稿 廖 明 男 , 2 5岁 , 博士 生 * 国 家 自然 科学基金 资助 课题 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1998. 05. 003