發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓擰緊力矩對(duì)機(jī)體振動(dòng)的影響

王 然

（淮陰工學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓擰緊力矩對(duì)機(jī)體振動(dòng)的影響

王 然

（淮陰工學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

針對(duì)缸蓋螺栓擰緊力矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體振動(dòng)有直接影響的問題，借助必要的振動(dòng)測(cè)試硬件，應(yīng)用NILabVIEW開發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集與分析、數(shù)據(jù)擬合程序，以6135K-13型柴油機(jī)為研究對(duì)象，在給出振動(dòng)測(cè)試方案的基礎(chǔ)上，對(duì)采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理，研究了缸蓋螺栓擰緊力矩與機(jī)體振動(dòng)之間的定量關(guān)系，并對(duì)此關(guān)系進(jìn)行了驗(yàn)證。

螺栓；擰緊力矩；發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)；LabVIEW

發(fā)動(dòng)機(jī)作為獨(dú)立工作的動(dòng)力裝置，在工程中應(yīng)用很廣泛。發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生異常振動(dòng)時(shí)，不僅使機(jī)體本身振動(dòng)加劇，而且會(huì)激勵(lì)機(jī)內(nèi)零部件及各種附屬裝置、車架等振動(dòng)，從而引起各種沖擊振動(dòng)損壞。

引起發(fā)動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)的因素有很多，缸蓋螺栓擰緊力矩便是其中之一。本文以臺(tái)式計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，配備必要的測(cè)試硬件，借助LabVIEW軟件，開發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，研究了缸蓋螺栓擰緊力矩與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體振動(dòng)之間的定量關(guān)系。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)

圖1 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，根據(jù)傳感器選用原則及實(shí)際測(cè)試條件，選用壓電加速度傳感器與電荷放大器集成在一起的LC0155型傳感器，和朗斯公司專為L(zhǎng)C01系列內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理的LC0201-2信號(hào)調(diào)理器，數(shù)據(jù)采集卡則選用NI公司的DAQCARD-PCI-6014型插卡[1]，其為一款基于臺(tái)式計(jì)算機(jī)PCI插槽的采集卡。編程軟件選用NILabVIEW。

1.1 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集提供了整個(gè)測(cè)試分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，LabVIEW的DAQ程序包括模擬輸入、輸出、計(jì)數(shù)器操作以及數(shù)字輸入、輸出等[2]，本試驗(yàn)所用到的主要是模擬量的輸入。數(shù)據(jù)采集程序，集信號(hào)采集與頻譜分析于一體，用于單通道或多通道信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其功能及實(shí)現(xiàn)方式如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

該程序采用了Data Acquisition中AnalogInput功能下的AIWaveform NChan Samp模塊進(jìn)行采集的控制，信號(hào)分析中調(diào)用了Filter、FFT等現(xiàn)成的子VI模塊。

采集數(shù)據(jù)前，應(yīng)對(duì)采集通道數(shù)、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣速率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，還需對(duì)濾波器、窗函數(shù)類型等進(jìn)行選擇。對(duì)各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置好后，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)”按鈕，即可進(jìn)行信號(hào)的采集，可以利用前面板中的波形圖（Waveform Chart）進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。

1.2 數(shù)據(jù)讀取與分析程序設(shè)計(jì)

為了保證振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性，在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓各測(cè)試擰緊力矩一定的前提下，每隔10 s就采樣一組數(shù)據(jù)（即1幀），本次試驗(yàn)共測(cè)取15幀數(shù)據(jù)，在求得每幀振幅最大值或均方根值最大值基礎(chǔ)上，計(jì)算15幀最大振幅值（或均方根值）的均值，以此作為缸蓋螺栓在該擰緊力矩下的機(jī)體振動(dòng)量。

在數(shù)據(jù)讀取與分析程序設(shè)計(jì)中，共采用了兩個(gè)For Loop循環(huán)結(jié)構(gòu)、兩個(gè)移位寄存器以及Signal Analysis下的Statistics子VI。數(shù)據(jù)讀取與分析模塊的程序流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)讀取與分析程序流程圖

1.3 數(shù)據(jù)擬合程序設(shè)計(jì)

從數(shù)據(jù)讀取與分析程序中讀取保存的文件，利用Signal Analysis功能下的Curve Fitting子VI對(duì)處理后的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。通過比較不同的數(shù)據(jù)擬合方式，對(duì)振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果得出，采用5階Polynomial Fit擬合方式對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合時(shí)，均方誤差MSE最小，即擬合效果最好，故本文采用這種數(shù)據(jù)擬合方式。數(shù)據(jù)擬合程序流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)擬合程序流程圖

2 發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋振動(dòng)測(cè)試

2.1 測(cè)試條件與方案

本試驗(yàn)以6135K-13型柴油機(jī)為測(cè)試對(duì)象，經(jīng)理論計(jì)算知，該發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓預(yù)緊力范圍為42734～86578 N，其對(duì)應(yīng)的螺栓擰緊力矩為147～297.8 N·m，實(shí)際測(cè)試范圍取 160～290 N·m[3]。測(cè)試時(shí)水溫約為85℃，油溫約為60℃，油壓為0.25～0.35 MPa。

本次試驗(yàn)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7184-87《中小功率柴油機(jī)振動(dòng)測(cè)量方法》，將柴油機(jī)用螺栓剛性安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，并在機(jī)上布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于缸蓋邊沿、缸蓋中間和機(jī)體側(cè)面。

測(cè)試振動(dòng)時(shí)，缸蓋螺栓擰緊力矩從下限160N·m開始，采取螺栓擰緊力矩每增加5 N·m就測(cè)取一組數(shù)據(jù)，直至上限290N·m。測(cè)試過程中，將發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置3 種轉(zhuǎn)速，即 780 r/min、1080 r/min、1200 r/min，分別采集發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下不同測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)量，為數(shù)據(jù)分析與擬合程序提供原始數(shù)據(jù)。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋振動(dòng)測(cè)試

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)共有6缸，且兩缸共用一缸蓋，本次試驗(yàn)以5、6缸缸蓋作為測(cè)試研究對(duì)象。測(cè)試時(shí)，振動(dòng)傳感器分別放置于5、6缸缸蓋邊沿、中間和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體側(cè)面靠近飛輪處[4]，以測(cè)取發(fā)動(dòng)機(jī)在3種不同轉(zhuǎn)速下，這些位置的振動(dòng)情況。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1080 r/min、機(jī)體側(cè)面位置振動(dòng)數(shù)據(jù)采集界面如圖5所示。表1為機(jī)體振動(dòng)測(cè)試部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖5 振動(dòng)數(shù)據(jù)采集界面

從表1可以看出：

（1）在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定、缸蓋螺栓擰緊力矩允許范圍內(nèi)，起初發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體振動(dòng)隨螺栓擰緊力矩增加而逐漸減??；但當(dāng)振動(dòng)減小到一定數(shù)值后，機(jī)體振動(dòng)又隨著螺栓擰緊力矩增加而逐漸增大，由此可以推斷，螺栓在某一擰緊力矩范圍內(nèi)，可使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體振動(dòng)最小。

（2）在缸蓋螺栓擰緊力矩一定條件下，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增高，機(jī)體振動(dòng)幅度也有不同程度的增大。

（3）用振幅最大值和均方根值，作為特征參數(shù)分析機(jī)體振動(dòng)時(shí)，兩者分析的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)分析與擬合

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)分析方法有兩種：一種是以一組數(shù)據(jù)中每幀數(shù)據(jù)最大值均值，作為分析參數(shù)，來進(jìn)行分析；另一種是以一組數(shù)據(jù)中每幀數(shù)據(jù)均方根值均值，作為分析參數(shù)，來進(jìn)行分析，限于篇幅，本文僅給出后一種方法分析結(jié)果。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試部分?jǐn)?shù)據(jù)

螺栓擰緊扭矩為175 N·m，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1200 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)5、6缸機(jī)體側(cè)面位置振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果，如圖6所示。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)分析圖

從圖6可以看出，雖然每幀數(shù)據(jù)的均方根值不同，但除個(gè)別點(diǎn)波動(dòng)較大外，其余點(diǎn)變化均較小，且基本沿某一中心線上下變化，因此取多幀數(shù)據(jù)均方根值均值，作為分析參數(shù)是較科學(xué)的數(shù)據(jù)分析方法。

利用編制的擬合程序，對(duì)分析處理后的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下，螺栓擰緊力矩與機(jī)體振動(dòng)量間的擬合曲線，其中轉(zhuǎn)速為1080 r/min、機(jī)體側(cè)面的振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)擬合曲線如圖7所示。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)擬合圖

由圖7可知，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1080 r/min、機(jī)體側(cè)面處的振動(dòng)量與螺栓擰緊力矩的關(guān)系式為

式中，

y為機(jī)體振動(dòng)量，V；

x為螺栓擰緊力矩，N·m。

為判斷振動(dòng)測(cè)試分析結(jié)論是否正確，需通過用任意螺栓擰緊力矩下，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)情況來加以驗(yàn)證。為使驗(yàn)證數(shù)據(jù)具有代表性，采集了在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為780 r/min、1080 r/min，螺栓擰緊力矩分別為182 N·m和253N·m情況下3個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，來進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，螺栓在182N·m、253N·m擰緊力矩下的振動(dòng)量，基本落在已擬合的曲線上，說明采用振動(dòng)數(shù)據(jù)的均方根值均值作為擬合數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的方法，是可行的。

4 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)研究表明，缸蓋螺栓擰緊力矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體振動(dòng)影響較大。本文利用LabVIEW所開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，分析、研究并建立了6135K-13型柴油機(jī)缸蓋螺栓擰緊力矩與機(jī)體振動(dòng)之間的定量關(guān)系，這為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及維修單位合理確定缸蓋螺栓擰緊力矩、降低發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)幅度、提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性，提供了一種切實(shí)可行的研究方法與途徑，也為研究其他機(jī)械振動(dòng)問題，提供了有益的參考。

[1]NATIONAL INSTRUMENTSTM.The Measurement and Automation Catalog 2004[R].Austin：U.S.CORPORATE HEADQUARTERS，190-195.

[2]National Instruments Crop.LabVIEW Data Acquisition Basics Manual[M].Austin：Texas USA，January 2007，19-276.

[3]徐禮超.缸蓋螺栓擰緊力矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體振動(dòng)影響的試驗(yàn)研究[D].上海：上海理工大學(xué)，2005.

[4]GB7184-87，中小功率柴油機(jī)振動(dòng)測(cè)量方法[S].

Experimental Study on Influence of Engine Cylinder Head Bolts’Tightening Torque to Body Vibration

WANG Ran
（Huaiy in Institute of Technology,Huai’an Jiangsu 223003,China）

Cylinder head bolts’tightening torque had a direct impact on engine body vibration.With necessary vibration test hardware,we applied the software of NI Lab VIEW to develop engine vibration data acquisition and analysis,data fitting procedures,and took 6135K-13 diesel engine as a research object,on the basis of the given vibration test program,we analyzed a nd processed the sampled vibration data,studied and validated the quantitative relationship between cylinderhead bolts’tightening torque and enginebody vibration.

bolts;tightening torque;engine vibration;LabVIEW

U464.132

A

1672-545X（2011）09-0028-04

2011-06-19

王 然（1972—），男,江蘇淮安人，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：汽車性能檢測(cè)與診斷。