發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸主軸承磨損對(duì)機(jī)體表面振動(dòng)特性影響的仿真分析

杜燦誼，喻菲菲

（廣東技術(shù)師范學(xué)院，廣州 510635）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸承作為發(fā)動(dòng)機(jī)重要部件之一，承受復(fù)雜交變載荷作用，工作條件苛刻惡劣，長(zhǎng)期運(yùn)行難免出現(xiàn)機(jī)械磨損，使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生異常振動(dòng)和噪聲。由于曲軸軸承位于發(fā)動(dòng)機(jī)最內(nèi)部，拆檢困難，所以，研究不拆檢方法進(jìn)行有效故障診斷顯得十分重要。目前，有眾多學(xué)者利用機(jī)體表面振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)一系列信號(hào)處理方法進(jìn)行曲軸軸承故障特征提取和診斷研究，取得很多成果[1～5]，但研究重點(diǎn)通常放在信號(hào)的分析處理上，而對(duì)故障引起振動(dòng)信號(hào)異常的原因和機(jī)理分析較少。因此，提出利用模型仿真分析方法，獲取軸承油膜壓力、軸承載荷等難以測(cè)量的重要參數(shù)數(shù)據(jù)，了解故障對(duì)曲軸軸承載荷的影響，從而可從激勵(lì)力變化角度分析故障對(duì)機(jī)體表面振動(dòng)信號(hào)的影響，為故障特征提取研究提供更可靠的分析依據(jù)。

利用AVL EXCITE Power Unit平臺(tái)，搭建發(fā)動(dòng)機(jī)多體動(dòng)力學(xué)仿真模型進(jìn)行故障模擬分析，以見(jiàn)諸報(bào)道[6～8]，通過(guò)改變模型結(jié)構(gòu)或性能相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)故障模擬，可輕易獲得故障狀態(tài)下相關(guān)激勵(lì)力數(shù)據(jù)和機(jī)體任意位置振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，所以，基于模型仿真分析方法可使分析范圍更加廣闊、分析程度更深入。

1 仿真模型設(shè)計(jì)與分析

AVL EXCITE平臺(tái)專為發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)建模與分析而開(kāi)發(fā)，在發(fā)動(dòng)機(jī)NVH分析方面有很大優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲分析、軸承油膜分析、曲軸動(dòng)態(tài)技術(shù)等領(lǐng)域。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成模型[6]

利用EXCITE Power Unit提供的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體總成、曲軸有限元模型和活塞連桿組簡(jiǎn)化體（無(wú)質(zhì)量梁和質(zhì)量點(diǎn)），通過(guò)內(nèi)部多種類型的非線性耦合單元連接構(gòu)成剛?cè)狁詈系亩囿w動(dòng)力學(xué)模型，如圖1所示，其中機(jī)體總成有限元模型包含缸體、缸蓋、氣門(mén)座、凸輪軸蓋座、進(jìn)排氣總管、油底殼、懸置支架和變速器等；發(fā)動(dòng)機(jī)外圍附件視為質(zhì)量點(diǎn)，其中包含發(fā)電機(jī)、起動(dòng)機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵等，利用梁?jiǎn)卧騽傂泽w單元RBE2與機(jī)機(jī)體進(jìn)行連接。

EXCITE Power Unit提供多種非線性耦合單元用于部件連接，包括非線性彈簧-阻尼模型、液動(dòng)滑動(dòng)軸承、軸向推力軸承模型、活塞缸套導(dǎo)向等，并且連接單元也可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，使模型仿真更接近實(shí)際。

另外，活塞敲擊激勵(lì)和配氣機(jī)構(gòu)激勵(lì)由EXCITE配套系列軟件Piston &Rings和Timing Drive建模仿真計(jì)算獲得，再作為外部載荷載入Power Unit建立的動(dòng)力總成模型，計(jì)算結(jié)果更加可靠。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成模型

1.2 ENHD軸承模型分析

作為發(fā)動(dòng)機(jī)重要的作用力傳遞部件，曲軸軸承的建模質(zhì)量對(duì)計(jì)算結(jié)果影響非常大，而且為模擬軸承磨損，模型必須能提供相關(guān)間隙調(diào)整參數(shù)設(shè)置，綜合考慮計(jì)算精度和效率，選用ENHD擴(kuò)展液力滑動(dòng)軸承模型作為發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承連接部件。ENHD模型把軸頸作剛性處理，而軸瓦作彈性處理，可考慮軸承間隙、不對(duì)中等問(wèn)題，用于振動(dòng)噪聲分析，其精度滿足要求。

實(shí)際上，曲軸軸承磨損過(guò)度后，軸承間隙增大，油膜壓力發(fā)生變化，從而導(dǎo)致軸承載荷變化，因而引起機(jī)體表面振動(dòng)信號(hào)相應(yīng)變化。通過(guò)模型仿真，可得到油膜壓力變化情況。ENHD模型在很大程度上簡(jiǎn)化了油膜壓力的求解，計(jì)算效率較高，實(shí)際上就是基于一定假設(shè)條件下進(jìn)行推導(dǎo)和求解Reyonlds方程[9,10]。如圖2所示為軸承結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)示意圖[9]，這種邊界條件認(rèn)為從最大間隙hmax到最小間隙hmin的整個(gè)半周油膜間隙內(nèi)都有完整油膜，在油膜收斂區(qū)φ～φ +π 形成正壓力，壓力p＞0；在φ和φ +π 兩端點(diǎn)位置，p=0；發(fā)散區(qū)油膜全部破裂，其壓力等于某一固定值；軸瓦兩端點(diǎn)位置，

圖2 軸承結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)示意圖

根據(jù)上述邊界條件假設(shè)，動(dòng)力滑動(dòng)軸承油膜壓力方程可以表示為一諧波合成表達(dá)式[9]：

實(shí)際計(jì)算時(shí)，ENHD模型將軸瓦作為縮減的一系列節(jié)點(diǎn)處理，軸向節(jié)點(diǎn)有3排，每排圓周分布24個(gè)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有X、Y和Z三個(gè)方向自由度。軸承座有與之相連的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)接，軸頸上也有3個(gè)節(jié)點(diǎn)與軸瓦3排圓周分布的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)面的連接，如圖3所示。

圖3 軸承有限元節(jié)點(diǎn)布置

2 故障設(shè)置及軸承載荷分析

由于軸承磨損使得軸瓦與軸頸之間徑向間隙增大，由式(1)可知，這將導(dǎo)致油膜厚度、壓力等相關(guān)參數(shù)變化，最終使軸承載荷產(chǎn)生變化。本文通過(guò)調(diào)整主軸承ENHD模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)軸承磨損故障的模擬。

2.1 故障設(shè)置

正常狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承間隙在0.02mm～0.025mm之間，根據(jù)分析需要，把5個(gè)主軸承半徑間隙數(shù)值同時(shí)設(shè)置為0.05mm、0.1mm和0.2mm，這樣就可以模擬軸承磨損故障，故障程度分別為輕微、中等和嚴(yán)重。需要注意的是，數(shù)值設(shè)置不能太大，否則可能超出EHND模型正常計(jì)算范圍，導(dǎo)致計(jì)算出錯(cuò)。

2.2 軸承載荷分析

通過(guò)仿真計(jì)算，可以獲取主軸承載荷數(shù)據(jù)，由于主軸承作用力直接作用于機(jī)體而引起其振動(dòng)，所以可從激勵(lì)力這一本質(zhì)要素著手分析機(jī)體表面振動(dòng)異常的原因，因此，重點(diǎn)分析不同狀態(tài)下的主軸承作用力情況。

如圖4所示為不同狀態(tài)下的各主軸承Z向軸承反力，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2000r/min。在各缸氣體爆發(fā)時(shí)刻，與該缸相鄰的兩個(gè)主軸承的軸承反力達(dá)到最大值，無(wú)論正常狀態(tài)還是磨損故障狀態(tài)，軸承反力幅值較大段曲線變化相差不大。但在幅值較小的波谷段曲線，有較顯著差異，可以看到，隨著軸承間隙的增大，幅值較小區(qū)間的軸承力曲線波動(dòng)顯著增強(qiáng)。

圖4 各狀態(tài)下的主軸承Z向軸承反力

同樣的，對(duì)于Y向軸承反力，也有相同規(guī)律，即隨軸承間隙增大，軸承反力波動(dòng)加劇，如圖5所示。實(shí)際上，其他轉(zhuǎn)速工況下的軸承反力變化情況也大致相同，這里不再列舉。

圖5 各狀態(tài)下的主軸承Y向軸承反力

對(duì)于軸承力波動(dòng)加劇的原因，是由于間隙增大，油膜厚度增大，剛度減小，對(duì)曲軸的支撐約束作用有所減弱，曲軸軸頸動(dòng)態(tài)彈性力增強(qiáng)，經(jīng)油膜作用，使軸承對(duì)機(jī)體作用力波動(dòng)趨勢(shì)增強(qiáng)；另一方面，油膜厚度增加，其動(dòng)態(tài)效應(yīng)也增強(qiáng)，油膜力波動(dòng)更明顯。

3 不同軸承磨損狀態(tài)下機(jī)體表面振動(dòng)信號(hào)分析

經(jīng)上述分析，主軸承磨損導(dǎo)致軸承力波動(dòng)加劇，再作用于機(jī)體，會(huì)對(duì)機(jī)體表面振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生影響。因此，可通過(guò)機(jī)體表面振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)來(lái)間接獲取主軸承故障狀態(tài)信息。

3.1 時(shí)域信號(hào)分析

為減少干擾，提高信號(hào)傳遞直接性和有效性，應(yīng)選取軸承力作用點(diǎn)較近區(qū)域的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，本文提取曲軸軸承座附近的缸體中下部位置的表面振動(dòng)加速度信號(hào)。如圖6所示為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2000r/min時(shí)的Y向振動(dòng)加速度信號(hào)時(shí)域波形，圖6(a)為正常狀態(tài)，圖6(b)為軸承間隙0.2mm的嚴(yán)重故障狀態(tài)，可以看到，比起正常狀態(tài)信號(hào)波形，磨損故障狀態(tài)下的機(jī)體表面振動(dòng)響應(yīng)加速度信號(hào)更加復(fù)雜多變，頻率成分更豐富。從上述分析可知，是由于軸承力的波動(dòng)加劇引起的，可進(jìn)一步通過(guò)頻譜分析其頻率成分組成。

圖6 不同狀態(tài)Y向振動(dòng)加速度信號(hào)時(shí)域波形對(duì)比

實(shí)際上，從Z向振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)波形，也可看到相同規(guī)律，如圖7(a)、圖7(b)所示。

圖7 不同狀態(tài)Y向振動(dòng)加速度信號(hào)時(shí)域波形對(duì)比

3.2 頻譜分析

為了了解軸承力波動(dòng)加劇對(duì)機(jī)體表面振動(dòng)加速度信號(hào)的影響，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不同狀態(tài)的機(jī)體表面振動(dòng)加速度信號(hào)作頻譜分析，如圖8所示為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2000r/min工況下的各狀態(tài)頻譜圖。從圖可知，與正常狀態(tài)相比，磨損故障狀態(tài)在200Hz～1000Hz附近內(nèi)的低頻段的振動(dòng)能量有明顯增強(qiáng)，而且隨著磨損間隙增大，此頻段振動(dòng)能量也越大，頻率成分幅值增長(zhǎng)突出；正常狀態(tài)時(shí)，此頻段除主要幾個(gè)階次頻率成分外，其他頻率成分不突出，振動(dòng)能量較小。

事實(shí)上，分析可知此變化正是由于作用于機(jī)體的主軸承反力波動(dòng)加劇，致使機(jī)體表面振動(dòng)加速度在200Hz～1000Hz范圍內(nèi)的中低頻響應(yīng)增強(qiáng)。因此，作為機(jī)體振動(dòng)重要激勵(lì)力的軸承反力的變化，是直接形成這一特征的原因，可作為主軸承磨損故障診斷的一個(gè)特征。

圖8 不同狀態(tài)Y向振動(dòng)加速度信號(hào)頻譜

對(duì)于Z向振動(dòng)加速度信號(hào)頻譜，也可得到相同規(guī)律，而且高轉(zhuǎn)速時(shí)更加明顯。如圖9所示為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3000r/min時(shí)的正常狀態(tài)和磨損故障狀態(tài)的機(jī)體表面振動(dòng)加速度信號(hào)頻譜?？梢?jiàn)，故障狀態(tài)下200Hz～1000Hz內(nèi)的中低頻振動(dòng)能量顯著增加，故障特征明顯。

圖9 不同狀態(tài)Z向振動(dòng)加速度信號(hào)頻譜

上述仿真分析結(jié)論實(shí)際上與一些文獻(xiàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得到的結(jié)論具有一致性。從文獻(xiàn)[11]對(duì)正常狀態(tài)和曲軸軸承異響的振動(dòng)信號(hào)功率譜圖對(duì)比可知，曲軸軸承異響振動(dòng)能量在0.2kHz～1.1kHz頻段有顯著增長(zhǎng)。從文獻(xiàn)[12]對(duì)軸承磨損故障的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，振動(dòng)能量開(kāi)300Hz以上擴(kuò)散，特別是300Hz～600Hz、600Hz～900Hz頻段能量增加較明顯。因此，由此也可驗(yàn)證本文通過(guò)軸承磨損故障仿真分析的合理性。

4 結(jié)論

通過(guò)基于模型仿真的曲軸主軸承磨損故障分析，掌握了由于軸承磨損導(dǎo)致的軸承反力波動(dòng)加劇情況，這種軸承反力的波動(dòng)，作為重要激勵(lì)力作用于機(jī)體引起機(jī)體表面振動(dòng)信號(hào)的200Hz～1000Hz的中低頻振動(dòng)能量增加。因此，基于模型仿真分析方法可從激勵(lì)力等多方面分析故障的表現(xiàn)特征，有助于故障的準(zhǔn)確診斷。

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