再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法試驗(yàn)研究

安相璧　張　哲　陳　磊　李大偉　王　龍

軍事交通學(xué)院,天津,300161

再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法試驗(yàn)研究

安相璧張哲陳磊李大偉王龍

軍事交通學(xué)院,天津,300161

在對(duì)車(chē)用再制造發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行磨合試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),同一機(jī)型按同一方法磨合,其磨合質(zhì)量卻有很大不同。針對(duì)此問(wèn)題,提出運(yùn)用表面振動(dòng)信號(hào)的方法進(jìn)行磨合質(zhì)量監(jiān)測(cè)，采用小波包分解和子帶能量法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析;以康明斯6BT5.9發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象對(duì)該方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究,證明了所提出方法的可行性、實(shí)時(shí)性和有效性。

車(chē)用再制造發(fā)動(dòng)機(jī);磨合質(zhì)量監(jiān)測(cè)；振動(dòng)信號(hào)；子帶能量法

1　再制造產(chǎn)品磨合現(xiàn)存問(wèn)題

筆者在對(duì)我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)再制造企業(yè)進(jìn)行調(diào)研以及對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)再制造廠產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)收的過(guò)程中發(fā)現(xiàn),目前我國(guó)車(chē)用再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合主要存在以下兩個(gè)方面的問(wèn)題：

一是為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)磨合的效果，采用分階段、多工況磨合，導(dǎo)致磨合時(shí)間過(guò)長(zhǎng),造成人力、物力的極大浪費(fèi)，尤其是在生產(chǎn)量比較大的時(shí)候。如某發(fā)動(dòng)機(jī)再制造廠生產(chǎn)的某型單機(jī)磨合總時(shí)間達(dá)到310 min。

二是同一機(jī)型按同一方法磨合，其磨合質(zhì)量

卻有很大不同。我們?cè)趯?duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)再制造廠產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于再制造加工過(guò)程的特點(diǎn)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量一致性較差，不能保證每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在磨合規(guī)范指定的時(shí)間內(nèi)都能達(dá)到良好的磨合狀態(tài)。表1所示為同一生產(chǎn)批次的康明斯EQ6BT5.9再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合性能測(cè)試結(jié)果，由表1可見(jiàn),按照同一磨合規(guī)范磨合結(jié)束后,部分發(fā)動(dòng)機(jī)并未達(dá)到出廠要求,在增加了一個(gè)磨合循環(huán)后才基本達(dá)到要求。

由此可見(jiàn),為了解決上述問(wèn)題,除了改進(jìn)磨合工藝外，還需要尋求一種能夠?qū)δズ腺|(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)、不間斷、精確監(jiān)測(cè)的辦法。

表1　采用同一磨合規(guī)范的同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果

2　常用磨合質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法及適用性分析

目前常用的磨合質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法主要有油液分析法、摩擦功分析法、曲軸箱漏氣量和壓縮壓力分析法、拆檢分析法等。其中,油液分析法[1]比較精確,但分析時(shí)間較長(zhǎng)，不滿(mǎn)足再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求;摩擦功分析法[2]易于操作,但熱機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中需要停機(jī)測(cè)量摩擦功;曲軸箱漏氣量和壓縮壓力分析法[3]在測(cè)量壓縮壓力時(shí),需要拆卸噴油器或火花塞,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)有影響;拆檢分析法[4]工作量大,且拆卸后重新裝配過(guò)程有可能改變裝配關(guān)系，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試產(chǎn)生附加影響,而且不具有實(shí)時(shí)性,不適用于再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

由上述分析可見(jiàn),以上各種方法都不滿(mǎn)足再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。采用振動(dòng)信號(hào)分析方法可以達(dá)到要求。目前，振動(dòng)信號(hào)分析方法已廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)中,通過(guò)建立表面振動(dòng)信號(hào)與發(fā)動(dòng)機(jī)零部件運(yùn)行狀態(tài)之間的聯(lián)系，可以精確地判定發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)。信號(hào)分析方法主要分為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體表面振動(dòng)信號(hào)分析和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲信號(hào)分析兩種。其中，噪聲信號(hào)分析方法對(duì)測(cè)試環(huán)境要求較高,本文推薦使用發(fā)動(dòng)機(jī)表面振動(dòng)信號(hào)分析方法。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體表面振動(dòng)信號(hào)分析方法采集的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部各激勵(lì)源的響應(yīng),蘊(yùn)含了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的豐富信息[5],此外,零部件配合狀態(tài)、零部件表面磨損等也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)響應(yīng)[6]，通過(guò)合理的信號(hào)處理方法，提取發(fā)動(dòng)機(jī)磨合過(guò)程的信號(hào)特征進(jìn)行分析，可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)磨合結(jié)果進(jìn)行評(píng)判[7-8]。該方法具有實(shí)時(shí)性好、靈敏性高、精確度高和無(wú)損監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，符合再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合質(zhì)量監(jiān)測(cè)的要求。

3　再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合振動(dòng)信號(hào)的采集與處理

3.1磨合振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)

以再制造康明斯6BT5.9發(fā)動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象,建立了一個(gè)由加速度傳感器、油壓/電壓傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成的振動(dòng)信號(hào)采集處理系統(tǒng)，其工作原理如圖1所示。加速度傳感器直接連接在發(fā)動(dòng)機(jī)的外表面，用來(lái)采集發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的振動(dòng)信號(hào),然后把采集到的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)；油壓/電壓傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)各缸對(duì)應(yīng)的高壓油管(柴油機(jī))或火花塞末端(汽油機(jī))，用來(lái)作為加速度傳感器采集信號(hào)的觸發(fā)信號(hào)。

圖1　振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)示意圖

3.2信號(hào)采集與處理

按照表2所示的磨合規(guī)范進(jìn)行兩個(gè)循環(huán)的磨合[9](第一循環(huán)的工況為工況1～14,第二循環(huán)的工況與第一循環(huán)的工況相同，以工況1’～14’代替(第一循環(huán)的工況14即為第二循環(huán)的工況1’),分別在四缸的缸蓋(測(cè)點(diǎn)1)、缸壁(測(cè)點(diǎn)2)和曲軸箱(測(cè)點(diǎn)3)位置安裝振動(dòng)加速度傳感器(圖2),并在四缸對(duì)應(yīng)的高壓油管夾裝油壓傳感器,作為信號(hào)采集的觸發(fā)信號(hào),在每一工況穩(wěn)定時(shí)刻進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采樣。設(shè)置采樣頻率為12.8 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)為8192點(diǎn),圖3所示為采集的一組振動(dòng)信號(hào)。對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行降噪處理，降噪后的信號(hào)采用dmey小波基進(jìn)行5層小波包分解[10],分解過(guò)程采用移頻算法,將得到的32個(gè)子信號(hào)按照對(duì)應(yīng)的頻率大小進(jìn)行排序，并計(jì)算歸一化后的能量分布。處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn),大于5 kHz的激勵(lì)響應(yīng)較弱，所以只需分析5 kHz(含)以下的信號(hào)成分。

表2　康明斯EQ6BT5.9發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)?zāi)ズ弦?guī)范

圖2　測(cè)點(diǎn)位置

圖3　采集到的一組振動(dòng)信號(hào)示意圖

4　試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)磨合過(guò)程中各怠速工況(800 r/min)的處理結(jié)果進(jìn)行分析，各振動(dòng)信號(hào)采集工況與磨合過(guò)程的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)采用dmey小波基按照小波包算法進(jìn)行4層分解,得到16個(gè)子帶成分，由于頻率f大于3.2 kHz的各子帶能量近似為零,所以取其0～3.2 kHz的8個(gè)子帶成分進(jìn)行分析,則3個(gè)測(cè)點(diǎn)各個(gè)子帶所占能量比值的分布情況如圖4所示。

表3　振動(dòng)信號(hào)采集工況與磨合過(guò)程對(duì)應(yīng)關(guān)系

由圖4可以看出,隨著磨合的進(jìn)行，各個(gè)激勵(lì)源響應(yīng)的能量分布是變化的。對(duì)于測(cè)點(diǎn)1(圖4a),1.2～1.6kHz子帶(對(duì)應(yīng)于燃燒激勵(lì)響應(yīng))所占能量比值總體呈增大趨勢(shì),到工況J之后趨于平穩(wěn),變化非常小，但是在工況C和工況F時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)，這是由于在磨合中期，發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦副表面磨損劇烈，磨損不斷增加造成的；2.0～2.4 kHz以及2.4～2.8 kHz子帶(分別對(duì)應(yīng)于排氣門(mén)開(kāi)啟沖擊響應(yīng)和排氣門(mén)落座沖擊響應(yīng))所占能量比值在磨合中段略微增大，在總體上呈減小趨勢(shì)，在工況K之后趨于穩(wěn)定。對(duì)于測(cè)點(diǎn)2(圖4b)，1.2～1.6 kHz和2.0～2.4 kHz子帶(分別對(duì)應(yīng)于燃燒激勵(lì)響應(yīng)和活塞上止點(diǎn)換向撞擊響應(yīng))所占能量比值要高于其他子帶所占能量比值，這說(shuō)明在測(cè)點(diǎn)2位置采集的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)，燃燒激勵(lì)和活塞上止點(diǎn)換向撞擊為其主要激勵(lì)源?？梢钥闯?，磨合初始時(shí)刻，活塞換向撞擊響應(yīng)要強(qiáng)于燃燒激勵(lì)響應(yīng)，但隨著磨合的進(jìn)行，燃燒激勵(lì)響應(yīng)所占能量比值逐漸增大，在工況K之后趨于穩(wěn)定，而活塞換向撞擊響應(yīng)所占能量比值呈減小趨勢(shì)，在工況I之后其所占能量比值開(kāi)始小于燃燒激勵(lì)響應(yīng)所占能量比值。對(duì)于測(cè)點(diǎn)3(圖4c)，0～0.4 kHz子帶對(duì)應(yīng)的曲軸主軸頸軸心跳動(dòng)引起的振動(dòng)響應(yīng)和2.4～2.8 kHz子帶對(duì)應(yīng)的曲軸慣性力振動(dòng)響應(yīng)所占能量比值總體呈減小趨勢(shì),且均在工況K之后趨于平穩(wěn);而0.8～1.6 kHz子帶所對(duì)應(yīng)的燃燒激振響應(yīng)所占能量比值呈增大趨勢(shì)。

1.f為0～0.4 kHz　2.f為0.4～0.8 kHz　3.f為0.8～1.2 kHz　4.f為1.2～1.6 kHz　5.f為1.6～2.0 kHz　6.f為2.0～2.4 kHz　7.f為2.4～2.8 kHz　8.f為2.8～3.2 kHz(a)測(cè)點(diǎn)1

1.f為0～0.4 kHz　2.f為0.4～0.8 kHz　3.f為0.8～1.2 kHz　4.f為1.2～1.6 kHz　5.f為1.6～2.0 kHz　6.f為2.0～2.4 kHz　7.f為2.4～2.8 kHz　8.f為2.8～3.2 kHz(b)測(cè)點(diǎn)2

1.f為0～0.4 kHz　2.f為0.4～0.8 kHz　3.f為0.8～1.2 kHz(c)測(cè)點(diǎn)3圖4　振動(dòng)信號(hào)各子帶能量比值隨磨合工況變化情況

由此可見(jiàn)，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的分析結(jié)果具有一定的一致性，這是因?yàn)?，隨著磨合過(guò)程的進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)各摩擦副(氣門(mén)與氣門(mén)座、活塞環(huán)與缸壁、活塞銷(xiāo)與連桿小頭軸瓦、曲軸連桿軸頸與連桿大頭軸瓦、曲軸主軸頸與主軸承座軸瓦)之間配合漸趨良好，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，與摩擦副相關(guān)的機(jī)械激勵(lì)在機(jī)體表面的振動(dòng)響應(yīng)減弱，相應(yīng)的燃燒激振響應(yīng)所占比重增大。從變化幅度上來(lái)看，測(cè)點(diǎn)1對(duì)應(yīng)的燃燒子帶變化更加明顯，所以在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以只對(duì)該子帶進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的磨合狀態(tài),這樣就大大減小了實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的工作量。

5　結(jié)論

通過(guò)對(duì)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)表面振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析,可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)磨合質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，缸蓋位置作為振動(dòng)信號(hào)采集點(diǎn)行之有效。對(duì)于康明斯6BT5.9再制造發(fā)動(dòng)機(jī)，缸蓋振動(dòng)信號(hào)0.6～1.0 kHz子帶和缸壁振動(dòng)信號(hào)1.8～2.2 kHz子帶可以用來(lái)作為監(jiān)測(cè)磨合質(zhì)量的特征頻率段,根據(jù)其占總信號(hào)能量的比值變化趨勢(shì)可以評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)磨合狀態(tài)。

[1]李柱國(guó),尉世明,俞五全,等.基于油液監(jiān)測(cè)的D6114柴油機(jī)磨合規(guī)范研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2001,22(1):14-15.

Li Zhuguo,Wei Shiming,Yu Wuquan,et al.Research on D6114 Diesel Engine Running-in Indexes Based on Oil Monitoring Technique[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2001,22(1):66-69.

[2]章易程,田紅旗,唐進(jìn)元,等.基于摩擦功原理的高副滑動(dòng)磨損的研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2010,21(2):344-347.

Zhang Yicheng,Tian Hongqi,Tang Jinyuan,et al.Study on Sliding Wear of High Pair Bsed on Friction Work Principles[J].China Mechanical Engineering,2010,21(2):344-347.

[3]劉芳.柴油機(jī)出廠試車(chē)磨合規(guī)范的應(yīng)用研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué),2007.

[4]張家璽,朱均.內(nèi)燃機(jī)磨合與表面改性實(shí)驗(yàn)研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2001,21(1):59-63.

Zhang Jiaxi,Zhu Jun.Experimental Study of Running-in and Surface Modification of Internal Combustion Engine[J].Tribology,2001,21(1):59-62.

[5]邱承.柴油機(jī)基于振動(dòng)分析方法的狀態(tài)識(shí)別[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué),2005.

[6]李國(guó)賓,段樹(shù)林,于洪亮,等.發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)特征參數(shù)的多重分形研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2008,26(1):87-91.

Li Guobin,Duan Shulin,Yu Hongliang,et al.Study on Characteristic Parameters of Engine Vibration Signal Based on Multi-fractal[J].Transactions of CSICE,2008,26(1):87-91.

[7]唐學(xué)幫,陶前昭,陳黎,等.柴油機(jī)磨合規(guī)范優(yōu)化[J].客車(chē)技術(shù)與研究,2008(2):41-43.

Tang Xuebang,Tao Qianzhao,Chen Li,et al.Norm Optimization of Diesel Engines Running-in[J].Bus Technology and Research,2008(2):41-43.

[8]Lin J.Feature Extraction of Machine Sound Using Wavelet and Its Application in Fault Diagnosis[J].NDT & E International,2001,34(1): 25-30.

[9]姜大海,王虎,安相璧,等.車(chē)用再制造發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)收檢驗(yàn)臺(tái)架磨合規(guī)范試驗(yàn)研究[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào),2011,25(1):83-87.

Jiang Dahai,Wang Hu,An Xiangbi,et al.Research on Running-in Standard of Vehicle Remanufacturing Engine in Check-accept Test[J].Journal of Academy of Armored Force Engineering,2011,25(1):83-87.

[10]Shark L K,Yu C.Denoising by Optimal Fuzzy Thresholding in Wavelet Domain[J].Electronics Letters,2000,36(6):581-582.

(編輯蘇衛(wèi)國(guó))

Experimental Study on Running-in Quality Monitoring Method of Remanufactured Engine

An XiangbiZhang ZheChen LeiLi DaweiWang Long

Military Transportation University,Tianjin,300161

It was found in the vehicle remanufacture engine running-in testing,among the same type engines the running-in quality was very different using the same method of running-in.Aiming at this problem,this paper presented a method using surface vibration signals to monitor running-in quality,and the method of wavelet packet decomposition and the sub-band energy were used to analyze the vibration signals.Taking Cummins 6BT5.9 engine as the study object,the feasibility,the real-time and the effectiveness of the method were proven.

remanufactured engine for vehicle;running-in quality monitoring;vibration signal;sub-band energy method

2013-12-11

TK418;TP277< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.04.009

安相璧，男，1963年生。軍事交通學(xué)院工程技術(shù)研究中心教授。主要研究方向?yàn)檐?chē)輛檢測(cè)、車(chē)輛試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)再制造技術(shù)。張哲(通信作者),男,1989年生。軍事交通學(xué)院工程技術(shù)研究中心碩士研究生。陳磊,男,1986年生。軍事交通學(xué)院工程技術(shù)研究中心碩士研究生。李大偉,男,1987年生。軍事交通學(xué)院工程技術(shù)研究中心碩士研究生。王龍，男，1988年生。軍事交通學(xué)院工程技術(shù)研究中心碩士研究生。