基于階次分析方法解決柴油機(jī)拍振問題

陳俊杰，李松林，張發(fā)雄，王海鵬

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林 537000）

基于階次分析方法解決柴油機(jī)拍振問題

陳俊杰，李松林，張發(fā)雄，王海鵬

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林 537000）

運(yùn)用階次分析方法解決柴油機(jī)“拍振”問題。通過振動分析中階次跟蹤技術(shù)，對出現(xiàn)“拍振”問題的柴油機(jī)進(jìn)行振動測試研究，在結(jié)果分析中發(fā)現(xiàn)該柴油機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)出現(xiàn)1.09階的異常階次，經(jīng)對柴油機(jī)系統(tǒng)排查，發(fā)現(xiàn)原因是由發(fā)動機(jī)曲軸齒輪與空壓機(jī)齒輪的齒數(shù)比24:22所引起，修正齒數(shù)速比為1后，該型柴油機(jī)的“拍振”問題得到解決。本研究方法可以為其它機(jī)械類產(chǎn)品出現(xiàn)類似問題時(shí)提供參考。

振動與波；階次分析；拍振；齒輪速比；柴油機(jī)

隨著柴油機(jī)研究的不斷向前發(fā)展，不可避免會出現(xiàn)一些因設(shè)計(jì)而導(dǎo)致柴油機(jī)工作時(shí)出現(xiàn)異常的情況。本文對裝配玉柴某型6缸柴油發(fā)動機(jī)的輕型卡車駕駛室在柴油機(jī)怠速工況時(shí)出現(xiàn)明顯的“拍振”現(xiàn)象進(jìn)行研究。該現(xiàn)象表現(xiàn)為在柴油機(jī)怠速轉(zhuǎn)速650 r/min時(shí)出現(xiàn)周期約為1秒鐘左右有規(guī)律的持續(xù)抖動，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加駕駛室的抖動頻率加快，將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速提升到1 000 r/min以上后駕駛室的抖動現(xiàn)象消失。本文通過對該型柴油機(jī)進(jìn)行臺架振動測試，運(yùn)用“階次分析技術(shù)”分析柴油機(jī)整機(jī)振動測試結(jié)果［1-2］，得到該型柴油機(jī)產(chǎn)生“拍振”現(xiàn)象的原因，提出解決方案，為以后其它機(jī)械類產(chǎn)品同樣問題提供了參考。以往研究此類“拍振”問題時(shí)，大多數(shù)采用仿真和理論分析相結(jié)合的方法［3-4］，運(yùn)用階次分析方法主要解決噪聲問題。國外主要是分析儀器廠商根據(jù)不同的應(yīng)用場景對階次跟蹤技術(shù)進(jìn)行研究。如丹麥B&K公司在基于貝葉斯估計(jì)算法下成功實(shí)現(xiàn)了無轉(zhuǎn)速信號下對噪聲和振動階次分量的提取。NI公司采用Gabor變換的階次跟蹤方法也在無轉(zhuǎn)速計(jì)信號情況下成功提取了噪聲和振動的階次分量。

國內(nèi)對階次分析在振動噪聲測試方面也有深入的研究。浙江大學(xué)的徐紅梅等采用階次分析方法以一臺車用四缸發(fā)電機(jī)為研究對象分析了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速對進(jìn)氣噪聲的影響，從中分析出進(jìn)氣噪聲的主要頻率成分及相應(yīng)的噪聲源［5］。同濟(jì)大學(xué)的周冠嵩，應(yīng)用階次分析方法對某五檔客車自動變速器進(jìn)行噪聲測試，得到了不同檔位下相應(yīng)的車廂聲壓級情況［6］。浙江大學(xué)的孔慶鵬等針對發(fā)電機(jī)變速階段的振動信號，通過Gabor變換以及滿足信號時(shí)域重構(gòu)的對偶數(shù)雙正交條件，采用在時(shí)頻域進(jìn)行帶通濾波的方法進(jìn)行了階次跟蹤［7］。

1　拍振原理

柴油機(jī)在周期性運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生一個(gè)振動頻率，這個(gè)振動頻率跟柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速有一定的關(guān)系。這個(gè)頻率在和其它柴油機(jī)附件的轉(zhuǎn)動頻率產(chǎn)生頻率相接近時(shí)，就會發(fā)生耦合振動［8］，當(dāng)這兩個(gè)非常相近的振動頻率疊加時(shí)，就會產(chǎn)生“拍振”現(xiàn)象［9-11］。

圖1顯示了兩個(gè)頻率很接近的合成函數(shù)的振幅隨時(shí)間周期性的上升和下降。圖中實(shí)線和虛線分別顯示的是兩種不同頻率的函數(shù)。

圖1　兩個(gè)頻率接近函數(shù)的合成圖

當(dāng)用兩個(gè)不同頻率的正弦函數(shù)重疊時(shí)，將會得到兩個(gè)頻率的和與差的合成。這個(gè)可以通過以下的三角函數(shù)的求和公式來表示

工程人員可以使用不同頻率之間重疊產(chǎn)生的“拍振”頻率來定義這種拍擊現(xiàn)象?！芭恼瘛鳖l率可以用下面的公式給出

2　試驗(yàn)條件及測試用柴油機(jī)

本文研究試驗(yàn)用柴油機(jī)如圖2所示。

圖2　測試用柴油機(jī)

該柴油機(jī)基本參數(shù)為直列6缸柴油機(jī)，氣缸缸徑為108 mm，柴油機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為650 r/min，標(biāo)定轉(zhuǎn)速是2 300 r/min，額定功率為199 kW。

研究該柴油機(jī)出現(xiàn)異常振動現(xiàn)象的原因時(shí)，為得到準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)在柴油機(jī)專用試驗(yàn)臺架上進(jìn)行，測試分為瞬態(tài)測試和穩(wěn)態(tài)測試。瞬態(tài)工況為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速范圍650 r/min～2 300 r/min內(nèi)進(jìn)行加速整機(jī)振動測試，穩(wěn)態(tài)測試工況在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為650 r/min時(shí)的整機(jī)振動信號［12-13］。

試驗(yàn)用測試設(shè)備分別為：B&K公司24通道PULSE3660C測試分析系統(tǒng)，傳感器的基本信息為：PCB加速度傳感器（3方向），靈敏度為10 mv/g，其質(zhì)量為4 g。加速度傳感器與測試點(diǎn)的連接方式采用膠粘接。柴油機(jī)整機(jī)振動的測點(diǎn)位置如圖3所示。測點(diǎn)位置為柴油機(jī)的氣缸蓋前端。

圖3　柴油機(jī)測試點(diǎn)位置

3　測試結(jié)果及分析

對柴油機(jī)氣缸蓋前端測點(diǎn)位置的振動信號進(jìn)行階次分析，為了得到更詳細(xì)的階次分析結(jié)果，采用分析頻率400 Hz，頻率分辨率0.625 Hz的分析設(shè)置。圖4所示為柴油機(jī)在怠速時(shí)整機(jī)振動的階次分析結(jié)果，從圖中可以發(fā)現(xiàn)有2個(gè)振動幅值比較大的階次，一個(gè)是柴油機(jī)正常的1階次振動，另一個(gè)出現(xiàn)的1.088階次整機(jī)振動不屬于柴油機(jī)本身的正常發(fā)火階次，且在1.088階次柴油機(jī)的整機(jī)振動幅值大于其本身的1階次振動幅值。由此推斷，柴油機(jī)在怠速工況時(shí)產(chǎn)生的1.088階次振動有可能是該機(jī)出現(xiàn)異常振動的原因。

圖4　柴油機(jī)怠速工況下階次分析圖

為研究該型柴油機(jī)的異常振動是否在怠速這一特定測試工況情況下出現(xiàn)的單一現(xiàn)象，對柴油機(jī)在其整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行整機(jī)振動測試，通過階次分析得到圖5所示的柴油機(jī)在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)整機(jī)振動的三維坎貝爾圖。

圖5　柴油機(jī)加速工況下測點(diǎn)位置坎貝爾圖

從圖5的氣缸蓋在柴油機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的振動測試分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如圖4一樣在柴油機(jī)的氣缸蓋位置出現(xiàn)了1階次和1.09階兩個(gè)比較大的振動階次，并且其1.09階次振動幅值比發(fā)動機(jī)的正常發(fā)火的1階次振動幅值大。由此可以確定，柴油機(jī)的異常振動現(xiàn)象在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)是普遍現(xiàn)象，這說明可能是由于柴油機(jī)本身系統(tǒng)出現(xiàn)問題導(dǎo)致產(chǎn)生的。

圖6為柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，柴油機(jī)氣缸蓋位置的時(shí)域振動信號，通過對該信號進(jìn)行研究，來確定該柴油機(jī)的異常振動是否為“拍振”現(xiàn)象，從圖中得到該振動信號的周期為1s，而柴油機(jī)怠速工況時(shí)其1階次頻率為

圖6　柴油機(jī)氣缸蓋前端位置振動時(shí)域圖

1.088階次頻率為

當(dāng)這兩個(gè)非常接近的頻率同時(shí)產(chǎn)生時(shí)會發(fā)生耦合現(xiàn)象，會產(chǎn)生一個(gè)合成波型，合成波形的頻率為

波形周期為

這與圖6中測試得到的柴油機(jī)氣缸蓋位置振動時(shí)域信號波形的周期相吻合。

由此可以確定柴油機(jī)出現(xiàn)的異常振動為“拍振”，是由柴油機(jī)某一系統(tǒng)與本身的1階次發(fā)火頻率接近，出現(xiàn)頻率疊加而產(chǎn)生的現(xiàn)象。

4　對策

從圖4和圖5的振動分析結(jié)果得到是柴油機(jī)的某一運(yùn)動旋轉(zhuǎn)附件的1階次振動頻率與柴油機(jī)本身的1階次振動頻率接近，導(dǎo)致柴油機(jī)產(chǎn)生“拍振”現(xiàn)象。

與該型柴油機(jī)直接相連的運(yùn)動旋轉(zhuǎn)附件分別為噴油泵、凸輪軸、機(jī)油泵、空壓機(jī)。這些附件通過齒輪與柴油機(jī)曲軸齒輪相連接帶動轉(zhuǎn)動，附件齒輪與曲軸齒輪的齒數(shù)比如表1所示。

表1　柴油機(jī)附件與曲軸齒輪比

在表1中，曲軸齒輪與的齒數(shù)比空壓機(jī)系統(tǒng)齒輪為1.09與柴油機(jī)出現(xiàn)的異常1.088階次基本一致，說明有可能是空壓機(jī)系統(tǒng)的1階頻率與柴油機(jī)的1階頻率接近產(chǎn)生的“拍振”現(xiàn)象。

為了驗(yàn)證這一觀點(diǎn)，將空壓機(jī)系統(tǒng)拆除后重新對柴油機(jī)進(jìn)行相同工況下的振動測試試驗(yàn)。圖7為拆掉空壓機(jī)系統(tǒng)前后在柴油機(jī)怠速工況下氣缸蓋位置振動的階次對比圖。通過對比可以發(fā)現(xiàn)拆掉空壓機(jī)系統(tǒng)后，怠速工況時(shí)柴油機(jī)1.088階次振動幅值基本降低為0，且此時(shí)柴油機(jī)的“拍振”現(xiàn)象也同時(shí)消失。

圖7　拆掉空壓機(jī)后怠速工況下柴油機(jī)階次對比圖

圖8為在柴油機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)氣缸蓋前端位置振動分析坎貝爾圖發(fā)現(xiàn)拆掉空壓機(jī)系統(tǒng)后在該機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都沒有再出現(xiàn)1.09階次振動，進(jìn)一步確認(rèn)在柴油機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)是由于空壓機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)致該型柴油機(jī)產(chǎn)生“拍振”現(xiàn)象。

圖8　加速工況下柴油機(jī)測點(diǎn)位置坎貝爾圖

通過對圖7和圖8不同工況下振動測點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果分析得到柴油機(jī)“拍振”現(xiàn)象是由于柴油機(jī)曲軸齒輪與空壓機(jī)齒輪的齒數(shù)比為1.09的原因引起的，解決方法是使空壓機(jī)與曲軸齒輪數(shù)比為1或者使其遠(yuǎn)離1［14］。

選取的方案是將空壓機(jī)與曲軸的齒數(shù)比改為1，整改后，運(yùn)行柴油機(jī)，未發(fā)現(xiàn)在柴油機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)再出現(xiàn)“拍振”現(xiàn)象，問題得到解決。

5　結(jié)語

針對柴油機(jī)“拍振”的問題，通過運(yùn)用階次分析的方法分析得到的柴油機(jī)在加速及怠速工況下的整機(jī)振動采集信號，得出以下結(jié)論：

（1）階次分析方法可以將柴油機(jī)在瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)工況下的整機(jī)振動結(jié)果直觀表現(xiàn)出來。

（2）附件系統(tǒng)的1階轉(zhuǎn)動頻率接近柴油機(jī)本身的1階發(fā)火頻率時(shí)會導(dǎo)致柴油機(jī)產(chǎn)生“拍振”問題。

（3）更改附件系統(tǒng)1階轉(zhuǎn)動頻率與柴油機(jī)本身1階發(fā)火頻率相同后，有效地解決了柴油機(jī)“拍振”問題。這種方法為解決機(jī)械類產(chǎn)品出現(xiàn)類似問題時(shí)提供了參考。

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The Method to Solve Beat Vibration Problem for Diesel Engines Based on OrderAnalysis

CHEN Jun-jie，LI Song-lin，ZHANG Fa-xiong，WANG Hai-peng
（Engineering Research Institute，Guang’xi Yuchai Machinery Co.Ltd.，Yuling 537005，Guang’xi China）

The purpose of this study is to use order analysis method to solve the diesel engine’s beat vibration problem.Through the order tracking technology in vibration analysis，the vibration test method for the diesel engines with beat vibration problem is studied.In the engine speed range，the abnormal order of 1.09 is found through the analysis of the results.After scanning the diesel engine system，the reason of beat vibration is found to be the ratio of the engine crankshaft gear’s tooth number to the air compressor gear’s tooth number，24：22.By correcting the gear’s tooth number ratio to be 1，the beat vibration of the diesel engine disappears.The methods proposed in this paper appear to provide a reference for solving similar problems for other mechanical products.

vibration and wave；order analysis；beat vibration；gear ratio；diesel engine

O422.6

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.018

1006-1355（2016）05-0086-04

2016-04-01

陳俊杰（1989-），男，河南省漯河市人，碩士研究生。E-mail:172981435@qq.com

李松林（1966-），男，中國香港人，本科，NVH技術(shù)總師，主要從事發(fā)動機(jī)NVH方向研究。E-mail:lisonglin@yuchai.cn