基于聲發(fā)射的柴油機(jī)連桿大端軸瓦碰撞摩擦故障診斷

黨 軒，谷豐收,2，王 鐵，李國(guó)興，王歡歡，張 虎

(1.太原理工大學(xué) 車輛工程系，太原 030024；2.哈德斯菲爾德大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，英國(guó)哈德斯菲爾德 HD1 3DH)

發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大端軸瓦是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，若其發(fā)生故障將會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成不可逆轉(zhuǎn)的損害，輕則造成相關(guān)部件的磨損，產(chǎn)生軸瓦異響；嚴(yán)重時(shí)會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)主軸報(bào)廢，造成嚴(yán)重的事故[1]。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦出現(xiàn)損傷，必須盡早發(fā)現(xiàn)、盡快排除，以免造成不必要的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。由于連桿大端軸瓦位于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，拆裝檢修極其不便，因此通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體表面的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集和分析，完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大端軸瓦摩擦磨損狀態(tài)的外部監(jiān)測(cè)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)預(yù)測(cè)、維修具有非常重要的意義。

軸承故障的檢測(cè)診斷技術(shù)有很多種，如聲發(fā)射檢測(cè)、振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)、潤(rùn)滑油液分析檢測(cè)、溫度檢測(cè)等。在各種診斷方法中，基于聲發(fā)射檢測(cè)和振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)的診斷技術(shù)應(yīng)用比較廣泛。振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)并非適用于任何場(chǎng)合，例如在某些系統(tǒng)中，軸承的早期微弱故障就會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，然而早期故障的振動(dòng)信號(hào)很微弱，又容易被周圍相對(duì)幅度較大的低頻環(huán)境噪聲所淹沒(méi)，從而無(wú)法有效檢測(cè)出故障的存在[2]。而聲發(fā)射是故障結(jié)構(gòu)本身發(fā)出的高頻應(yīng)力波信號(hào)，不易受周圍環(huán)境噪聲的干擾，因此其相比與振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)能更早的發(fā)現(xiàn)早期微弱故障，而盡早發(fā)現(xiàn)并排除故障可減少工程中的經(jīng)濟(jì)損失。聲發(fā)射技術(shù)因具有診斷速度快、準(zhǔn)確率高、故障定位性強(qiáng)、適用范圍廣、能夠?qū)崿F(xiàn)早期預(yù)測(cè)和在線診斷等優(yōu)點(diǎn)，受到了國(guó)內(nèi)外故障診斷工作者的重視。李曉暉等[3]利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的方法有效實(shí)現(xiàn)了機(jī)械密封端面狀態(tài)的無(wú)損檢測(cè)，證明了聲發(fā)射技術(shù)具有良好的工業(yè)前景。由于聲發(fā)射技術(shù)相比其他故障診斷技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法開始逐漸被應(yīng)用到柴油機(jī)監(jiān)測(cè)診斷的研究中。Albers等[4]通過(guò)模擬故障試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)相比于其它分析手段聲發(fā)射信號(hào)能更早地發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)軸承的早期故障。Fan等[5]闡述了采用聲發(fā)射技術(shù)診斷柴油機(jī)的噴油器故障方法。理華等[6]將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于檢測(cè)鐵路貨車滾動(dòng)軸承的摩擦磨損故障并取得了良好的效果。秦萍[7]將聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到柴油機(jī)滑動(dòng)軸承故障診斷上，證明了聲發(fā)射適用于柴油機(jī)滑動(dòng)軸承診斷的可行性和優(yōu)越性。劉凌厲等[8]通過(guò)大量試驗(yàn)給出不同情況下柴油機(jī)滑動(dòng)軸承故障聲發(fā)射事件的門檻值及其發(fā)生頻度，以確定軸承的磨損狀況。王歡歡等[9]通過(guò)對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)表面異常聲發(fā)射信號(hào)分析了單缸柴油機(jī)活塞組件之間的異常摩擦磨損情況。在故障源定位方面，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)也呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。Nivesrangsan等[10]研究了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的聲發(fā)射波傳播特性和多源聲發(fā)射的信號(hào)源定位技術(shù)。Niri等[11]利用6個(gè)聲發(fā)射傳感器構(gòu)成的傳感器陣列診斷出了圓柱殼單元的故障源位置。Li等[12]利用聲發(fā)射方法采集了置入故障齒輪的定軸齒輪箱不同位置的聲發(fā)射信號(hào)，對(duì)故障齒輪位置進(jìn)行估計(jì)。

在基于聲發(fā)射技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷領(lǐng)域中，現(xiàn)有的研究大都是在模擬已知故障源和故障類型的情況下進(jìn)行的，而對(duì)于未知故障源和故障類型的研究相對(duì)較少。然而對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)而言，由于其包含多種形式的摩擦副部件，且故障種類繁多，因此研究未知故障源的定位和故障類型的分析很有必要。本文首先對(duì)比了發(fā)動(dòng)機(jī)表面不同測(cè)點(diǎn)聲發(fā)射信號(hào)的峰值響應(yīng)，定位到發(fā)動(dòng)機(jī)的故障來(lái)源于連桿大端軸瓦處，之后對(duì)連桿大端軸瓦處的異常聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行診斷，結(jié)合MATLAB仿真計(jì)算連桿大端軸承力確定了軸瓦的故障類型，最后通過(guò)拆機(jī)檢查和更換軸瓦來(lái)驗(yàn)證聲發(fā)射的診斷結(jié)果。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)使用某型單缸柴油機(jī)進(jìn)行聲發(fā)射故障診斷，其參數(shù)如表1所示。聲發(fā)射信號(hào)由北京聲華興業(yè)科技有限公司的SR800型聲發(fā)射傳感器(采樣頻率50～800 kHz)測(cè)得，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由其公司所配套的SEAU2S-1016-08型的聲發(fā)射檢測(cè)儀采集記錄，發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸壓力由Kistler公司的6052C型缸壓傳感器測(cè)得，曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)與上止點(diǎn)信號(hào)由韓國(guó)現(xiàn)代摩比斯曲軸位置傳感器測(cè)得，潤(rùn)滑油溫度由P100型溫度傳感器測(cè)得，測(cè)控系統(tǒng)采用四川誠(chéng)邦科技有限公司的DW40型電渦流測(cè)功機(jī)，缸內(nèi)壓力信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)上止點(diǎn)信號(hào)和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)等由江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司的YE6232B型16通道數(shù)據(jù)采集儀采集記錄。

表1 單缸柴油機(jī)參數(shù)Tab.1 Single cylinder diesel engine parameters

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)關(guān)鍵摩擦副的位置，將聲發(fā)射傳感器布置在單缸柴油機(jī)表面的三個(gè)不同位置，如圖1所示，采集異常聲發(fā)射信號(hào)，定位發(fā)動(dòng)機(jī)的故障源，分析故障源的故障類型。其中測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3分別位于發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋位置、缸體燃燒室外位置和缸體曲軸箱外位置。測(cè)點(diǎn)1主要用于監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和進(jìn)、排氣狀況；測(cè)點(diǎn)2主要用于監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞連桿組的摩擦磨損狀況；測(cè)點(diǎn)3主要用于監(jiān)測(cè)曲軸系和連桿大端的摩擦磨損狀況。

圖1 聲發(fā)射傳感器測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.1 Location of acoustic emission sensors

本試驗(yàn)選取單缸柴油機(jī)低速1 000 r/min，高速1 800 r/min兩個(gè)不同轉(zhuǎn)速和低載10 N·m，高載40 N·m兩種不同扭矩進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試工況如表2所示。

表2 測(cè)試工況Tab.2 Test conditions

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 故障源定位

將試驗(yàn)所采集的聲發(fā)射信號(hào)與上止點(diǎn)信號(hào)對(duì)應(yīng)，然后對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行濾波及降噪處理，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換到720°角域中。有研究表明正常聲發(fā)射信號(hào)能量偏大的部分大都集中在排氣門關(guān)閉(EVC)、進(jìn)氣門關(guān)閉(IVC)和燃燒(Power)位置[13]，如圖2所示。

圖2 正常聲發(fā)射信號(hào)Fig.2 Normal acoustic emission signals

圖3所示為試驗(yàn)中采集到的1、2和3測(cè)點(diǎn)聲發(fā)射信號(hào)，由于測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2距離燃燒室較近，所以這兩測(cè)點(diǎn)EVC、IVC和Power處的峰值響應(yīng)較大，其中測(cè)點(diǎn)1最大，測(cè)點(diǎn)2次之，而測(cè)點(diǎn)3因?yàn)樘幱谇S箱外且距離燃燒室較遠(yuǎn)，所以EVC、IVC和Power處的峰值響應(yīng)最小。從圖3還可以看出在三個(gè)測(cè)點(diǎn)采集的聲發(fā)射信號(hào)中，每隔90°就有一次劇烈的峰值響應(yīng)，其中測(cè)點(diǎn)3每90°的聲發(fā)射信號(hào)峰值響應(yīng)最大，測(cè)點(diǎn)2次之，測(cè)點(diǎn)1最小。據(jù)此表明：測(cè)點(diǎn)3，即曲軸箱附近，有較強(qiáng)的異常聲發(fā)射信號(hào)源。

圖3 不同測(cè)點(diǎn)異常聲發(fā)射信號(hào)Fig.3 Acoustic emission signals at different locations

圖3中的異常聲發(fā)射信號(hào)是固定的每隔90°就出現(xiàn)的突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)，此類信號(hào)呈脈沖波形，信號(hào)峰值較大，且衰減速度快[14]。發(fā)動(dòng)機(jī)中的突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)多因一些瞬態(tài)激勵(lì)(比如沖擊、碰撞等)產(chǎn)生，由此推測(cè)故障可能是規(guī)律的機(jī)械事件所造成的。由于曲軸箱外測(cè)點(diǎn)3的聲發(fā)射信號(hào)峰值響應(yīng)最大，故猜測(cè)曲軸箱內(nèi)部的曲軸系或連桿大端零部件之間發(fā)生了碰撞摩擦。一般情況下，在曲軸箱內(nèi)部可產(chǎn)生規(guī)律性機(jī)械事件的部位有兩處：①主軸承和曲軸之間由于受到發(fā)動(dòng)機(jī)交變載荷而產(chǎn)生的碰撞，②連桿大端軸瓦和連桿軸徑之間由于受到發(fā)動(dòng)機(jī)交變載荷而產(chǎn)生的碰撞。但是本試驗(yàn)中單缸柴油機(jī)所使用的兩個(gè)主軸承分別是深溝球軸承和圓柱滾子軸承，由于結(jié)構(gòu)原因這兩個(gè)軸承不會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)交變載荷的作用下產(chǎn)生規(guī)律的每隔90°的故障信號(hào)[15]。因此測(cè)點(diǎn)3的異常聲發(fā)射信號(hào)是由于連桿大端軸瓦和連桿軸徑之間的摩擦磨損產(chǎn)生的。

2.2 故障類型分析

進(jìn)一步分析測(cè)點(diǎn)3在不同轉(zhuǎn)速和不同載荷下的聲發(fā)射信號(hào)，從圖4中可以看出在相同轉(zhuǎn)速下，低載荷時(shí)的異常聲發(fā)射信號(hào)幅值大于高載荷時(shí)的異常聲發(fā)射信號(hào)幅值。由文獻(xiàn)[16]可知，相同轉(zhuǎn)速時(shí)，低載荷相對(duì)于高載荷時(shí)軸承間隙較大，當(dāng)軸承配合間隙過(guò)大時(shí)，由于通過(guò)間隙泄露的潤(rùn)滑油流量也大大增加，使有效油膜厚度反而下降。較弱的油膜阻尼作用無(wú)法對(duì)部件之間碰摩能量進(jìn)行有效耗散，使得低載荷時(shí)的異常聲發(fā)射信號(hào)幅值大于高載荷時(shí)的異常聲發(fā)射信號(hào)幅值。從圖4中還可以看出在相同載荷下，高轉(zhuǎn)速時(shí)的異常聲發(fā)射信號(hào)幅值大于低轉(zhuǎn)速時(shí)的異常聲發(fā)射信號(hào)幅值。這是由于相同載荷下高轉(zhuǎn)速時(shí)連桿受到的交變載荷較大，使得連桿大端和軸瓦之間應(yīng)力變大，所受應(yīng)力變大會(huì)使得碰撞摩擦能量更大，峰值響應(yīng)變強(qiáng)。造成這種情況的原因可能是連桿大端軸瓦與連桿軸徑之間的配合間隙過(guò)大。

圖4 測(cè)點(diǎn)3聲發(fā)射信號(hào)Fig.4 Position 3 sound emission signal

2.3 MATLAB仿真計(jì)算軸承力

為了確定測(cè)點(diǎn)3的異常聲發(fā)射信號(hào)是由于連桿大端軸瓦與連桿軸徑之間的配合間隙過(guò)大產(chǎn)生的，利用MATLAB建立發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)連桿大端軸瓦較大間隙條件下的軸承力進(jìn)行仿真研究。

連桿大端的力矩平衡方程

(1)

式中：Jc為連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Fcx為連桿大端豎直方向作用力；Fcy為連桿大端水平方向作用力。

圖5 曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析Fig.5 Force analysis of crank connecting rod mechanism

連桿X軸的平衡方程

mcacx+Fcx-Fpx=0

(2)

其中

acx=ancos(φ)+atsin(φ)+apx

式中：mc為連桿的質(zhì)量；acx為連桿豎直方向加速度；Fpx為活塞豎直方向作用力。an為連桿法向加速度，at為連桿切向加速度，lG為連桿小頭到連桿質(zhì)心的距離。

活塞X軸方向的平衡方程

Fpx=Fg-mpapx

(3)

式中：Fg為氣體作用力，mp為活塞的質(zhì)量，apx為活塞沿豎直方向的加速度。

聯(lián)立式(1)、(2)和(3)式得連桿大端X，Y軸的作用力為

Fcx=Fg-mpapx-mcacx

假設(shè)曲軸軸頸與軸瓦之間的間隙dd=0.2 mm(此單缸柴油機(jī)連桿大段軸瓦與連桿軸頸的正常配合間隙為0.05～0.11 mm)，將dd做為仿真中判定曲軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中曲軸軸頸與軸瓦之間間隙的臨界值，代入MATLAB程序進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)軸承X(Y)軸位移的絕對(duì)值大于0.2 mm時(shí)，軸承X(Y)軸的速度將會(huì)反向，并且由于接觸損失，速度大小變?yōu)樵瓉?lái)的0.6倍。具體如下：

若|d(x)|≥dd，

則v2(x)=-R*v1(x)；

若|d(y)|≥dd，

則v2(y)=-R*v1(y)。

其中|d(x)|、|d(y)|為軸承X，Y軸方向位移的絕對(duì)值；v1(x)、v1(y)為軸承X，Y軸方向的速度；R為碰撞后速度恢復(fù)系數(shù)，此處取0.6。

利用MATLAB仿真計(jì)算軸承力，從圖6(a)中可以看出，在豎直方向上，軸瓦在180°、360°、540°和720°附近受到相對(duì)較大軸承力的作用，其余位置受力相對(duì)較??；在水平方向上，軸瓦在90°、270°、450°和630°附近所受的軸承力較大，在180°、360°、540°和720°附近幾乎不受力，而在其他位置受力相對(duì)較小。

圖6(b)極坐標(biāo)圖中的極徑為軸承力合力大小(Nm)，極角為軸承力合力方向(°)。圖6(b)中，0°方向?yàn)樗椒较蜉S承力合力的正向，90°方向?yàn)樨Q直方向軸承力合力的正向。曲軸轉(zhuǎn)角為0°時(shí)合力方向?yàn)?90°，隨著曲軸轉(zhuǎn)角由0°～720°的一個(gè)工作循環(huán)，合力從-90°沿著逆時(shí)針?lè)较驈膱D中所示的線1經(jīng)過(guò)線2、3、4、5、6、7，最終到線8，完成一個(gè)工作循環(huán)。由圖6(b)的軸承力合力圖可以看出：180°、360°、540°、720°曲軸轉(zhuǎn)角附近位置合力在水平方向會(huì)有換向(即水平作用力方向會(huì)發(fā)生180°的換向)；同樣，在90°、270°、450°、630°曲軸轉(zhuǎn)角附近位置合力在豎直方向會(huì)有換向(即豎直作用力方向會(huì)發(fā)生180°的換向)。

綜上，在0°～720°的曲軸位置上每隔90°軸承就要承受一次碰撞和摩擦。這些曲軸轉(zhuǎn)角的受力位置與測(cè)點(diǎn)3異常聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)的位置高度吻合。

(a) 軸瓦在豎直和水平方向的軸承力

(b) 軸瓦軸承力合力圖(10 N·m-1 000 r/min)

3 故障驗(yàn)證

3.1 拆機(jī)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證聲發(fā)射故障診斷的結(jié)果，將單缸柴油機(jī)連桿大端軸瓦拆下，發(fā)現(xiàn)在上軸瓦內(nèi)側(cè)邊緣有嚴(yán)重的磨損，如圖7所示。有研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大端軸瓦與連桿軸徑在配合間隙過(guò)大的情況下，容易因?yàn)闈?rùn)滑不良而導(dǎo)致上軸瓦的邊緣發(fā)生摩擦磨損[17]。這恰好與拆機(jī)檢驗(yàn)的故障結(jié)果一致。

圖7 軸瓦磨損圖Fig.7 Bearing shell wear

3.2 更換軸瓦后試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證聲發(fā)射診斷的結(jié)果，更換加厚軸瓦，安裝完成后測(cè)得軸瓦與連桿軸徑之間間隙為0.08 mm，采集聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)更換軸瓦后測(cè)點(diǎn)3的異常聲發(fā)射信號(hào)峰值響應(yīng)近乎消失，如圖8所示。由此可知，發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大端軸瓦處的異常聲發(fā)射信號(hào)是由于連桿大端軸瓦與連桿軸頸的間隙過(guò)大，兩者之間不能形成良好的潤(rùn)滑油膜產(chǎn)生的，所以發(fā)動(dòng)機(jī)在固定的曲軸轉(zhuǎn)角位置會(huì)產(chǎn)生異常聲發(fā)射信號(hào)。而更換軸瓦之后測(cè)點(diǎn)3仍有微弱的異常聲發(fā)射信號(hào)峰值響應(yīng)，這說(shuō)明，此型號(hào)單缸柴油機(jī)的異常聲發(fā)射信號(hào)源不止一處，還有待于進(jìn)一步的研究診斷。

圖8 測(cè)點(diǎn)3更換軸瓦前、后聲發(fā)射信號(hào)對(duì)比Fig.8 Location 3 acoustic emission signal comparison of before and after replacement bearing shell

4 結(jié) 論

(1) 利用MATLAB對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大端軸瓦較大間隙條件下的軸承力進(jìn)行仿真分析，將仿真結(jié)果與聲發(fā)射診斷結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，此方法為發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大端軸瓦處聲發(fā)射故障診斷提供了理論依據(jù)。

(2) 這種由于軸瓦選型不合理而產(chǎn)生的異常摩擦磨損雖然短期內(nèi)不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和其機(jī)構(gòu)造成太大的危害，但長(zhǎng)期積累容易造成大的安全隱患，故此型號(hào)單缸柴油機(jī)連桿大端軸瓦處需要改進(jìn)。

(3) 研究表明基于聲發(fā)射技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大端軸瓦故障的定位和診斷。聲發(fā)射技術(shù)為發(fā)動(dòng)機(jī)的故障源定位和故障診斷提供了更準(zhǔn)確的方法。