刮傷故障對發(fā)動機(jī)振動影響研究

魏麗青

（樂山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 814000)

發(fā)動機(jī)是汽車組成及正常運(yùn)行的核心部件，其性能的好壞將直接關(guān)乎到汽車能否正常運(yùn)行?；钊鳛閮?nèi)燃機(jī)的主要部件之一，其工作環(huán)境常伴隨著很高的熱負(fù)荷及機(jī)械負(fù)荷，由于這種復(fù)雜的工作環(huán)境，使得活塞在工作過程中存在很大的失效可能性[1]。在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，活塞的主要故障由部件磨損、燒灼、結(jié)膠與積炭等引起，其中部件磨損是導(dǎo)致活塞故障的主要形式[2]。發(fā)動機(jī)的磨損主要有3種，分別為腐蝕、磨損和粘著，磨損主要發(fā)生在發(fā)動機(jī)磨合期。

磨料磨損是由于在界面上，捕獲較硬表面或硬顆粒的運(yùn)動引起的部件表面損傷[3]，磨料磨損包括2種類型，即兩體磨損和三體磨損。本文以汽油4缸發(fā)動機(jī)為例，分別在發(fā)動機(jī)活塞正常及磨損條件下收集發(fā)動機(jī)振動信號，通過傅里葉變換及連續(xù)小波變換方法，對振動信號進(jìn)行處理分析，并對比結(jié)果得出活塞劃傷對發(fā)動機(jī)振動特性的影響。

1 基本原理

設(shè)信號x(t)能量有限，存在x(t)∈L2(R)，則連續(xù)小波變換定義為信號與小波的內(nèi)積。小波族是不同子小波ga,b(t)波的集合，而子小波由母小波g(t)通過伸縮和平移變換獲得，其中a為尺度參數(shù)，b為位移參數(shù)，二者之間關(guān)系為公式（1）。

小波變換的表達(dá)式為公式（2）。

其中Wg(a,b)為變換后的系數(shù)，為子小波g(t)的復(fù)共軛。

對于有限能量的信號x(t)，由于小波變換的等距特性，使得信號x(t)在小波變換前后的能量守恒，因此有公式（3）成立。

其中Cg為小波變換的容許條件，Wg(a,b)表示信號x(t)的小波變換。式中∣Wg(a,b)∣2/Cga2可以看作(a,b)平面上的能量密度函數(shù)，而∣Wg(a,b)∣2ΔaΔb/Cga2則給出以尺度a和時間b為中心，間隔分別為Δa和Δb的能量。因此信號x(t)在尺度為a時的能量臨界密度函數(shù)E(a)（為尺度能量譜）表達(dá)為公式（4）。

2 實驗步驟

實驗采用4缸發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)參數(shù)如表1所示。為了能控制發(fā)動機(jī)的速度及載荷，配合使用190 kW的電渦流測功機(jī)。連接速度傳感器、扭矩傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器，使得發(fā)動機(jī)各個參數(shù)在實驗中都是可提取并可控的。

表1 發(fā)動機(jī)參數(shù)

為了收集振動信號，在發(fā)動機(jī)氣缸前部安裝一個型號為357B11的PCB加速計。加速計參數(shù)如表2所示。所有的信號通過MATLAB進(jìn)行記錄并處理。

表2 信號加速計參數(shù)

發(fā)動機(jī)從空轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速加速度時間小于15 s。在實驗過程中測得發(fā)動機(jī)信號及振動信號。實驗前通過檢查發(fā)動機(jī)的不同組建，來確定發(fā)動機(jī)的健康狀況，重點檢查活塞跟氣缸2部分。第1次實驗用于確認(rèn)發(fā)動機(jī)的健康狀況，其所得到的所有數(shù)據(jù)作為進(jìn)一步實驗的參考。

在發(fā)動機(jī)進(jìn)行第一次實驗后，人為制造活塞劃痕（圖1）。用機(jī)床在活塞裙部的側(cè)推力面刻一道深度為0.15 mm的劃痕，該數(shù)值為發(fā)動機(jī)活塞真實運(yùn)行磨損統(tǒng)計值。如果能有效檢測這一階段的磨損，將有可能采取措施防止進(jìn)一步的故障。

因此，本研究對預(yù)防發(fā)動機(jī)表面磨損故障有著重要意義。通過以上步驟，將準(zhǔn)備好的有劃痕的活塞組裝在發(fā)動機(jī)中進(jìn)行實驗。實驗步驟與具體參數(shù)如表3所示，實驗過程中收集相應(yīng)的振動信號及發(fā)動機(jī)參數(shù)。

3 結(jié)果與討論

分析波形可知，發(fā)動機(jī)振動信號會受到活塞磨損的影響。通過傅里葉變換對信號進(jìn)行進(jìn)一步分析，信號譜中one（紅色）表示發(fā)動機(jī)刮傷信號，two（藍(lán)色）表示發(fā)動機(jī)正常振動信號（圖2）。

圖3為發(fā)動機(jī)正常及故障狀況下的振動信號，根據(jù)傅里葉變換，并通過MATALAB中的海明窗顯示的結(jié)果。通過分析可知，活塞刮痕的頻段大約在2～6 kHz。為了能夠?qū)Ρ日＜肮收锨闆r的振動信號，將振動頻率最大值、平均值、能量特征值及平均值進(jìn)行提取比較。

表3 實驗過程及參數(shù)設(shè)置

圖1 活塞劃痕圖

分析圖4可知在頻段2～6 kHz中，活塞磨損振動頻率最大值（Maximum）比正常頻率高約93%，平均值（Mean）高約73%，能量特征值（Energy）高約239%，最小值（RMS）高約91%。

圖5是振動信號通過cwt分析得到的正常及磨損情況的頻譜及時譜。通過比較時譜可知，磨損能使頻率提升大約3.5 kHz。因此，磨損使得發(fā)動機(jī)的振動頻率提升大約3.5 kHz。為了獲取頻率準(zhǔn)確的分布，統(tǒng)計計算cwt分析中256個尺度的磨損能量特征值。因為損傷會增加振動信號的能量值，意味著劃痕信號出現(xiàn)在能量更多的尺度上。

分析可知發(fā)動機(jī)正常及磨損情況狀況能量差異最大的尺度為第10尺度，其對應(yīng)的頻率為3.3 kHz。將對比范圍擴(kuò)大到最大值的60%，7～11的尺度所對應(yīng)的頻率為3～4.7 kHz。此結(jié)果表明活塞劃痕信號在發(fā)動機(jī)振動信號的3～4.7 kHz片段中體現(xiàn)。

4 結(jié)束語

通過對比正常運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)振動信號及活塞磨損發(fā)動機(jī)振動信號，利用傅里葉轉(zhuǎn)換及小波變換對信號進(jìn)行處理，得出以下結(jié)論。

（1）活塞劃痕信號在發(fā)動機(jī)振動信號的3～4.7 kHz片段中所體現(xiàn)。

（2）磨損造成振動信號在發(fā)動機(jī)振動信號頻段3～4.7 kHz頻段中頻率最大值增加了143%，平均值增加162%，RMS值增加106%，相對尖銳度增加113%。

發(fā)動機(jī)故障的準(zhǔn)確檢測將會為后續(xù)修復(fù)爭取時間，大大提升發(fā)動機(jī)的使用壽命及工作穩(wěn)定性。本文通過實驗的方式將發(fā)動機(jī)磨損故障對振動頻率的影響進(jìn)行分析，為發(fā)動機(jī)故障檢測及檢修提供了科學(xué)的參考依據(jù)。

圖2 發(fā)動機(jī)正常及磨損振動信號對比圖

圖3 發(fā)動機(jī)磨損振動信號傅里葉變換

圖4 振動頻率比較圖

圖5 發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)cwt分析結(jié)果