耦合故障下增程器不對(duì)中故障診斷特征變化研究

吳 強(qiáng)

(武漢交通職業(yè)學(xué)院 湖北 武漢：430065)

在能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)的大背景下，各汽車(chē)企業(yè)都在研究和開(kāi)發(fā)新能源汽車(chē)，而增程式電動(dòng)汽車(chē)就是其中一個(gè)重要研究方向。增程式電動(dòng)汽車(chē)依靠增程器和動(dòng)力電池組作為能量來(lái)源，但高度電氣化和不斷改進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng)使得增程器控制系統(tǒng)復(fù)雜程度不斷提升[1]，故障發(fā)生的可能性增大。同時(shí)，其發(fā)動(dòng)機(jī)只有在電池電量不足時(shí)才會(huì)啟動(dòng)，通常不需要提供車(chē)輛所有的動(dòng)力需求[2]，因而較少在額定工況下運(yùn)行，因此一旦出現(xiàn)故障不容易被察覺(jué)。增程器的發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)間是多轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的組合，旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下容易出現(xiàn)多種故障，進(jìn)而影響汽車(chē)的可靠性和安全性。發(fā)動(dòng)機(jī)失火和轉(zhuǎn)子不對(duì)中就是發(fā)動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見(jiàn)的故障類(lèi)型。

因此，探索和研究增程器失火和轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障診斷特征及其規(guī)律，對(duì)增程式電動(dòng)汽車(chē)安全行駛至關(guān)重要。然而，增程器實(shí)際工作過(guò)程中某一部件的故障可能誘發(fā)其他部件故障的發(fā)生，如失火故障會(huì)導(dǎo)致軸系不正常旋轉(zhuǎn)，從而誘發(fā)不對(duì)中故障，而不對(duì)中故障使得配氣機(jī)構(gòu)不正常運(yùn)轉(zhuǎn)，又可能誘發(fā)失火故障，故增程器的單一故障往往會(huì)發(fā)展為多故障[3-4]。增程器在耦合故障下的動(dòng)力學(xué)特性比單一故障下的動(dòng)力學(xué)特性更加繁瑣，且表現(xiàn)出許多獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)特性。因此，對(duì)增程器進(jìn)行耦合故障下的診斷特征變化研究非常重要。

以往的耦合故障特征研究主要集中在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的耦合故障研究。劉毅利用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)單跨轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的耦合碰摩故障進(jìn)行了研究，提出了基于EMD的故障特征提取方法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、BP Adaboost的特征識(shí)別方法[5]。車(chē)凱凱等采用StribecK摩擦模型,建立了軸承分布支承下的摩擦激勵(lì)軸系動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)軸承傾斜故障更容易觸發(fā)自激失穩(wěn)，從而影響了故障特征[6]。而目前關(guān)于失火-不對(duì)中耦合故障特征研究卻較少。

本文在耦合工況下對(duì)已得到的不對(duì)中故障診斷特征進(jìn)行仿真分析，研究不對(duì)中故障診斷特征變化規(guī)律，同時(shí)結(jié)合機(jī)理研究，對(duì)不對(duì)中故障診斷特征的變化進(jìn)行了原理分析，由此為增程器在失火-不對(duì)中耦合故障工況下的診斷研究提供了有力的參考。

1 增程器不對(duì)中故障診斷特征

1.1 增程器軸系系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)剛?cè)峄旌隙囿w動(dòng)力學(xué)模型建立

本文研究的增程器是一款額定功率為24kW的特定型號(hào)增程器，根據(jù)內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)計(jì)算得到了增程器各零部件的基本尺寸。統(tǒng)籌使用三維CAD軟件CATIA、有限元軟件ANSYS和虛擬樣機(jī)軟件ADAMS，得到增程器軸系系統(tǒng)虛擬樣機(jī)剛?cè)峄旌夏Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 增程器軸系系統(tǒng)虛擬樣機(jī)剛?cè)峄旌夏Ｐ?/p>

1.2 不對(duì)中故障診斷特征

通過(guò)虛擬樣機(jī)仿真、多體動(dòng)力學(xué)分析和小波分析的驗(yàn)證獲得了增程器軸系系統(tǒng)不對(duì)中故障診斷特征：

從增程器發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸(以下稱(chēng)為“轉(zhuǎn)子”)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度振動(dòng)頻率分量中提取1.0倍轉(zhuǎn)頻和2.0倍轉(zhuǎn)頻分量作為不對(duì)中故障的診斷特征，隨著不對(duì)中值的增大，1.0倍轉(zhuǎn)頻和2.0倍轉(zhuǎn)頻分量振動(dòng)加劇，其可以表征不對(duì)中故障的發(fā)生。

2 耦合故障下不對(duì)中故障特征變化研究

發(fā)動(dòng)機(jī)在正常工況下能達(dá)到100%的燃油爆發(fā)壓力，失火故障下不能達(dá)到100%的爆發(fā)壓力。因而可以通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的爆發(fā)壓力的百分比來(lái)模擬失火故障的發(fā)生。本文主要研究模擬了第一氣缸失火，且模擬了失火因子K分別為1.0(正常)、0.8(爆發(fā)壓力為正常的80%)、0.6(爆發(fā)壓力為正常的60%)和0.4(爆發(fā)壓力為正常的40%)的4組工況。考慮多不對(duì)中工況研究，本文模擬了4組工況：不對(duì)中Δ0為0mm的正常工況和不對(duì)中Δ1為0.5mm、不對(duì)中Δ2為1mm以及不對(duì)中Δ3為2mm的不對(duì)中故障工況。

為全面研究失火-不對(duì)中耦合故障下不對(duì)中故障特征的變化規(guī)律，做出在K=1.0,K=0.8、K=0.6和K=0.4三種失火工況下的多轉(zhuǎn)速、多不對(duì)中值轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻譜三維瀑布圖，如圖2至圖5所示。

圖2 K=1.0失火工況下多轉(zhuǎn)速、多不對(duì)中值轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻譜瀑布圖

圖3 K=0.8失火工況下多轉(zhuǎn)速、多不對(duì)中值轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻譜瀑布圖

圖4 K=0.6失火工況下多轉(zhuǎn)速、多不對(duì)中值轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻譜瀑布圖

圖5 K=0.4失火工況下多轉(zhuǎn)速、多不對(duì)中值轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻譜瀑布圖

通過(guò)對(duì)圖2至圖5的分析觀察，發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：

(1)在任意失火系數(shù)、轉(zhuǎn)速工況下，圖2～圖5各瀑布圖中，Δ0工況下的頻譜圖只歷經(jīng)了1.0倍轉(zhuǎn)頻的瀑布簾，即只有1.0倍轉(zhuǎn)頻特性；Δ1、Δ2和Δ3工況下頻譜圖則歷經(jīng)了多條瀑布簾，即表現(xiàn)了多種轉(zhuǎn)頻成分的組合，且隨著不對(duì)中值的增大，1.0倍轉(zhuǎn)頻和2.0倍轉(zhuǎn)頻瀑布簾不斷上流，即不對(duì)中值越大，1.0倍轉(zhuǎn)頻和2.0倍轉(zhuǎn)頻分量振動(dòng)越明顯。

(2)在任意失火系數(shù)、轉(zhuǎn)速工況下，圖2～圖5各瀑布圖的頻譜特性除表現(xiàn)出1.0倍轉(zhuǎn)頻、2.0倍轉(zhuǎn)頻等高階倍轉(zhuǎn)頻(因?qū)D形清晰程度考慮，各圖中未標(biāo)出3.0倍轉(zhuǎn)頻等高階倍頻)成分外，還表現(xiàn)出了0.5倍轉(zhuǎn)頻、1.5倍轉(zhuǎn)頻和2.5倍轉(zhuǎn)頻等含有分?jǐn)?shù)倍頻的頻率成分，且這種分?jǐn)?shù)倍頻的頻譜成分隨失火程度加深、不對(duì)中值的增大而表現(xiàn)得更加明顯。

為對(duì)圖2至圖5所呈現(xiàn)出的倍頻值規(guī)律進(jìn)行具體量化，列出轉(zhuǎn)速分別為1000rpm、1500rpm、2000rpm和2500rpm下各工況的特定倍數(shù)轉(zhuǎn)頻分量如表1所示。

表1 多轉(zhuǎn)速、多失火系數(shù)、多不對(duì)中值工況下特定倍頻分量幅值表

結(jié)合表1的具體量化數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)：盡管存在失火故障，但不對(duì)中故障的1.0倍轉(zhuǎn)頻和2.0倍轉(zhuǎn)頻分量的故障特征，仍表現(xiàn)著與單獨(dú)不對(duì)中故障下的相同規(guī)律，即隨不對(duì)中故障程度的加深，1.0倍轉(zhuǎn)頻和2.0倍轉(zhuǎn)頻分量都有提升。由此可知，在失火-不對(duì)中耦合故障下，不對(duì)中轉(zhuǎn)頻特性中的1.0倍轉(zhuǎn)頻分量和2.0倍轉(zhuǎn)頻分量仍可作為不對(duì)中故障的診斷特征。但與此同時(shí)，頻譜中出現(xiàn)了分?jǐn)?shù)倍轉(zhuǎn)頻成分，且隨著不對(duì)中值的增加表現(xiàn)更為明顯。

3 耦合故障機(jī)理分析

當(dāng)聯(lián)軸器轉(zhuǎn)子間出現(xiàn)平行不對(duì)中時(shí)，轉(zhuǎn)子的軸線間會(huì)有了平行偏移，會(huì)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生徑向力和軸向力。圖6為聯(lián)軸器失火-平行不對(duì)中時(shí)的受力圖，兩半聯(lián)軸器的平行不對(duì)中量為Δ，結(jié)合在P點(diǎn)，主動(dòng)轉(zhuǎn)子和被動(dòng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)中心為O1和O2，轉(zhuǎn)子的角速度為ω，由于失火故障的發(fā)生，ω為變量，聯(lián)軸器上P點(diǎn)的轉(zhuǎn)角為ωt。

圖6 聯(lián)軸器平行不對(duì)中受力圖

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不同心的兩轉(zhuǎn)子的軸心因受到螺栓力作用，兩軸會(huì)往中心靠攏。因結(jié)合點(diǎn)P到兩轉(zhuǎn)子中心的距離為被動(dòng)軸大于主動(dòng)軸，即PO2>PO1，故在主動(dòng)軸上產(chǎn)生壓力，被動(dòng)軸上產(chǎn)生拉力[7]。在PO2上取一點(diǎn)A，且有PO1=PA。通常情況，可以近似地認(rèn)為O1A垂直于PO2，則有：

AO2=PO2-PO1=Δcos(ωt)

(1)

可近似認(rèn)為兩半聯(lián)軸器變形相等，即有

(2)

設(shè)主動(dòng)軸的剛度為K，則主動(dòng)軸上的壓縮力和被動(dòng)軸上的拉伸力為:

(3)

將軸上力F沿水平方向和豎直方向分解為FX和FY:

由對(duì)其動(dòng)力學(xué)分析得到的表達(dá)式(4)可知，不對(duì)中故障會(huì)誘發(fā)振動(dòng)激勵(lì)力，F(xiàn)X和FY都是隨角速度ω變化的激勵(lì)力。而失火故障下，轉(zhuǎn)子的角速度ω不再是一個(gè)固定值，是一個(gè)變化量，從而產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)力不再是單一的整倍數(shù)于轉(zhuǎn)速變化，激勵(lì)力振動(dòng)產(chǎn)生了不確定性，故激勵(lì)力表現(xiàn)出了分?jǐn)?shù)倍轉(zhuǎn)頻成分，且隨著不對(duì)中值Δ增大，分?jǐn)?shù)倍轉(zhuǎn)頻分量振動(dòng)加劇。故在耦合故障下，頻譜中出現(xiàn)了分?jǐn)?shù)倍轉(zhuǎn)頻成分，且隨著不對(duì)中值的增加表現(xiàn)更為明顯。

4 結(jié)論

在虛擬樣機(jī)中搭建了增程器軸系系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)剛?cè)峄旌夏Ｐ停⒂纱双@得了不對(duì)中故障的診斷特征，在耦合工況下對(duì)已得到的不對(duì)中故障診斷特征進(jìn)行仿真分析，結(jié)合故障機(jī)理研究，得到以下結(jié)論：

1)失火-不對(duì)中耦合工況下，不對(duì)中故障診斷特征仍能表征不對(duì)中故障的發(fā)生，仍能診斷不對(duì)中故障。

2)失火-不對(duì)中耦合工況下，轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻譜圖中除了1.0倍轉(zhuǎn)頻和2.0倍轉(zhuǎn)頻等高階倍轉(zhuǎn)頻成分外，還出現(xiàn)了分?jǐn)?shù)倍轉(zhuǎn)頻成分，這是誘發(fā)激勵(lì)力振動(dòng)的頻率變化所致，在耦合故障下，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)頻譜發(fā)生了變化。