汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障非接觸式檢測(cè)技術(shù)分析

姜十萬

摘 要：主要針對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的誤差率高、主觀性強(qiáng)、效率低問題，提出非接觸檢測(cè)技術(shù)。研究過程中，以非接觸式檢測(cè)技術(shù)為切入點(diǎn)，分析汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障，并以四沖程汽車發(fā)動(dòng)機(jī)為例，研究發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障檢測(cè)中非接觸式技術(shù)操作流程及結(jié)果分析。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī);機(jī)械故障;非接觸;檢測(cè)技術(shù)

隨著我國人民可支配收入不斷提高，汽車保有量也隨之增加，而汽車行駛中發(fā)動(dòng)機(jī)作為其動(dòng)力源，長(zhǎng)期使用后不可避免的會(huì)有一定機(jī)械故障出現(xiàn)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件數(shù)量多，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，若是使用傳統(tǒng)人工檢測(cè)方式或一般設(shè)備診斷，則無法確保全面精準(zhǔn)的檢測(cè)機(jī)械故障。在此背景下，應(yīng)當(dāng)采取非接觸式檢測(cè)技術(shù)，利用電信號(hào)中聲場(chǎng)信號(hào)特征檢測(cè)機(jī)械故障，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障檢測(cè)效率。

1 非接觸式檢測(cè)技術(shù)概述

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測(cè)中，非接觸式檢測(cè)技術(shù)屬于擁有較高智能化與自動(dòng)化水平的技術(shù)，與傳統(tǒng)檢測(cè)方式相比更加精準(zhǔn)便捷[1]。非接觸式檢測(cè)技術(shù)是基于人工檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行量化改進(jìn)，利用設(shè)備捕捉發(fā)動(dòng)機(jī)所發(fā)出的聲信號(hào)，以判斷發(fā)動(dòng)機(jī)故障的技術(shù)形式。目前，隨著信息技術(shù)與電子技術(shù)發(fā)展，智能化與自動(dòng)化技術(shù)融入到多個(gè)領(lǐng)域之中，汽車行業(yè)同樣如此，人工檢測(cè)技術(shù)無法滿足現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求，汽車生產(chǎn)維修與自動(dòng)技術(shù)相結(jié)合已經(jīng)成為未來發(fā)展主要趨勢(shì)。所以，提出非接觸檢測(cè)技術(shù)，此技術(shù)利用聲學(xué)與光學(xué)原理，可在不與發(fā)動(dòng)機(jī)接觸前提下對(duì)其進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)檢測(cè)。

2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障分析

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與內(nèi)燃機(jī)相似，包含5個(gè)系統(tǒng)與2個(gè)大結(jié)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)故障類型也較多，如發(fā)動(dòng)機(jī)異響，供油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)故障等[2]。隨著現(xiàn)代汽車制造水準(zhǔn)逐漸提高，部分系統(tǒng)可在線監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)，但對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障診斷時(shí)，仍有一定問題需要解決。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障通常為異常響動(dòng)，主要有以下幾方面：（1）連桿軸承，由于連桿軸徑與連桿軸承之間產(chǎn)生較大配合間隙，或螺栓松動(dòng)致使軸徑與軸承碰撞，以至于發(fā)生異常響動(dòng)，汽缸體有顯著振動(dòng);（2）孔座與活塞銷之間有較大配合間隙，致使活塞不斷敲擊孔座，導(dǎo)致發(fā)生聲響;（3）由于曲徑與曲軸軸承之間有較大配合間隙，或螺栓松動(dòng)致使軸徑與軸承碰撞，以至于發(fā)生異常響動(dòng)，汽缸軸承座部位有顯著振動(dòng);（4）汽缸漏氣，發(fā)動(dòng)機(jī)做功中，將會(huì)有高壓氣體途經(jīng)汽缸壁與活塞環(huán)一同進(jìn)入到曲軸箱中，進(jìn)而沖擊油底殼，發(fā)出聲響。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障通常是由于磨損造成的，部分故障無法有效分辨，如氣門、附件異常等。

本次以四沖程汽車發(fā)動(dòng)機(jī)為例，分析異響聲信號(hào)手機(jī)及處理信息數(shù)據(jù)實(shí)際操作，一汽奔騰B50排量為1.6 L，可人工設(shè)定常見發(fā)動(dòng)機(jī)異響類型，并制定相應(yīng)聲信號(hào)與電信號(hào)，表1為檢測(cè)結(jié)果。

通過異響分布情況可知，奔騰B50汽車發(fā)動(dòng)機(jī)異響集中在氣門與前驅(qū)部位，在總比重中占據(jù)6成左右，不同故障點(diǎn)異響的頻率及音色上存在差異，所以利用設(shè)備傳感器能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)異響來源進(jìn)行分析，與噪音異響信號(hào)頻率及強(qiáng)度相結(jié)合，可確定故障點(diǎn)部位，診斷發(fā)動(dòng)機(jī)故障。

在檢測(cè)過程中，環(huán)境方面選擇一汽轎車廠總裝車間生產(chǎn)線，此環(huán)境十分嘈雜，存在各種噪聲干擾與混響聲，對(duì)于診斷結(jié)果可能存在一定影響。所以，可采取進(jìn)廠檢測(cè)法避免雜音與混響聲對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾[3]。此非接觸檢測(cè)技術(shù)傳感器是加速度傳感器，傳感器布置過程中應(yīng)控制與其他發(fā)動(dòng)機(jī)之間的距離，不僅要保證高信噪比精確度，還要避免對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作造成干擾，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)機(jī)械故障的功能。

3 非接觸式檢測(cè)分析

3.1 操作流程

為提高非接觸式故障檢測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確性，聲信號(hào)傳感系統(tǒng)選用具有良好抗干擾能力與適應(yīng)性的LMS系統(tǒng)，建立聲信號(hào)分析平臺(tái)。實(shí)際操作中，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)異響收集如下：（1）車間中清除非相關(guān)設(shè)備，盡量減少混響聲與噪音對(duì)此檢測(cè)結(jié)果的影響，但不能影響總裝車間的工作。布置安裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備，連接傳感器與配套分析系統(tǒng)，驗(yàn)證硬件參數(shù)可靠性，以保證其能夠在檢測(cè)中發(fā)揮作用;（2）設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)異響聲信號(hào)參數(shù)，在軟件中設(shè)置技術(shù)參數(shù)，校對(duì)傳感器信號(hào)，調(diào)試設(shè)備靈敏度，設(shè)置聲信號(hào)采樣時(shí)間及采樣頻率間隔，依據(jù)維修經(jīng)驗(yàn)，聲信號(hào)頻率為20 250 Hz，時(shí)間間隔設(shè)置為1.5 s;（3）需要檢測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)，將其放在設(shè)備檢測(cè)平臺(tái)中，此過程盡量保持冷啟動(dòng)，之后專業(yè)機(jī)修室設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)可能發(fā)生的故障問題，模擬人工檢測(cè)流程，并在總裝車間中收集聲信號(hào)，定時(shí)做好聲信號(hào)數(shù)據(jù)反饋，依據(jù)數(shù)據(jù)整合分析發(fā)動(dòng)機(jī)故障情況。

3.2 結(jié)果分析

（1）正常發(fā)動(dòng)機(jī)。圖為正常發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試結(jié)果，所收集的聲信號(hào)利用小波進(jìn)行過濾，下圖中ac、bd進(jìn)行兩兩分析，濾波后聲信號(hào)細(xì)節(jié)系數(shù)中一三四尺度均為0，而二和五尺度則有保留數(shù)據(jù)。表明發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)收集中存在雜音，第一三四持續(xù)中十分顯著。聲信號(hào)向極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，信號(hào)均有雪花狀，且經(jīng)過濾波前后對(duì)比，區(qū)分顯著，證明鏡像圖中能夠有效分離有用信號(hào)。

（2）氣門異常。氣門異常發(fā)動(dòng)機(jī)通常發(fā)出噠噠的清脆聲響，由凸輪軸一側(cè)發(fā)生，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)聲音更加顯著，中速以上則明顯減弱。主要是由于導(dǎo)孔與挺桿存在較大圓度偏差，且挺柱球發(fā)生變形，進(jìn)而造成挺柱運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活。經(jīng)過非接觸式檢測(cè)后，在小波濾波前后其氣門挺柱異常情況相較于正常發(fā)動(dòng)機(jī)存在明顯差異，通過收集聲信號(hào)，時(shí)域圖中可通過視覺掌握周期特點(diǎn)，小波后并未影響信號(hào)周期性，前三個(gè)尺度存在顯著聲信號(hào)周期性。

（3）油底殼異常。發(fā)動(dòng)機(jī)在出現(xiàn)油底殼異常響動(dòng)后，其并無顯著特點(diǎn)，因此在與正常發(fā)動(dòng)機(jī)相比較中無法及時(shí)獲得檢測(cè)結(jié)果。但是，利用非接觸式檢測(cè)技術(shù)，在細(xì)節(jié)系數(shù)圖中，能夠明顯觀察到三四五尺度信號(hào)發(fā)生顯著變化，此處聲信號(hào)存在顯著周期性特點(diǎn)。由此可知，檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼聲信號(hào)異常的濾波后，能夠明顯將自身周期性特點(diǎn)提高。因此，小波濾波可提升油底殼聲信號(hào)，每個(gè)尺度中均有相應(yīng)數(shù)據(jù)，表明相較于正常發(fā)動(dòng)機(jī)，油底殼異常響聲較多。

（4）前部異常。發(fā)動(dòng)機(jī)前部異常中時(shí)域信號(hào)穩(wěn)定，無顯著特點(diǎn)，在小波變換中，信號(hào)存在明顯波動(dòng)，但并不屬于完全定值。而在細(xì)節(jié)系數(shù)三尺度內(nèi)，聲信號(hào)存在周期性脈沖的特點(diǎn)。

總之，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障檢測(cè)中，采取非接觸式檢測(cè)技術(shù)，通過智能化與自動(dòng)化方式，在不接觸物體的同時(shí)檢測(cè)其中是否存在故障，不僅能夠有效提高診斷全面性與精確性，還不會(huì)對(duì)物體造成較大影響，具有適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，因而可在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障檢測(cè)中推廣此技術(shù)，以推動(dòng)汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林一楠，黃曉鵬.基于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中常見的故障案例維修與分析方法探析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（12）：187-188.

[2] 李偉峰，王磊.船舶機(jī)械設(shè)備的常見故障及狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2018（6）：32-34.