重型發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架異常振動(dòng)分析與改善

梁大平 鄭永明 宋 東 劉典云

（中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（昆明）有限公司，昆明 651701）

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架由測(cè)功機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、連接軸、鐵地板、臺(tái)架小車(chē)和減振裝置等單元組成，如圖1所示。臺(tái)架系統(tǒng)的振動(dòng)模型較為復(fù)雜，影響因素多，且各單元之間相互作用。在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)平臺(tái)會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)，如不采取相應(yīng)的隔振措施，會(huì)對(duì)周?chē)木軆x器和儀表的正常使用、工作環(huán)境和建筑設(shè)施等帶來(lái)不良影響[1]。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)

該臺(tái)架配備了HORIBA的HD576電力測(cè)功機(jī)和EME的臺(tái)架小車(chē)。某重型發(fā)動(dòng)機(jī)在該臺(tái)架開(kāi)展試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)了強(qiáng)烈的異常振動(dòng)，尤其是轉(zhuǎn)速為1 300 r·min-1、1 700 r·min-1和1 800 r·min-1時(shí)，振動(dòng)最強(qiáng)烈，測(cè)量結(jié)果如圖2所示。為了保護(hù)測(cè)試設(shè)備和樣品，在測(cè)功機(jī)上安裝了3個(gè)振動(dòng)傳感器，設(shè)置了振動(dòng)限值（報(bào)警值為8 mm·s-1），結(jié)果發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試扭矩?zé)o法達(dá)到目標(biāo)扭矩，導(dǎo)致試驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展。為了快速解決臺(tái)架異常振動(dòng)，采用異常振動(dòng)故障樹(shù)分析法，計(jì)算了連接軸與臺(tái)架系統(tǒng)的匹配，分析了臺(tái)架系統(tǒng)的振動(dòng)主要激勵(lì)源和鐵地板質(zhì)量等減振基礎(chǔ)的影響，通過(guò)更換連接軸、空氣彈簧以及采用性能更優(yōu)異的減振塊等措施來(lái)改善異常振動(dòng)，使振動(dòng)控制在可接受范圍內(nèi)，并按計(jì)劃開(kāi)展了該發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)。

圖2 臺(tái)架出現(xiàn)異常振動(dòng)

1 異常振動(dòng)原因分析

從基本形式來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)與測(cè)功機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)上通過(guò)彈性連接軸構(gòu)成旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為由撓性軸連接的2個(gè)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系統(tǒng)，通常稱(chēng)為雙質(zhì)量系統(tǒng)[2]，如圖3所示，Ie為發(fā)動(dòng)機(jī)端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Ib為測(cè)功機(jī)端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，C為傳動(dòng)軸剛度。

圖3 雙質(zhì)量系統(tǒng)

1.1 異常振動(dòng)故障樹(shù)

故障樹(shù)分析是描述事故因果關(guān)系的有效方法，是系統(tǒng)安全工程中重要的分析方法之一，能識(shí)別評(píng)價(jià)各種系統(tǒng)的危險(xiǎn)性。既適用于定性分析，又能進(jìn)行定量分析。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)振動(dòng)模型十分復(fù)雜，對(duì)各部分逐一分析，適合采用故障樹(shù)分析法[3]。

試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)功機(jī)振動(dòng)大的原因很多。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析，可能的原因有發(fā)動(dòng)機(jī)扭振過(guò)大、發(fā)動(dòng)機(jī)與測(cè)功機(jī)不對(duì)中、測(cè)功機(jī)存在機(jī)械松動(dòng)、測(cè)功機(jī)軸承故障、測(cè)功機(jī)定子故障、測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)子故障、發(fā)動(dòng)機(jī)部件運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致振動(dòng)大、發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定導(dǎo)致振動(dòng)大、臺(tái)架基礎(chǔ)減振差、減振裝置選用不合理、連接軸選用不合理以及旋轉(zhuǎn)件動(dòng)不平衡等。它的故障樹(shù)分析如圖4所示。

圖4 故障樹(shù)法分析異常振動(dòng)

1.2 連接軸匹配計(jì)算

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)中，連接軸的匹配十分關(guān)鍵。既要可靠地傳遞扭矩，又要起到良好的減振作用，因此需要分析連接軸的振動(dòng)。選用連接軸時(shí)，要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)功機(jī)和試驗(yàn)要求合理選用，并盡可能避免在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)生共振。從雙質(zhì)量系統(tǒng)扭振入手，主要考慮共振頻率和臨界轉(zhuǎn)速，再確認(rèn)選用的連接軸。連接軸參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 連接軸參數(shù)

圖3的發(fā)動(dòng)機(jī)與測(cè)功機(jī)雙質(zhì)量系統(tǒng)本身具有形成扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的傾向。2個(gè)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量可能會(huì)沿軸的某一位置上圍繞中心點(diǎn)產(chǎn)生超過(guò)180°的相位振動(dòng)，這種扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的共振頻率fc為[4]：

如果該無(wú)阻尼系統(tǒng)受到一個(gè)頻率為f的恒定幅度激振扭矩的作用，隨著頻率增加，當(dāng)f=fc時(shí)，振幅變成無(wú)限大，此時(shí)軸可能會(huì)斷裂。隨著頻率的進(jìn)一步增加，振幅會(huì)下降，且在時(shí)降到靜態(tài)變形的程度。

對(duì)于六缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，它對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)臨界轉(zhuǎn)速nc為：

為保證臨界轉(zhuǎn)速位于發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作轉(zhuǎn)速范圍以外，一般將臨界轉(zhuǎn)速設(shè)定在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速nidle以下，即：

按照式（1）、式（2）和式（3），對(duì)連接軸的匹配進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)果如圖5所示。計(jì)算轉(zhuǎn)速在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，連接軸與臺(tái)架系統(tǒng)不存在共振，選用合理。

圖5 連接軸匹配計(jì)算結(jié)果

1.3 測(cè)功機(jī)異常振動(dòng)分析

從故障樹(shù)看，測(cè)功機(jī)端振動(dòng)大有軸和聯(lián)軸器振動(dòng)大和測(cè)功機(jī)本體振動(dòng)大兩種情況。從理論計(jì)算結(jié)果得知，連接軸與臺(tái)架系統(tǒng)不存在共振，只需要分析測(cè)功機(jī)本體振動(dòng)。由于HD576測(cè)功機(jī)剛安裝和調(diào)試完成，設(shè)備狀態(tài)很好，因此可以排除是軸承故障或機(jī)械松動(dòng)導(dǎo)致的機(jī)械振動(dòng)大。測(cè)功機(jī)出廠前進(jìn)行嚴(yán)格的出廠檢查，包括電氣、機(jī)械和振動(dòng)等項(xiàng)目，同樣可以排除由定子故障或轉(zhuǎn)子故障導(dǎo)致的電氣振動(dòng)大。為了驗(yàn)證以上分析，對(duì)測(cè)功機(jī)無(wú)負(fù)荷狀態(tài)做自由滑行試驗(yàn)。該發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 800 r·min-1?？紤]測(cè)功機(jī)從1 900 r·min-1開(kāi)始滑行，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖6，最大振動(dòng)出現(xiàn)在1 700～1 800 r·min-1，最大值小于1.3 mm·s-1，和出廠結(jié)果一致，因此測(cè)功機(jī)本體未出現(xiàn)異常振動(dòng)，以上分析合理。每次發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架安裝時(shí)都要使用激光對(duì)中儀對(duì)中，因此不存在聯(lián)軸器不對(duì)中的情況。從連接軸匹配理論計(jì)算結(jié)果和測(cè)功機(jī)自由滑行結(jié)果可知，測(cè)功機(jī)端未出現(xiàn)異常振動(dòng)。

圖6 HD576測(cè)功機(jī)自由滑行振動(dòng)測(cè)量

1.4 發(fā)動(dòng)機(jī)端振動(dòng)分析

該發(fā)動(dòng)機(jī)在其他試驗(yàn)室也做過(guò)很多試驗(yàn)，未出現(xiàn)異常振動(dòng)問(wèn)題，因此可以排除由曲軸扭振或旋轉(zhuǎn)件動(dòng)不平衡造成的異常振動(dòng)。該發(fā)動(dòng)機(jī)主要做穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)，穩(wěn)態(tài)工況出現(xiàn)異常振動(dòng)，同樣可以排除是標(biāo)定map不平滑和各缸均勻性差造成的異常振動(dòng)。但是，該發(fā)動(dòng)機(jī)最大爆發(fā)壓強(qiáng)為 25 MPa，升功率達(dá)到了33.5 kW·L-1。較大的爆發(fā)壓強(qiáng)在軸系中容易產(chǎn)生扭振，因此需要減振效果很好的連接軸和減振塊。

1.5 臺(tái)架基礎(chǔ)振動(dòng)分析

臺(tái)架鐵地板圖紙，如圖7所示。長(zhǎng)度為4.9 m，寬度為1.9 m， 高度為0.32 m。按照?qǐng)D紙尺寸計(jì)算鐵地板質(zhì)量，約為8 t。對(duì)于接近1.5 t的重型發(fā)動(dòng)機(jī)，鐵地板的質(zhì)量只有其5倍，再加上接近2 t的測(cè)功機(jī)，鐵地板的質(zhì)量小于兩者質(zhì)量之和的3倍。顯然，臺(tái)架的鐵地板質(zhì)量偏輕，無(wú)法很好地衰減發(fā)動(dòng)機(jī)和測(cè)功機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)用振動(dòng)儀測(cè)量發(fā)現(xiàn)，鐵地板垂直方向的振動(dòng)很大，沒(méi)有起到很好的減振作用，因此考慮在鐵地板上方增加配重。

圖7 鐵地板圖紙

分析可知，測(cè)功機(jī)不是振動(dòng)的激勵(lì)源。發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)工質(zhì)膨脹做功，呈周期性進(jìn)行。曲柄連桿結(jié)構(gòu)受周期性的載荷沖擊[5]，氣缸受到氣體的高頻振動(dòng)，機(jī)體上的零部件也隨之振動(dòng)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)才是主要的激勵(lì)源。發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)沿著連接軸傳遞給測(cè)功機(jī)，測(cè)功機(jī)再傳遞給鐵地板，同時(shí)振動(dòng)通過(guò)減振塊傳遞給臺(tái)架小車(chē)和鐵地板。雖然聯(lián)軸器和減振塊的作用是減振，但是兩者的減振效果不佳。鐵地板是整個(gè)臺(tái)架系統(tǒng)減振的最后一步，若鐵地板減振效果不好，振動(dòng)會(huì)繼續(xù)傳遞給鐵地板下方的彈簧，最后傳遞給混凝土基礎(chǔ)。

2 異常振動(dòng)改善

深入分析臺(tái)架系統(tǒng)的振動(dòng)后發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生異常振動(dòng)的原因是聯(lián)軸器和減振塊的減振效果不佳和鐵地板質(zhì)量偏輕。不同原因需提供不同的解決方案。因此，通過(guò)更換減振塊、調(diào)換聯(lián)軸器安裝位置、增加鐵地板配重、更換空氣彈簧以及更換連接軸等方案逐步改善異常振動(dòng)的情況。

2.1 更換減振塊

經(jīng)過(guò)臺(tái)架供應(yīng)商的推薦，得到了減振性能更優(yōu)異的減振塊，以此替換原來(lái)的減振塊。新減振塊的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖8所示。相比原來(lái)的減振塊，發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速區(qū)減振效果更好，高轉(zhuǎn)速變化不大，且最大振動(dòng)的轉(zhuǎn)速在轉(zhuǎn)移，實(shí)測(cè)扭矩與目標(biāo)扭矩的百分比有所增加。該減振塊性能更優(yōu)異，但只更換減振塊振動(dòng)改善不明顯。

圖8 更換減振塊的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

2.2 鐵地板上增加配重

在調(diào)查異常振動(dòng)原因時(shí)，已經(jīng)判斷該臺(tái)架配備的鐵地板質(zhì)量偏小。給鐵地板增加2 t配重（受空間限制），驗(yàn)證鐵地板質(zhì)量是否偏小，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。測(cè)試結(jié)果顯示，在鐵地板上增加配重，效果非常明顯。轉(zhuǎn)速為1 700 r·min-1和1 800 r·min-1的實(shí)測(cè)扭矩能達(dá)到目標(biāo)扭矩的85%，其余轉(zhuǎn)速的實(shí)測(cè)扭矩均達(dá)到了目標(biāo)扭矩，表明鐵地板質(zhì)量偏小，可見(jiàn)鐵地板未能很好地衰減發(fā)動(dòng)機(jī)和測(cè)功機(jī)傳遞的振動(dòng)，減振效果不理想。

圖9 鐵地板上增加配重振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

2.3 更換空氣彈簧

由于鐵地板安裝只能在試驗(yàn)室基建時(shí)進(jìn)行，二次更換鐵地板的可行性小。在鐵地板偏輕的情況下，只能采取一些補(bǔ)救措施，將鐵地板下方原有的6個(gè)空氣彈簧更換為4個(gè)液壓吸振彈簧，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)扭矩均能達(dá)到目標(biāo)扭矩，只有轉(zhuǎn)速為1 700 r·min-1的振動(dòng)值超過(guò)8 mm·s-1，其余轉(zhuǎn)速振動(dòng)均小于8 mm·s-1，振動(dòng)曲線整體大幅下降?？梢?jiàn)，這種方案的減振效果非常理想。

圖10 更換空氣彈簧振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

2.4 更換連接軸

解決異常振動(dòng)的過(guò)程中，多次與發(fā)動(dòng)機(jī)廠家工程師溝通得知，試驗(yàn)室采用的是REICH的TOK 320.3連接軸。借用該軸進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果如圖11所示。該軸的低轉(zhuǎn)速振動(dòng)特性很好，1 500 r·min-1以下振動(dòng)均小于4 mm·s-1，但是1 700 r·min-1時(shí)的振動(dòng)依然最大，但低于9 mm·s-1。相比以上方案，異常振動(dòng)又有了改善。從所有測(cè)試結(jié)果分析可知，2套連接軸在1 700 r·min-1時(shí)的振動(dòng)同樣很大，與該發(fā)動(dòng)機(jī)匹配度差，但異常振動(dòng)得到了很好的改善，在可接受范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以開(kāi)展試驗(yàn)。

圖11 更換連接軸振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

基于重型發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)異常振動(dòng)問(wèn)題，以解決實(shí)際問(wèn)題為導(dǎo)向，采用異常振動(dòng)故障樹(shù)法，分析臺(tái)架系統(tǒng)各部分振動(dòng)，找到了異常振動(dòng)的原因，根據(jù)原因提供不同的解決方案，最終改善該臺(tái)架的異常振動(dòng)，使得該發(fā)動(dòng)機(jī)能夠按照計(jì)劃開(kāi)展試驗(yàn)。

分析解決異常振動(dòng)的過(guò)程，總結(jié)如下。

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)振動(dòng)模型較為復(fù)雜，應(yīng)采用異常振動(dòng)故障樹(shù)等方法逐個(gè)單元分析，最終找到原因，并根據(jù)原因提供相應(yīng)的解決方案。

（2）出現(xiàn)異常振動(dòng)時(shí)，應(yīng)首先考慮連接軸的共振，并校核連接軸與臺(tái)架匹配的理論計(jì)算。

（3）減振塊和連接軸的減振性能對(duì)臺(tái)架系統(tǒng)振動(dòng)影響很大。本文中采用的2套連接軸減振性能都不理想，若想大幅降低振動(dòng)，需更換性能更優(yōu)異的連接軸。

（4）要合理設(shè)計(jì)重型發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的鐵地板，其質(zhì)量直接影響整個(gè)臺(tái)架系統(tǒng)的振動(dòng)衰減。鐵地板質(zhì)量偏輕的情況下，采用液壓吸振彈簧能很好地改善振動(dòng)。