船用柴油機(jī)振動(dòng)水平評(píng)級(jí)測(cè)試分析

許春曉，徐傳燕，陳美宏，李光勝

山東交通學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357

0 引言

隨著對(duì)船舶舒適度認(rèn)證要求的提高，船用柴油機(jī)的振動(dòng)噪聲控制越來越受到重視[1]。研究表明，較大的振動(dòng)噪聲是引起機(jī)械故障的原因之一。柴油機(jī)在安裝之前需要評(píng)定其振動(dòng)烈度級(jí)，確定柴油機(jī)振動(dòng)符合要求，減小后期某些故障發(fā)生的概率。

文獻(xiàn)[2]通過試驗(yàn)對(duì)比柴油機(jī)安裝二階往復(fù)慣性力平衡機(jī)構(gòu)前、后3個(gè)方向的振動(dòng)特性，證明該平衡機(jī)構(gòu)有一定的減振效果；文獻(xiàn)[3]基于性能和實(shí)踐的需求，比較了不同指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，提出對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)建議；文獻(xiàn)[4]利用ADAMS軟件搭建了4120SG柴油機(jī)的配氣系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，得到柴油機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)，對(duì)比仿真與試驗(yàn)結(jié)果，分析搖臂座處振動(dòng)頻譜，得出柴油機(jī)的0.5諧次振動(dòng)與配氣機(jī)構(gòu)有關(guān)；文獻(xiàn)[5]采用了HHT(Hilbert-Huang transform)方法對(duì)柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)的時(shí)域和頻域響應(yīng)進(jìn)行了分析，研究表明振動(dòng)信號(hào)的頻率分量由局部沖擊的高頻振動(dòng)和有調(diào)頻調(diào)幅的低頻振動(dòng)組成，通過試驗(yàn)證明了振動(dòng)信號(hào)主要集中在高頻區(qū)域；文獻(xiàn)[6]利用快速傅里葉變換與均方根方法，研究得到液化石油氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體的振動(dòng)頻率主要分布在較窄的頻率區(qū)域內(nèi)，相較于相同運(yùn)行條件下柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)水平較低；文獻(xiàn)[7]利用試驗(yàn)分析了不同工況下柴油機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)頻率分量；文獻(xiàn)[8]利用相干分析方法，只保留氣缸燃燒過程中產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)燃燒過程特征點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，測(cè)試調(diào)整后的噴油器噴射參數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，研究了氣缸缸內(nèi)壓力與缸體加速度的關(guān)系；文獻(xiàn)[9]對(duì)柴油機(jī)振動(dòng)的機(jī)理研究，提出了對(duì)柴油機(jī)局部振動(dòng)和噪聲的有效控制方法，減少柴油機(jī)因振動(dòng)引起的故障發(fā)生概率；文獻(xiàn)[10]根據(jù)試驗(yàn)得到汽油發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)加速度信號(hào)，研究振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理，提出了用2向(即y、z方向)總加速度評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)振級(jí)的方法；文獻(xiàn)[11]研究了某裝甲車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不同彈性支撐下、不同工況的振動(dòng)特性，結(jié)果表明機(jī)體振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的增大而增大，為選擇合適的隔振元件提供了依據(jù)。LMS公司在邊界條件分析方面取得了很多成果，采用軟件仿真得出的結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)具有很高的相似性。

本文中以某船用柴油機(jī)為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)在空載穩(wěn)速和推進(jìn)工況時(shí)的缸體振動(dòng)加速度信號(hào)，分析加速度信號(hào)的頻譜和傳遞函數(shù)，確定頻率范圍，得到不同轉(zhuǎn)速下各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)烈度級(jí)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，為進(jìn)一步分析柴油機(jī)的振動(dòng)提供參考。

1 船用柴油機(jī)振動(dòng)評(píng)級(jí)

振動(dòng)烈度是最大值、平均值、均方根或其他描述振動(dòng)參數(shù)的一個(gè)或一組數(shù)據(jù)，涉及多個(gè)瞬態(tài)值或多個(gè)平均值[12]。振動(dòng)烈度等級(jí)應(yīng)該從每臺(tái)機(jī)器主結(jié)構(gòu)上測(cè)點(diǎn)處測(cè)量的位移、速度、加速度的最大總均方根值得到，按照3個(gè)總均方根結(jié)果得到3個(gè)振動(dòng)烈度級(jí)[13]。本測(cè)試試驗(yàn)中選取加速度均方根作為評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，由頻率為2～10 Hz時(shí)得到的穩(wěn)定位移計(jì)算位移總振級(jí)，位移總振級(jí)均方根

(1)

式中：D(t)為振動(dòng)位移隨時(shí)間變化的函數(shù)；T為測(cè)量周期，s。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，由頻率為10～250 Hz時(shí)得到的穩(wěn)定速度計(jì)算速度總振級(jí)，速度總振級(jí)均方根

(2)

式中：v(t)為振動(dòng)速度隨時(shí)間變化的函數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，由頻率為250～1000 Hz時(shí)得到的穩(wěn)定加速度計(jì)算加速度總振級(jí)，加速度總振級(jí)均方根

(3)

式中：a(t)為振動(dòng)加速度隨時(shí)間變化的函數(shù)。

本文中使用加速度傳感器測(cè)量加速度信號(hào)，用加速度均方根對(duì)柴油機(jī)振動(dòng)烈度級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 柴油機(jī)振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備

測(cè)試所需試驗(yàn)儀器設(shè)備如表1所示。

表1 測(cè)試試驗(yàn)儀器

振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)采用數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)SCANDAS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀和LMS Test.lab數(shù)據(jù)采集分析軟件[14]，采集柴油機(jī)表面的振動(dòng)加速度，分析其空載穩(wěn)速及推進(jìn)工況時(shí)的振動(dòng)特性并評(píng)價(jià)其振動(dòng)烈度級(jí)。SCANDAS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀包括40通道振動(dòng)噪聲信號(hào)輸入、2通道轉(zhuǎn)速輸入、2通道信號(hào)輸出，每個(gè)通道最大采樣頻率為204.8 kHz，測(cè)試系統(tǒng)配置振動(dòng)噪聲工作中常用的高溫單向傳感器、振動(dòng)加速度傳感器，能夠滿足絕大部分試驗(yàn)測(cè)試任務(wù)。LMS Test.lab系統(tǒng)提供振動(dòng)噪聲以及相關(guān)信號(hào)的測(cè)試、分析、評(píng)價(jià)等全方位的解決方案[14]。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)該型號(hào)柴油機(jī)測(cè)試需求，在機(jī)體表面布置測(cè)點(diǎn)測(cè)試評(píng)定該機(jī)振動(dòng)烈度級(jí)，具體測(cè)點(diǎn)位置和測(cè)試方向如表2所示(x方向?yàn)闄M向，y方向?yàn)檩S向，z方向?yàn)榇瓜?，各測(cè)點(diǎn)的具體布置位置如圖1所示。

表2 空載穩(wěn)速工況測(cè)點(diǎn)位置和方向

圖1 缸體空載穩(wěn)速工況測(cè)點(diǎn)

2.3 測(cè)試工況

本次試驗(yàn)測(cè)試的工況為空載穩(wěn)速，柴油機(jī)的測(cè)試轉(zhuǎn)速為400～1000 r/min，每間隔50 r/min遞增，根據(jù)企業(yè)提供資料，800～850 r/min為重點(diǎn)關(guān)注轉(zhuǎn)速，每間隔10 r/min遞增。轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后采集各測(cè)試位置的振動(dòng)加速度，每個(gè)穩(wěn)速工況下測(cè)試2組數(shù)據(jù)。為滿足其他研究要求，設(shè)置數(shù)據(jù)測(cè)試帶寬為0～6400 Hz，設(shè)置頻率分辨率為0.25 Hz。通常采用振動(dòng)加速度均方根評(píng)定振動(dòng)烈度級(jí)，根據(jù)文獻(xiàn)[13]要求，其分析頻率范圍為250～1000 Hz。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)處理與分析

按照文獻(xiàn)[13]規(guī)定的空載穩(wěn)速工況及測(cè)點(diǎn)(1#～6#測(cè)點(diǎn))要求進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)250～1000 Hz的振動(dòng)加速度，各測(cè)點(diǎn)在x、y、z方向的振動(dòng)加速度如圖2所示，x、y、z不同方向各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度對(duì)比如圖3所示。

圖2 空載穩(wěn)速工況各測(cè)點(diǎn)在x、y、z方向的振動(dòng)加速度

圖3 空載穩(wěn)速工況x、y、z方向各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度

由圖2可知：x向(即橫向)加速度幅值最大，y向(即軸向)幅值最小，z向(即垂向)幅值接近x向，總體呈現(xiàn)總加速度隨轉(zhuǎn)速升高而增大的趨勢(shì)。由圖3可知：5#、6#測(cè)點(diǎn)在各個(gè)方向的振動(dòng)加速度基本一致，2#測(cè)點(diǎn)x、y方向的幅值變化趨勢(shì)基本一致，但幅值不同；3#、5#、6#測(cè)點(diǎn)在轉(zhuǎn)速為700 r/min后基本穩(wěn)定，結(jié)合圖2、3分析，3#、5#、6#測(cè)點(diǎn)的z向加速度幅值最大，與其他測(cè)點(diǎn)相比，該位置處2#測(cè)點(diǎn)的幅值小于其他位置測(cè)點(diǎn)，原因可能是該測(cè)點(diǎn)距離燃燒室較遠(yuǎn)。

3.1 空載穩(wěn)速振動(dòng)烈度評(píng)級(jí)

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，所有測(cè)點(diǎn)處的最大振動(dòng)烈度級(jí)為該機(jī)器振動(dòng)烈度級(jí)。由測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果和參考文獻(xiàn)[13]振動(dòng)烈度級(jí)，空載、穩(wěn)速工況各測(cè)點(diǎn)的最大振動(dòng)加速度及振動(dòng)烈度評(píng)級(jí)如表3所示。

表3 空載穩(wěn)速工況下各測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)加速度及振動(dòng)烈度評(píng)級(jí)

由表3可知：空載穩(wěn)速工況時(shí)各轉(zhuǎn)速最大振動(dòng)加速度均為+x方向，轉(zhuǎn)速為700 r/min時(shí)缸體左前中測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)加速度為13.87 m/s2，振動(dòng)烈度級(jí)為11.0級(jí)；振動(dòng)加速度基本隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，各轉(zhuǎn)速下最大加速度大部分出現(xiàn)在2#測(cè)點(diǎn)，今后應(yīng)進(jìn)一步探究該測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)加速度大的原因。

3.2 推進(jìn)工況振動(dòng)烈度評(píng)級(jí)

由于空載穩(wěn)速工況下不足以得出有效的結(jié)論，因此在2#測(cè)點(diǎn)進(jìn)行缸體推進(jìn)試驗(yàn)，推進(jìn)工況及振動(dòng)評(píng)級(jí)如表4所示。由表4可知：柴油機(jī)在推進(jìn)工況下振動(dòng)加速度隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增大而增大，最高速且滿載(1000 r/min、100%負(fù)載)時(shí)振動(dòng)加速度最大，為14.967 m/s2，振動(dòng)烈度級(jí)為11.0級(jí)。

表4 推進(jìn)工況測(cè)試參數(shù)及振動(dòng)烈度評(píng)級(jí)

空載、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為700 r/min時(shí)，缸體2#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)頻譜和缸體傳遞函數(shù)如圖4、5所示。

a)頻率為0～3000 Hz b)頻率為0～1000 Hz

由圖4可知：頻率在1700 Hz附近的中頻振動(dòng)有較大的能量分布，但在250～1000 Hz內(nèi)，最大振動(dòng)加速度的頻率約為820.32 Hz，對(duì)應(yīng)該柴油機(jī)70倍頻處；在低頻區(qū)域，各頻率振幅變化不大，即在空載、轉(zhuǎn)速為700 r/min時(shí)，激起中頻振動(dòng)，使這個(gè)頻段內(nèi)的振動(dòng)加速度明顯增大。

由圖5可知：振動(dòng)頻率為679～934 Hz時(shí)缸體存在寬頻固有頻率，空載、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為700 r/min時(shí)，柴油機(jī)異常振動(dòng)激起了某些部件此頻段的固有頻率振動(dòng)，引起較小的缸體共振，對(duì)應(yīng)振動(dòng)加速度增大。

a)頻率為0～3000 Hz b)頻率為0～1000 Hz

4 結(jié)論

1)從穩(wěn)速工況的振動(dòng)烈度測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，x向(即橫向)幅值最大，y向(即軸向)幅值最小，z向(即垂向)幅值接近x向。

2)根據(jù)傳遞函數(shù)可知，缸體在679～934 Hz存在寬頻固有頻率，空載發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為700 r/min時(shí)激起較小的缸體共振，對(duì)應(yīng)振動(dòng)總值增大，振動(dòng)烈度級(jí)為11級(jí)。

3)總振動(dòng)加速度基本隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，缸體共振在特定轉(zhuǎn)速下必然存在，只要振動(dòng)不超標(biāo)即可。該測(cè)試研究對(duì)改進(jìn)柴油機(jī)振動(dòng)具有一定的參考意義。