柴油機(jī)曲軸前后端相對(duì)扭振的測(cè)試方法

曹精明 崔賓 時(shí)勝文 徐子春

摘要：為準(zhǔn)確分析曲軸扭振數(shù)據(jù)，提高柴油機(jī)曲軸可靠性，以某直列六缸柴油機(jī)曲軸為研究對(duì)象，建立軸系質(zhì)量剛度當(dāng)量模型，搭建柴油機(jī)扭振測(cè)試系統(tǒng)，采集曲軸前端和飛輪端的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，分析不同轉(zhuǎn)速下各主要階次扭振與相對(duì)扭振的關(guān)系。研究結(jié)果表明：曲軸前端3.0階扭振曲線與相對(duì)扭振曲線相差較大，單點(diǎn)扭振無(wú)法精確反映曲軸扭振；曲軸的相對(duì)扭振可有效消除滾振及外接軸系對(duì)扭振的影響，測(cè)試曲軸的相對(duì)扭振對(duì)準(zhǔn)確分析曲軸扭轉(zhuǎn)程度至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞：相對(duì)扭振;曲軸;轉(zhuǎn)速脈沖

中圖分類號(hào)： TK423.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2023）01-0037-04

引用格式：曹精明，崔賓，時(shí)勝文，等. 柴油機(jī)曲軸前后端相對(duì)扭振的測(cè)試方法［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2023，40（1）：37-40.

CAO Jingming，CUI Bin，SHI Shengwen，et al. Test method of relative torsion vibration from front end to rear end of crankshaft［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（1）：37-40.

0引言

柴油機(jī)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和出色的動(dòng)力性，廣泛應(yīng)用在卡車、工程機(jī)械、船舶、發(fā)電設(shè)備等眾多領(lǐng)域。隨著柴油機(jī)性能的提升，特別是應(yīng)用于混合動(dòng)力裝置時(shí)，在柴油機(jī)氣體力、慣性力以及電機(jī)電磁力的周期性變化作用下，曲軸扭振也越來(lái)越復(fù)雜，導(dǎo)致一系列的可靠性與噪聲問(wèn)題[1-3]。

柴油機(jī)扭振測(cè)試通常只采集曲軸前端一個(gè)測(cè)點(diǎn)的扭振，單點(diǎn)扭振包含了滾振或者傳動(dòng)軸系其它節(jié)點(diǎn)的共振，因此無(wú)法得到曲軸本身扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。曲軸可靠性問(wèn)題又與前端及飛輪端的相對(duì)扭振相關(guān) [4-5]，為獲取準(zhǔn)確的曲軸扭振數(shù)據(jù)，有必要對(duì)曲軸相對(duì)扭振進(jìn)行測(cè)試及分析。本文中以某直列六缸柴油機(jī)曲軸為研究對(duì)象，建立軸系質(zhì)量剛度當(dāng)量模型，搭建扭振測(cè)試系統(tǒng)，采集曲軸前端和飛輪端的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，分析不同轉(zhuǎn)速下各主要階次扭振與相對(duì)扭振的關(guān)系，以獲得準(zhǔn)確的曲軸扭振數(shù)據(jù)，提高柴油機(jī)曲軸可靠性。

1柴油機(jī)扭振測(cè)試

1.1柴油機(jī)簡(jiǎn)化扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)

直列六缸柴油機(jī)的軸系三維模型如圖1所示，將柴油機(jī)前端輪系、減振器、曲拐、活塞連桿、飛輪等質(zhì)量進(jìn)行等效，并結(jié)合各質(zhì)量點(diǎn)連接剛度轉(zhuǎn)化為軸系質(zhì)量剛度當(dāng)量系統(tǒng)[6-7]，如圖2所示，圖中I1為曲軸前端法蘭，I2～I(xiàn)7為氣缸，I8為飛輪，eij為相鄰質(zhì)量點(diǎn)間的軸段。

曲軸上任一點(diǎn)的扭振，包括曲軸本身扭轉(zhuǎn)和滾振，外接軸系的扭振均影響曲軸上各點(diǎn)的扭振。

1.2扭振測(cè)試系統(tǒng)

在試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)安裝減振器的某型號(hào)柴油機(jī)進(jìn)行測(cè)試。曲軸相對(duì)扭振測(cè)試需要采用西門子數(shù)采前端Testlab同時(shí)采集前端和飛輪端轉(zhuǎn)速信號(hào)。前端轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)安裝的齒盤工裝采集，飛輪端轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)讀取ECU轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速信號(hào)獲取。滿油門工況下，柴油機(jī)從最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速緩加速至額定轉(zhuǎn)速，記錄該過(guò)程的轉(zhuǎn)速。

2扭振信號(hào)分析原理

2.1單點(diǎn)扭振信號(hào)處理

信號(hào)盤的齒數(shù)（或者孔數(shù)）是等間隔的，采集的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)為方波信號(hào)。根據(jù)方波的上升沿或下降沿，可以得到一個(gè)脈沖寬度的時(shí)間序列。如果存在扭振，脈沖寬度會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)讀取脈沖之間的寬度，即可得到扭轉(zhuǎn)角波動(dòng)數(shù)據(jù)[8-10]。

根據(jù)采集到的轉(zhuǎn)速方波信號(hào)計(jì)算扭轉(zhuǎn)角波動(dòng)序列為：

θn=∫tn0（ω-ωc）dt=360tc（tn-ntcN） ，（1）

式中：n為信號(hào)盤旋轉(zhuǎn)過(guò)的齒數(shù)；ω為瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，rad/s；ωc為平均轉(zhuǎn)速，rad/s；tc為旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間，s；tn為旋轉(zhuǎn)n個(gè)齒所用的時(shí)間，s；N為信號(hào)盤齒數(shù)。

對(duì)θn進(jìn)行傅里葉分解即可得到各階扭振。

2.2相對(duì)扭振信號(hào)處理

圖3曲軸前端和飛輪端轉(zhuǎn)速信號(hào)曲軸前端轉(zhuǎn)速信號(hào)脈沖為方波形狀，飛輪端轉(zhuǎn)速信號(hào)脈沖為不規(guī)則形狀，如圖3所示。飛輪端信號(hào)盤為60齒，前端信號(hào)盤為120齒。為了在計(jì)算時(shí)能夠與飛輪端信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，采用2個(gè)齒計(jì)算一個(gè)脈沖，將前端信號(hào)盤設(shè)置為60齒。

設(shè)ω1為前端信號(hào)盤的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，則曲軸前端轉(zhuǎn)速波動(dòng)Δ（ω1）=ω1-ωc；設(shè)ω2為飛輪端信號(hào)盤的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，則飛輪端轉(zhuǎn)速波動(dòng)Δ（ω2）=ω2-ωc；前后端相對(duì)轉(zhuǎn)速波動(dòng)為Δ（ω）=ω2-ω1，相對(duì)扭轉(zhuǎn)角波動(dòng)序列為：

θr=∫tn0（ω2-ω1）dt=360tc（tn2-tn1），（2）

式中：tn1為前端信號(hào)盤旋轉(zhuǎn)n個(gè)齒所用時(shí)間，tn2為飛輪端信號(hào)盤旋轉(zhuǎn)n個(gè)齒所用時(shí)間。

式（2）是以一個(gè)信號(hào)盤為基準(zhǔn)，直接計(jì)算二者的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角度，可避免引入其它計(jì)算造成的誤差。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

直列六缸柴油機(jī)曲軸扭振的主要階次為3.0、4.5、6.0、7.5、9.0階。根據(jù)4.5、6.0、7.5、9.0階等主階次的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算得到曲軸扭轉(zhuǎn)頻率為135 Hz。將采集到的曲軸前端、飛輪端轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)導(dǎo)入MATLAB，利用式（1）計(jì)算曲軸前端、飛輪端各個(gè)轉(zhuǎn)速下主要階次的扭振幅值。曲軸前端、飛輪端扭振曲線如圖4所示。

由圖4a）可知：在轉(zhuǎn)速為1160 r/min時(shí)，曲軸前端3.0階扭振曲線有一個(gè)波峰，計(jì)算其對(duì)應(yīng)頻率為58 Hz，頻率較低，小于該節(jié)點(diǎn)在曲軸上的通常扭轉(zhuǎn)頻率，原因?yàn)槭芡饨虞S系的影響。

由圖4b）可知：飛輪端4.5、6.0、7.5、9.0階扭振曲線無(wú)明顯波峰，相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的扭振幅值也較小，這是由于飛輪慣量遠(yuǎn)大于前端慣量，因此飛輪端扭振幅值遠(yuǎn)小于前端。

由圖4還可知：1）曲軸前端和飛輪端的3.0階扭振曲線在轉(zhuǎn)速為1160 r/min時(shí)均存在一個(gè)波峰；2）飛輪端的3.0階扭振幅值比前端大，表明3.0階滾振較大，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，這是由于前端有相對(duì)扭振成分，抵消了一部分滾振，因此扭振幅值較小。圖5曲軸相對(duì)扭振曲線

通過(guò)式（2）計(jì)算曲軸前端和飛輪端的相對(duì)扭振，計(jì)算結(jié)果不包含滾振，且消除外接軸系扭振的影響。曲軸相對(duì)扭振曲線如圖5所示。

對(duì)比圖5與圖4a）可知：1）4.5、6.0、7.5、9.0階扭振曲線幅值與相對(duì)扭振幅值相近；2）3.0階扭振差別較大，3.0階相對(duì)扭振曲線比較平緩，且轉(zhuǎn)速為1160 r/min時(shí)無(wú)波峰；3）圖5中，各轉(zhuǎn)速下的3.0階相對(duì)扭振幅值都較大，且是各階次中最大的，這無(wú)法單獨(dú)從前端測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)（圖4a）獲得。

曲軸前端3.0階扭振曲線與3.0階相對(duì)扭振曲線相差太大，無(wú)法準(zhǔn)確反映曲軸的扭轉(zhuǎn)狀態(tài)。

圖6前端和飛輪端3.0階扭振對(duì)比曲線忽略幅值較小的7.5、9.0階扭振，對(duì)比分析曲軸前端、飛輪端和相對(duì)扭振的3.0、4.5、6.0階扭振，結(jié)果如圖6～8所示。

由圖6可知，曲軸前端和飛輪端的3階扭振與3階相對(duì)扭振曲線無(wú)明顯規(guī)律性關(guān)系。

由圖7、8可知：4.5、6.0階扭振幅值較大；前端與飛輪端幅值之和大于相對(duì)扭振幅值，這表明前端的扭振數(shù)據(jù)包含了滾振等其它成分。

綜上，曲軸的相對(duì)扭振可有效消除滾振及外接軸系扭振的影響，測(cè)試曲軸的相對(duì)扭振對(duì)準(zhǔn)確分析曲軸扭轉(zhuǎn)程度至關(guān)重要。

圖74.5階扭振對(duì)比曲線圖86.0階扭振對(duì)比曲線

4結(jié)論

以某直列六缸柴油機(jī)曲軸為研究對(duì)象，采集前端和飛輪端的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，以其中一個(gè)信號(hào)作為基準(zhǔn)，計(jì)算兩者的扭轉(zhuǎn)角度，得到曲軸的相對(duì)扭振幅值，分析不同轉(zhuǎn)速下各主要階次扭振與相對(duì)扭振的關(guān)系：1）曲軸的相對(duì)扭振可有效消除滾振及外接軸系扭振的影響；2）前端單點(diǎn)扭振測(cè)試結(jié)果表明，4.5、6.0階曲線在臨界轉(zhuǎn)速下的幅值接近但小于相對(duì)扭振的幅值；3）在滾振、外接軸系扭振影響下，曲軸前端3階扭振幅值與3階相對(duì)扭振幅值差異較大，無(wú)法準(zhǔn)確反映曲軸的扭轉(zhuǎn)狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫黎明，朱敬安，陳洪濤. 曲軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)非道路柴油機(jī)NVH特性的影響研究[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車， 2016， 43（1）：42-48.

[2]DERESZEWSKI M， SIKORA G. Diagnostics of the internal combustion engines operation by measurement of crankshaft instantaneous angular speed[J].Journal of KONBiN， 2019， 49（4）：281-295.

[3]李亞南，郝志勇，鄭旭. 扭振對(duì)軸承受力及整機(jī)噪聲影響的研究[J].機(jī)電工程， 2017，34（5）：443-449.

[4]黃森，王淼，劉金榕.某型汽車動(dòng)力傳動(dòng)系扭振分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（20）：34-36.

[5]楊國(guó)秀，李文躍.裝載機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)扭振分析[J].建筑機(jī)械， 2019（8）：54-58.

[6]鄭昊天，董飛瑩，顧俊杰，等.某型柴油機(jī)曲軸系的扭振性能分析[J].內(nèi)燃機(jī)，2019（5）：33-37.

[7]姚熊亮，孫士麗，陳玉.高頻動(dòng)載軸承內(nèi)油膜壓力特性[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010， 46（17）：93-99.

[8]王東亮，尹新權(quán)，杜遙.柴油機(jī)曲軸扭振信號(hào)分析研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)， 2018（21）：86-88.

[9]徐可鵬.基于Matlab的內(nèi)燃機(jī)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)程序開發(fā)[D].大連：大連理工大學(xué)， 2019.

[10]張振京，宋業(yè)棟，王洋，等.柴油機(jī)曲軸減振器失效實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置， 2019， 36（6）：55-58.