柴油机活塞敲击振动影响因素研究

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振动诊断技术是通过检测设备的振动参数及其特征来分析设备的状态和故障的方法。由于振动的广泛性、参数多维性 、测振方法的无损性、在线性 ，决定了人们将机械设备振动监测诊断作为机械设备故障诊断的首选方法I”。目前基于振动的故障诊断大多集中于特征提取方法和模式识别方法的研究。例如人工神经网络 、粗糙集以及支持向量机等等。

同时，振动分析法逐渐向多方法融合发展。中北大学的潘红侠教授利用小波分析、希尔伯特-黄以及神经网络等-系列方法进行了基于机体振动信号的柴油机故障诊断 。文献H利用基于区间的小波包特征提取方法获鹊噪后缸盖振动信号特征，最后用RBF神经网络对连杆铜套磨损状况进行定量识别。文献锵 经验模式分解、自回归模型以及支持向量机相结合对柴油机失火故障进行了诊断。

这类研究忽略了柴油机结构的复杂性，试图通过纯粹的数学方法建立表面振动特征参量与内部零部件故障之间的对应关系，理论支撑较为薄弱，诊断模型的适应性不强▲行柴油机活塞敲击振动影响因素研究，不仅可以揭示表面振动信号在柴油机结构中的产生和传播机理，而且可以建立不同缸套间隙与振动特的本质联系，减小甚至避免柴油机结构的复杂性给故障诊断带来的困难，提高振动诊断技术的适用性和可靠性。

围绕柴油机倒拖振动信号，建立了活塞动力学模型，通过调整活塞缸套间隙，研究了活塞敲击时刻，活塞敲击动能随间隙的变化规律，为利用振动信号诊断活塞缸套磨损状况提供了理论基矗2活塞动力学模型分析活塞的受力模型，如图 1所示。以活塞销孔中心为坐标原点，活塞轴向向上为 轴正向，活塞径向由副推力面指向主推面方向为Y轴正向，以此分别建立活塞运动平衡方程，如式(1)至式(3)所示。该组平衡方程是分析活塞运动的依据，也是各类动力学仿真软件的理论基矗活塞轴向运动方向：m · ∑ ∑ - - - 。 - ， (J)径向运动方向：来稿日期：2012-07-O6基金项目：武器装备预研基金项目(9140A27020206JB3502)；装备预先研究项目(40402020101)作者简介：李晓磊，(1982-)，男，博士研究生，主要研究方向：军用车辆动力系统状态监测与故障诊断；刘建敏，(1963-)，男，教授，博十，博士生导师，主要研究方向：军用军用车辆动力系统状态精测与故障诊断198 李晓磊等：柴油机活塞敲击振动影响因素研究 第5期m · ∑ ∑ -Ei绕销轴转动方向：###K MM M M M 七Mp式中：， -活塞质量；- 活塞绕销轴的转动惯量；- 重力；气 缸压力；- 活塞环与活塞的接触力；广-主推力面和副推力面接触力；- 活塞销处的力；- 连杆小头处的力；肘 -活塞缸套接触力产生的力矩；M -重力力矩；肘 -活塞销摩擦力产生的力矩。

图 1活塞力学模型Fig.1 Mechanical Modal of Piston3活塞敲击模型的建立(2)(3)图2活塞组模型Fig.2 Modal of Piston活塞对缸套的侧推力是活塞与缸套之间的磨损的根本动力，也是形成敲击的根源。由于活塞与缸套之间存在-定的间隙，当在膨胀冲程上止点(TDC)附近活塞侧推力换向，此时力的变化最为剧烈，造成活塞对气缸套的主敲击。以某 12150型柴油机为研究对象，利用AVL软件建立了活塞动力学模型。该模型包括活塞、活塞环，汽缸套、连杆和活塞销，如图2所示。

3.1工况及缸压为了便于利用振动信号验证模型的准确性，计算时选择倒拖工况。倒拖转速为 150r/rain，同步采集缸内压力，缸斥传感器的安装位置，如图3所示。实测的压缩压力曲线经过截润，如图4所示塞·墨图3缸压测量Fig.3 Measurement of Cylinder Pressure曲轴转角(deg)图4缸内压力曲线Fig.4 Cylinder pressure3.2活塞刚度及型线采用 ANSYS计算活塞的刚度矩阵。编号 1O位置处的应变云图，如图5所示。按照软件刚度矩阵的格式要求，将加载下条件下各位置的形变输入，得到刚度矩阵。

图5编号 10位置处的应变图Fig.5 Strain Figure of Position 10主要研究冷态倒拖下的机体振动，故活塞型线采取冷态型线，如图6所示，其中0。型线与 180。对称，仅列出-个。活塞冷态轮廓图，如图7所示。

4模型的验证4.1倒拖振动信号分析由于实测活塞敲击时刻及能量比较困难，通过机体振动信No.5Mav.2013 机械设计与制造 199号的出现时刻间接验证模型的准确性。实测的右 1缸机体振动信号，如图8所示。对其进行短时傅里叶变换 ，得到时频分布，如图9所示。

昌吕扭筐足暴糊魍l0。方向 'dR(1lm- -j 1- i ， ) ./ 。 ，，- 图6活塞冷态型线Fig.6 Molded Lines of Cold Conditions图7活塞冷态轮廓图Fig.7 Piston Outline Drawing of Cold Conditions. 蚺。

H图 8实测机体振动信号Fig.8 Body Vibration Signal图9振动信号时频分布Fig.9 Time-Frequency Distributionof Vibration Signal表 1 12150柴油机工作时序Tab.1 Operating Sequence of 1 21 50 Diesel其中L段振动出现在上止点后 5CA附近 ，其频率成分比较丰富，且主要为 5kHz以上高频成分。由于压缩压力对缸盖的作用主要为低频响应 ，所以信号中三段高频振动不是压缩压力引起。以右 1缸上止点为 0CA，绘制 12150型柴油机各激励的作用时刻，如表 1所示 ，右 1缸爆发后的2O。CA内，本缸及邻缸均没有其他激励的作用，因此可以断定 L段高频响应来自于本缸的活塞主敲击。

4-2仿真结果对比根据实际测量的装配间隙设置模型参数，对活塞敲击进行了仿真计算，动画模拟的截图，如图 10所示。图中所示为上止点后的主敲击，可以看出该敲击发生在 4.99CA，与振动响应时刻基本-致。因此从敲击时刻来看，模型是基本正确的。主推力而的接触力 ，如图 1 1所示。由于转速较低，活塞所受惯性力的变化较为缓慢，接触力呈现出较长的持续时间。

- ：三1羹：要嚣图 10活塞主敲击动画模拟Fig.10 Cartoon Simulation of Piston Slap二二 j .i. . . 。

- 量 ； i - I 二 ]EI I 要 ：- ： I瞄 珊弧蜘 五 I ” ” [IIt11 1 .-越 .Ilr 中计 1- l舳眺- 9O 180曲轴转角( )图 活塞主推力侧接触力4 3 3 2 2 1 1 0 圈嘲200 机 械设 计 与制 造No.5Mav.20l35活塞敲击机理分析活塞敲击是机体振动信号的激励源之-。在倒拖工况下，该激励源的作用尤其突出，在燃烧上止点附近的高频振动基本上反映了活塞敲击状况；而活塞敲击状况与缸套间隙以及工况有着密切联系。从振动监测与诊断的角度上讲，研究活塞敲击与缸套间隙等因素的内在联系具有重要意义。

5.1活塞运动规律分析活塞的径向位移曲线，如网 12所示。由图 12中不难看出活塞在每个行程的上下止点附近，以及在压缩行程和作功行程中间位置附近时都出现换向。在乐缩行程中部出现换向，是因为随着活塞上行，缸内压力逐渐升高，对活塞绕活塞销的力矩逐渐增大，该力矩与连杆对活塞的力互相影响，造成活塞横向位移的波动，并出现多次活塞换向；同理，在作功行程中，由于缸内压力逐渐降低，对活塞的旋转力矩逐渐减小 ，连杆力的作用逐渐增强，使活塞在中部附近再此换向。

lL 二，180 270 360 450 540 630曲轴转角(deg)图 12活塞径向位移曲线Fig.12 Piston Radial Dispersion52活塞主敲击随装配间隙的变化柴油机的标准活塞装配间隙在(0.45～0.55)mil，大修间隙可达0.65。依据此标准修改活塞与缸套的间隙，分别进行仿真计算，得到活塞敲击时刻随活塞装配间隙的变化情况，如表2所示。

可见随着装配间隙的变大，活塞横向位移增加，在转速不变的情况下，活塞主敲击时刻逐渐后延，由此可以推断机体的振动响应也将后移。同时，由于活塞横向位移的增加，敲击速度增大，导致敲击动能随装配间隙的变大逐渐增大，由此可以推断振动响应的能量也会逐渐增加。

表 2活塞主敲击随装配间隙的变化Tab.2 Piston Slap Variation with Fit-Up Gap5.3活塞主敲击随转速的变化趋势保持装配间隙不变，设置不同的转速进行计算，其敲击时刻和敲击力，如表 3所示。随着转速的增加，敲击时刻逐渐后移，敲击动能逐渐增大。这是由于倒拖工况下，活塞横向敲击主要受活塞惯性力的影响；而惯性力和曲轴转速的平方成正比，随着曲轴转速的增大，竖直方向的惯性力迅速增大，连杆的水平分量随之增大，那么换向时的敲击动能就增大。

表3活塞主敲击随转速的变化趋势Tab.3 Piston Slap Variation withSpeed of Crankshaft6结论通过仿真计算，研究了不同缸套间隙以及不同fh轴转速的活塞运动情况，发现随着缸套间隙的增大，活塞敲击时刮逐渐后移，敲击动能逐渐增加；缸套间隙不变时，随着曲轴转速的升高，活塞敲击时刻及动能也有相同的变化趋势.南此 J以推断，倒拖工况下的机体振动信号的响应时刻及能量也会有类似的变化趋势，这对利用机体振动信号诊断缸套磨损状况具有-定的指导意义。