发动机活塞敲击故障仿真与诊断分析

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内燃机的活塞和缸套之间存在-定间隙，导致活塞换向时产生二阶运动1]，使得活塞敲击缸套，从而影响发动机机体振动噪声水平。若活塞-缸套配合间隙在正常范围内，活塞敲击力不会太大，但随着使用时间增加或维护不当，难免产生机械磨损，使活塞-缸套配合间隙过大，产生较大的活塞敲击力，导致较严重的活塞敲击故障，使发动机机体振动噪声异常。-些研究人员通过机体振动或噪声信号对发动机活塞敲击故障进行了分析2 ]，通常只根据正常状态和间隙过大故障状态的频谱差异来判断活塞敲击故障，但没有从根本上分析差异产生的原因。

通过 AVL Excite仿真分析平台建立发动机多体动力学虚拟样机模型，以此进行故障模拟分析，这样-些研究成果 已见诸报道l6 ]。本研究通过设置相关参数，模拟活塞敲击故障，获得不同状态下的活塞敲击力变化情况 。由于活塞对缸套的敲击激励力对机体振动有显著影响，结合敲击力在机体的传递特性仿真结果，从深层次分析活塞敲击故障引起的异常振动规律，为基于机体表面振动信号的活塞敲击故障诊断提供更多有效信息。利用小波包分解方法，构造各频带总能量比作为诊断参数，对活塞敲击故障进行有效诊断。

1 虚拟样机设计与分析虚拟样机模型的建模质量对仿真分析结果可靠性尤其重要。发动机建模时直接采用 AVL提供的曲轴和动力总成实体有限元模型，并通过动静缩减降低有限元求解规模；再通过 Excite Power Unit(PU)平台，把曲轴、动力总成等线弹性体模型和活塞连杆组简化体通过非线性耦合单元连接构成发动机刚柔耦合的多体动力学虚拟样机模型，设置动力总成悬置参数。活塞敲击激励和配气机构激励由专门的 Excite系列配套软件 Piston& Rings(PR)和Timing Drive(TD)建模仿真计算获得，再作为外部载荷载人 PU建立的发动机动力总成模型进行动力学分析计算，计算结果可映射到柔体部件有限元模型的单元及节点上 。

1.1 发动机动力总成模型动力总成模型见图 1[g]，包括总成和曲轴有限元模型，其中总成包含缸体、缸盖、气门座、凸轮轴盖座、进排气总管、油底壳、3个悬置支架和变速器壳体等；对发动机外围附件，如发电机、起动机、空调压缩机和动力转向泵等，视为质量点，通过梁单元或刚性体单元 RBE2与发动机机体进行连接；曲轴有限元模型除曲轴本身外，还包括前部皮带轮和飞轮。

将缩减后的有限元模型导人 PU，并将各体通过内部非线性弹簧-阻尼器 、轴承 、活塞缸套导向等非线性连接单元连接起来构建耦合关系，并且设置相关参数 。

收稿 日期：2013-01-05；修回日期：2013-04-12基金项目：国家自然科学基金(51005078)；广东技术师范学院重点学科建设与科研创新团队建设项目(A06)作者简介：杜灿谊(198o-)，男，博士，主要研究方向为汽车检测、振动信号处理与故障诊断技术；micandu###163.corfl。

2O13年 4月 杜灿谊，等 ：发动机活塞敲击故障仿真与诊断分析个转速工况下的活塞敲击力。

图5示出发动机转速 2 000 r/min时的主、副推力面活塞敲击力 。5个节点位置 的主推力 面敲击力在相 同时刻有所差异 ，节点 2位置在上止点后-点的时刻，即气体爆发的做功行程开始时刻出现敲击力最大值，其他时刻节点 2位置的敲击力不大；而其他节点位置的敲击力相比节点 2所受最大敲击力而言都显得很校在副推力面上，总体上活塞敲击力不算大，节点 2、节点4和节点 5位置出现的敲击力最大值相差较小，都出现在活塞每次换向时的瞬间，所以，对于副推力面的活塞敲击力，-个工作循环内，出现 4个较为均匀的较大敲击力值。对其他转速工况作分析，得到同样规律，并且随转速升高，活塞敲击力增大。活塞敲击力最大值出现在主推力面上，比副推力面上的敲击力大很多，所以，对发动机整机振动噪声而言，关心的是主推力面上的敲击力。

三二：--43” ， I节点1- 节点2- ～ 节点3 ” 节点4- 节点5曲轴转角 /(o)a主推力面的活塞敲击力曲轴转角/(。)b 主推力面活塞敲击力局部放大图曲轴转角/(o)c副推力面活塞敲击力图 5 发动机转速 2 000 r/rain时 活塞 敲击 力各转速和配合间隙下主推力面上的最大活塞敲击力见图 6∩以看出：相同转速下，活塞敲击力最大值随配合间隙变大而变大；相同配合间隙下，活塞敲击力最大值随转速增大总体上有上升趋势 ，只有三1Ⅲ瞄1 000 l 500 2000 2 500 3 000 3 500 4O00发动机转速/r·rain间隙0.02 mm间隙O.04mill间隙0.06 mm间隙0.08 mm间隙O.10 mm在中高转速的大配合间隙下的最大敲击力有所降低。另外，在仿真计算时，对结果保存时要设置小步长，这样才能提高分辨率，获得更准确的活塞敲击力极值。

综上分析，活塞-缸套磨损造成配合间隙过大时，往往导致活塞敲击故障，原因在于过大的间隙能产生很大的活塞敲击力，活塞敲击力作用于缸套，使发动机整机振动噪声水平都大为增加。

3 活塞敲击故障的机体振动分析活塞敲击力作用于缸套，再通过缸体传递到表面，使机体表面的振动信号发生相应变化，不同的活塞敲击力会引起不同的机体表面振动。由于活塞敲击力的大型变化很难测量，因此通过表面振动信号变化来反映活塞敲击力变化，再进-步确定敲击故障情况，这样，对活塞敲击故障分析和诊断更加有效。由于活塞敲击力直接径向作用于缸套、缸体位置并垂直于曲轴轴向方向(即模型 y向或横向)的振动加速度响应信号会更加敏感和直接，可更好地反映活塞敲击力的变化，因此，主要利用缸体位置横向振动加速度信号进行分析，提取分析点位于各缸缸体中间位置。

3.1 有无活塞敲击激励的振动信号对 比分析活塞敲击力给机体带来何种振动影响，可通过模型仿真结果进行分析。图7和图 8分别示出不带活塞敲击激励和正常状态时分析点振动加速度时域信号及其频谱。从图可知，不带活塞敲击激励的振动加速度时域信号波动相对比较平稳，没有明显冲击，其频谱振动能量主要集中在低频段，最大幅值对应发动机的2，4，6倍频等频率成分处；中高频处，幅值很小，几乎看不到。对于正常状态下的振动加速度信号，由于考虑了活塞敲击激励，其时域信号(见图8a)存在明显的冲击，每-个工作循环有 4个，对应各缸活塞敲击力冲击，其频谱在 2 500 Hz以上中高频段有相当的能量增长，低频段与不带活塞敲击激励时相同，也就是说，活塞敲击力主要激起缸体表面振动的中高频成分，对低频振动影响较校z 1昌- 是 -1时问/i'lsa时域信号频率 /Hzb 频谱图 6 不同转速和配合间隙下主推力面最大活塞敲击力变化 图 7 无活塞敲击激励时振动加速度时域信号及其频谱车 用 发 动 机 2013年第 2期时间，msa时域信号1k 1吕理频率/Hzb频谱图 8 正常状态时振动加速度时域信号及其频谱3.2 传递函数分析从激励力的仿真结果和频谱分析可知，活塞～缸套间隙大导致活塞敲击力显著增大，激起缸体位置响应的高频振动，为深入解释故障状态振动信号频谱的变化特征，利用传递函数的方法来分析系统的振动传递特性，传递函数反映系统对输入的响应特征，是系统的固有特性。在总成模型中，分别在 1至 4缸缸套主推力侧最大活塞敲击力位置进行径向激振力输入 ，类似活塞敲击力输入 ，2缸缸体侧面测点横向振动加速度作为输出，求取传递函数。活塞敲击力对缸体横向振动加速度的传递函数见图 9。

Zg、 趔罂图 9 活塞敲击力对缸体横向振动加速度的传递函数从4个输入点传递函数来看，小于 2 500 Hz的传递函数数值ql4，，自2 500 Hz以后传递函数数值开始增大，直到 5 000 Hz的范围内其数值都较大，表明各缸活塞敲击力在此频段有较大传递作用，对激发此高频频段振动有较大贡献。从各传递函数的平均综合作用来看，活塞敲击力的敲击作用必然引起 2 500 Hz以上的高频振动增强，从根本上分析原因就是活塞敲击力激发起发动机某些部件的此频段固有频率振动，因此活塞敲击故障状态的振动响应也与发动机本身结构有关。

3.3 正常状态与活塞敲击故障的振动信号对比分析从前文分析可知，正常状态下虽有-定的活塞敲击力冲击激励，但总体水平较低，引起的横向振动加速度亦不算大。随着活塞-缸套间隙增大，敲击力冲击增大，故障现象越发明显，导致缸体横向振动冲击显著。图 10和图 11分别示 出配合间隙为0.04 mm和0.08 mm时缸体横向振动时域信号及其频谱。从图可见，随着间隙增大，时域信号增强，频谱表现为中高频振动能量显著增加，并且频段宽广，2 5O0～5 000 Hz都有所增长，而低频段几乎没有变化 。其他转速工况下也有相同的特征和规律 。仿真结果与文献Ez]和[5]通过试验分析得到的结果相类似，表明仿真是可信的。

1吕、 - 暑 -1时间/msa时域信号频率/Hzb频谱图 lO 配合间隙 0.04 mm时缸体横向振动时域信号及其频谱誊l- 时间/ma时域信号频率/Hzb 频谱图 11 配合间 隙 0.08 mm 时缸体横 向振动时域信号及其频谱在升速状态，当间隙为 0.08 mm时，缸体横向振动加速度响应信号的升速坎贝尔图见图 12b，对比正常状态(见图12a)，在大部分转速范围内，故障状态都有显著的高频成分，特别是 2 500 Hz以上频率成分，比正常状态大得多，此振动响应信号特性可作为活塞敲击故障诊断的-个故障特征。

- 0 1 250 2 5oo频率，Hza正常状态姜 频率，Hzb间隙0.08mm图 12 缸体振动加速度 响应信号升速坎贝尔 图4 基于小波包分解总能量 比的活塞敲击故障诊断分析实际上，发动机发生故障时，其机体表面振动信号有变化，对不同状态的振动信号采用小波包分解方法，按照能量方式表示小波包分解结果从而得到， Ill I -目 -.... .... --. J 。

～.I ， -) L -) ， - -.， -n - ～ - 十 - )∞∞∞0∞3 2 N.∞.g、 器2013年 4月 杜灿谊，等：发动机活塞敲击故障仿真与诊断分析小波包分解频带能量。由于小波变换的能量与原始信号的能量等价，因而用小波包分解的频带能量表示原始信号中能量分布是可行的1 ，以分解所得频带能量作为参数进行对 比分析，可提取不同状态 的故障特征。从前文分析可知 ，当发动机出现活塞敲缸故障，振动信号发生变化，导致小波包分解后频带能量的变化，本研究提出以故障状态与正常状态小波包总能量比随转速的变化作为参数进行故障诊断分析。

4.1 小波包总能量 比定义小波包总能量是在小波包分解重构 的基础上，通过求取各子频带能量之和得出。小波包分解和重构的原理和步骤可