發動機缸蓋螺栓擰緊力矩對機體振動的影響

王 然

（淮陰工學院，江蘇 淮安 223003）

發動機缸蓋螺栓擰緊力矩對機體振動的影響

王 然

（淮陰工學院，江蘇 淮安 223003）

針對缸蓋螺栓擰緊力矩對發動機機體振動有直接影響的問題，借助必要的振動測試硬件，應用NILabVIEW開發了發動機振動數據采集與分析、數據擬合程序，以6135K-13型柴油機為研究對象，在給出振動測試方案的基礎上，對采集到的振動數據進行了分析處理，研究了缸蓋螺栓擰緊力矩與機體振動之間的定量關系，并對此關系進行了驗證。

螺栓；擰緊力矩；發動機振動；LabVIEW

發動機作為獨立工作的動力裝置，在工程中應用很廣泛。發動機產生異常振動時，不僅使機體本身振動加劇，而且會激勵機內零部件及各種附屬裝置、車架等振動，從而引起各種沖擊振動損壞。

引起發動機異常振動的因素有很多，缸蓋螺栓擰緊力矩便是其中之一。本文以臺式計算機為基礎，配備必要的測試硬件，借助LabVIEW軟件，開發了發動機振動測試與數據處理系統，研究了缸蓋螺栓擰緊力矩與發動機機體振動之間的定量關系。

1 發動機振動測試系統的開發

圖1 振動測試系統的構成

發動機振動測試系統如圖1所示，根據傳感器選用原則及實際測試條件，選用壓電加速度傳感器與電荷放大器集成在一起的LC0155型傳感器，和朗斯公司專為LC01系列內裝IC壓電加速度傳感器進行信號調理的LC0201-2信號調理器，數據采集卡則選用NI公司的DAQCARD-PCI-6014型插卡[1]，其為一款基于臺式計算機PCI插槽的采集卡。編程軟件選用NILabVIEW。

1.1 數據采集與存儲程序設計

數據采集提供了整個測試分析系統的數據來源，LabVIEW的DAQ程序包括模擬輸入、輸出、計數器操作以及數字輸入、輸出等[2]，本試驗所用到的主要是模擬量的輸入。數據采集程序，集信號采集與頻譜分析于一體，用于單通道或多通道信號的實時監測，其功能及實現方式如圖2所示。

圖2 數據采集程序流程圖

該程序采用了Data Acquisition中AnalogInput功能下的AIWaveform NChan Samp模塊進行采集的控制，信號分析中調用了Filter、FFT等現成的子VI模塊。

采集數據前，應對采集通道數、采樣點數、采樣速率等參數進行設置，還需對濾波器、窗函數類型等進行選擇。對各項參數設置好后，點擊“數據采集與存儲”按鈕，即可進行信號的采集，可以利用前面板中的波形圖（Waveform Chart）進行實時觀測。

1.2 數據讀取與分析程序設計

為了保證振動測試數據的準確性、可靠性，在發動機缸蓋螺栓各測試擰緊力矩一定的前提下，每隔10 s就采樣一組數據（即1幀），本次試驗共測取15幀數據，在求得每幀振幅最大值或均方根值最大值基礎上，計算15幀最大振幅值（或均方根值）的均值，以此作為缸蓋螺栓在該擰緊力矩下的機體振動量。

在數據讀取與分析程序設計中，共采用了兩個For Loop循環結構、兩個移位寄存器以及Signal Analysis下的Statistics子VI。數據讀取與分析模塊的程序流程圖如圖3所示。

圖3 數據讀取與分析程序流程圖

1.3 數據擬合程序設計

從數據讀取與分析程序中讀取保存的文件，利用Signal Analysis功能下的Curve Fitting子VI對處理后的振動數據進行擬合。通過比較不同的數據擬合方式，對振動測試數據的擬合結果得出，采用5階Polynomial Fit擬合方式對測試數據進行擬合時，均方誤差MSE最小，即擬合效果最好，故本文采用這種數據擬合方式。數據擬合程序流程圖如圖4所示。

圖4 數據擬合程序流程圖

2 發動機缸蓋振動測試

2.1 測試條件與方案

本試驗以6135K-13型柴油機為測試對象，經理論計算知，該發動機缸蓋螺栓預緊力范圍為42734～86578 N，其對應的螺栓擰緊力矩為147～297.8 N·m，實際測試范圍取 160～290 N·m[3]。測試時水溫約為85℃，油溫約為60℃，油壓為0.25～0.35 MPa。

本次試驗依據國家標準GB7184-87《中小功率柴油機振動測量方法》，將柴油機用螺栓剛性安裝在試驗臺架上，并在機上布置3個測點，分別位于缸蓋邊沿、缸蓋中間和機體側面。

測試振動時，缸蓋螺栓擰緊力矩從下限160N·m開始，采取螺栓擰緊力矩每增加5 N·m就測取一組數據，直至上限290N·m。測試過程中，將發動機設置3 種轉速，即 780 r/min、1080 r/min、1200 r/min，分別采集發動機在不同轉速下不同測點的振動量，為數據分析與擬合程序提供原始數據。

2.2 發動機缸蓋振動測試

試驗用發動機共有6缸，且兩缸共用一缸蓋，本次試驗以5、6缸缸蓋作為測試研究對象。測試時，振動傳感器分別放置于5、6缸缸蓋邊沿、中間和發動機機體側面靠近飛輪處[4]，以測取發動機在3種不同轉速下，這些位置的振動情況。發動機轉速為1080 r/min、機體側面位置振動數據采集界面如圖5所示。表1為機體振動測試部分數據。

圖5 振動數據采集界面

從表1可以看出：

（1）在發動機轉速一定、缸蓋螺栓擰緊力矩允許范圍內，起初發動機機體振動隨螺栓擰緊力矩增加而逐漸減小；但當振動減小到一定數值后，機體振動又隨著螺栓擰緊力矩增加而逐漸增大，由此可以推斷，螺栓在某一擰緊力矩范圍內，可使發動機機體振動最小。

（2）在缸蓋螺栓擰緊力矩一定條件下，隨著發動機轉速增高，機體振動幅度也有不同程度的增大。

（3）用振幅最大值和均方根值，作為特征參數分析機體振動時，兩者分析的數據變化趨勢一致。

3 發動機振動數據分析與擬合

對發動機振動數據分析方法有兩種：一種是以一組數據中每幀數據最大值均值，作為分析參數，來進行分析；另一種是以一組數據中每幀數據均方根值均值，作為分析參數，來進行分析，限于篇幅，本文僅給出后一種方法分析結果。

表1 發動機振動測試部分數據

螺栓擰緊扭矩為175 N·m，發動機轉速為1200 r/min，發動機5、6缸機體側面位置振動測試數據分析結果，如圖6所示。

圖6 發動機振動數據分析圖

從圖6可以看出，雖然每幀數據的均方根值不同，但除個別點波動較大外，其余點變化均較小，且基本沿某一中心線上下變化，因此取多幀數據均方根值均值，作為分析參數是較科學的數據分析方法。

利用編制的擬合程序，對分析處理后的測試數據進行擬合，可得到發動機不同轉速下，螺栓擰緊力矩與機體振動量間的擬合曲線，其中轉速為1080 r/min、機體側面的振動測試數據擬合曲線如圖7所示。

圖7 發動機振動數據擬合圖

由圖7可知，發動機轉速為1080 r/min、機體側面處的振動量與螺栓擰緊力矩的關系式為

式中，

y為機體振動量，V；

x為螺栓擰緊力矩，N·m。

為判斷振動測試分析結論是否正確，需通過用任意螺栓擰緊力矩下，發動機的振動情況來加以驗證。為使驗證數據具有代表性，采集了在發動機轉速為780 r/min、1080 r/min，螺栓擰緊力矩分別為182 N·m和253N·m情況下3個測點的振動數據，來進行驗證，結果表明，螺栓在182N·m、253N·m擰緊力矩下的振動量，基本落在已擬合的曲線上，說明采用振動數據的均方根值均值作為擬合數據進行擬合的方法，是可行的。

4 結束語

試驗研究表明，缸蓋螺栓擰緊力矩對發動機機體振動影響較大。本文利用LabVIEW所開發的發動機振動測試系統，分析、研究并建立了6135K-13型柴油機缸蓋螺栓擰緊力矩與機體振動之間的定量關系，這為發動機設計、生產及維修單位合理確定缸蓋螺栓擰緊力矩、降低發動機振動幅度、提高發動機工作可靠性，提供了一種切實可行的研究方法與途徑，也為研究其他機械振動問題，提供了有益的參考。

[1]NATIONAL INSTRUMENTSTM.The Measurement and Automation Catalog 2004[R].Austin：U.S.CORPORATE HEADQUARTERS，190-195.

[2]National Instruments Crop.LabVIEW Data Acquisition Basics Manual[M].Austin：Texas USA，January 2007，19-276.

[3]徐禮超.缸蓋螺栓擰緊力矩對發動機機體振動影響的試驗研究[D].上海：上海理工大學，2005.

[4]GB7184-87，中小功率柴油機振動測量方法[S].

Experimental Study on Influence of Engine Cylinder Head Bolts’Tightening Torque to Body Vibration

WANG Ran
（Huaiy in Institute of Technology,Huai’an Jiangsu 223003,China）

Cylinder head bolts’tightening torque had a direct impact on engine body vibration.With necessary vibration test hardware,we applied the software of NI Lab VIEW to develop engine vibration data acquisition and analysis,data fitting procedures,and took 6135K-13 diesel engine as a research object,on the basis of the given vibration test program,we analyzed a nd processed the sampled vibration data,studied and validated the quantitative relationship between cylinderhead bolts’tightening torque and enginebody vibration.

bolts;tightening torque;engine vibration;LabVIEW

U464.132

A

1672-545X（2011）09-0028-04

2011-06-19

王 然（1972—），男,江蘇淮安人，助理實驗師，研究方向：汽車性能檢測與診斷。