FFT在發(fā)動機(jī)缸壁間隙檢測中的應(yīng)用

楊遠(yuǎn)滿，劉占峰，王艷雄，朱延玲

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

發(fā)動機(jī)工作時所產(chǎn)生的振動參數(shù)是評價發(fā)動機(jī)性能的重要指標(biāo)之一[1]， 發(fā)動機(jī)在工作過程中隨著缸壁間隙、氣門間隙和軸瓦間隙的增大振動加劇，尤其是缸壁間隙異常時對發(fā)動機(jī)性能影響嚴(yán)重。缸壁間隙[2]是指發(fā)動機(jī)氣缸壁與活塞之間的配合間隙。通常測量氣缸間隙，需要把活塞從氣缸中拆下，不僅費(fèi)時費(fèi)工，還會破壞已磨合好的氣缸—活塞配合副。

如何在不解體的情況下，準(zhǔn)確快捷的檢測出缸壁間隙，提前預(yù)知發(fā)動機(jī)活塞在氣缸中的磨損情況，從而確定汽車技術(shù)狀況很有必要。發(fā)動機(jī)振動信號包含了豐富的機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的信息， 采集和分析振動測試數(shù)據(jù)不影響機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此振動分析法是對旋轉(zhuǎn)類機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)、故障分析和狀態(tài)監(jiān)測最為廣泛、也是最行之有效的方法之一[3]。

快速傅里葉變換(FFT)能實(shí)現(xiàn)時間域與頻率域之間的相互轉(zhuǎn)換，將信號分析從時域引入到頻域內(nèi)，清晰顯示振動信號在特征頻率處的幅值。本文通過人為改變發(fā)動機(jī)的缸壁間隙，采集發(fā)動機(jī)活塞上止點(diǎn)換向時的橫向沖擊振動信號，利用Reflex軟件中的FFT變換分析發(fā)動機(jī)缸壁表面的振動信號，試驗(yàn)表明，在不同的發(fā)動機(jī)缸壁間隙下，測得的振動信號的頻譜圖具有規(guī)律性。

1 試驗(yàn)方案

如圖1 所示，發(fā)動機(jī)缸壁間隙檢測系統(tǒng)由信號源、信號采集系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)等組成。

圖1 發(fā)動機(jī)缸壁間隙檢測系統(tǒng)

DA462 型發(fā)動機(jī)以1 500 r/min的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，人為改變發(fā)動機(jī)的缸壁間隙，采集發(fā)動機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)和倒拖(利用調(diào)速電機(jī)帶動發(fā)動機(jī)使其在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)的工況叫倒拖工況，倒拖的目的是為了消除燃燒激勵對振動信號的影響)2種情況下的振動信號作為信號源。

信號采集系統(tǒng)包括6通道試驗(yàn)?zāi)K、加速度傳感器、次級高壓線取樣探頭、曲軸位置傳感器等。

信號分析系統(tǒng)是Reflex軟件中的FFT變換。

2 測試原理

PULSE系統(tǒng)平臺分軟件和硬件2部分。本試驗(yàn)采用PULSE系統(tǒng)中的硬件部分，通過6通道試驗(yàn)?zāi)K采集數(shù)據(jù)，其中4個輸入通道，2個輸出通道。

將4個輸入通道分別接入：曲軸相位傳感器，采集1、4缸的活塞上止點(diǎn)信號；次級高壓線取樣探頭，采集1缸點(diǎn)火脈沖信號；2個壓電式傳感器，分別接在1缸側(cè)面和4缸側(cè)面，采集1缸和4缸缸壁表面振動信號。

采集的振動信號可以通過2個輸出通道在示波器上顯示，也可以通過上位機(jī)顯示。

本試驗(yàn)將采集到的振動信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?jīng)電荷放大器傳入到分析儀，在終端電腦顯示和分析，如圖1 所示。

試驗(yàn)?zāi)K與電腦終端相連，利用PULSE 系統(tǒng)Labshop Reflex軟件中的FFT變換進(jìn)行頻譜處理與分析。DA462 型發(fā)動機(jī)的正常缸壁間隙為0.04 ～0.06 mm， 取0.06 mm分析，通過人為磨缸將缸壁間隙調(diào)整為0.08，0.10， 0.12，0.14 mm 4 種狀態(tài)來模擬發(fā)動機(jī)缸壁間隙異常故障。

由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對發(fā)動機(jī)表面振動信號影響較大，轉(zhuǎn)速增加則故障信號比較容易暴露，但轉(zhuǎn)速太大易引起其它噪聲，綜合考慮，確定試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1 500 r /min[4]。同時，采集發(fā)動機(jī)倒拖工況下的振動信號與正常工況下的振動信號進(jìn)行對比分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2 缸壁間隙0.06 mm 時振動信號頻譜圖

發(fā)動機(jī)正轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時通過快速傅里葉變換分析得到的不同缸壁間隙下，4缸發(fā)動機(jī)側(cè)面振動信號的頻譜圖如圖2～6 所示。由圖2～6可知，缸壁間隙分別為0.06，0.08，0.10，0.12，0.14 mm時對應(yīng)的最大振動加速度分別為1.250，1.343，1.773，2.572，2.864 m/s2。隨著缸壁間隙的不斷增大，4缸活塞橫向沖擊響應(yīng)的幅值明顯地增大[5]。

圖3 缸壁間隙0.08 mm 時振動信號頻譜圖 圖4 缸壁間隙0.10 mm 時振動信號頻譜圖

圖5 缸壁間隙0.12 mm 時振動信號頻譜圖 圖6 缸壁間隙0．14 mm 時振動信號頻譜圖

發(fā)動機(jī)倒拖且轉(zhuǎn)速為1 500 r /min時通過快速傅里葉變換得到的不同缸壁間隙時的4缸側(cè)面振動信號的頻譜圖如圖7～ 11所示。由圖7～11可知，缸壁間隙分別為為0.06，0.08，0.10，0.12，0.14 mm時對應(yīng)的最大振動加速度分別為1.258，1.564，1.647，2.536，2.657 m/s2。

圖12更直觀反映了最大振動加速度隨缸壁間隙的增大而增大的變化規(guī)律，而且正常工況比倒拖工況下變化的速度更快些。

圖7 缸壁間隙0.06 mm 時振動信號頻譜圖 圖8 缸壁間隙0.08 mm 時振動信號頻譜圖

圖9 缸壁間隙0.10 mm 時振動信號頻譜圖 圖10 缸壁間隙0.12 mm 時振動信號頻譜圖

圖11 缸壁間隙0.14 mm 時振動信號頻譜圖 圖12 最大振動加速度與缸壁間隙變化關(guān)系圖

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)提取發(fā)動機(jī)缸壁表面的振動信號，對振動信號進(jìn)行頻譜分析，最大振動加速度隨著缸壁間隙的增大而增大，正常工況下的增大趨勢比倒拖工況更明顯。在發(fā)動機(jī)不解體的情況下，通過提取發(fā)動機(jī)在某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下活塞橫向沖擊的振動信號，可以估計(jì)出發(fā)動機(jī)活塞與氣缸的配合間隙，是一種簡單有效的診斷方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉占峰，司景萍，梁紅波.基于振動信號分析的發(fā)動機(jī)氣缸壁間隙異常診斷[J]．小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2011，40(2): 86-88．

[2]張?jiān)莆?汽車故障診斷先進(jìn)技術(shù)[M].西安：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：29-30.

[3]劉占峰，張智，任慶霜.基于振動信號分析的發(fā)動機(jī)軸瓦間隙異常診斷[J].內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，2010(1)：46-50.

[4]王艷雄，劉占峰，樊婕.基于labshop 的發(fā)動機(jī)缸壁間隙檢測方法研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，33(4)：197-201.

[5]梁紅波， 司景萍， 高志鷹，等.基于子帶能量法的發(fā)動機(jī)振動信號分析研究[J].噪聲與振動控制，2010，30(1)：72-77.