關(guān)于內(nèi)燃機(jī)表面振動(dòng)信號(hào)性質(zhì)的探討

摘 要：內(nèi)燃機(jī)在發(fā)動(dòng)運(yùn)行的過(guò)程中發(fā)生振動(dòng)是一種必然的現(xiàn)象，振動(dòng)的幅度、聲響變化中包含了很多關(guān)于運(yùn)行狀態(tài)的信息，所以通過(guò)采集和分析振動(dòng)就能檢測(cè)出內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行狀況。因此，在日常實(shí)踐中，分析振動(dòng)的特征成為檢測(cè)內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)、故障及監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)的一種有效方法，但要準(zhǔn)確分析振動(dòng)信號(hào)是具有一定難度和復(fù)雜性。本文主要闡述了內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)信號(hào)性質(zhì)，并論述了如何采用正確的信號(hào)分析方法并提出減振隔振措施。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)；振動(dòng)信號(hào)；發(fā)動(dòng)機(jī)

1 內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)信號(hào)性質(zhì)

采用什么樣的信號(hào)分析法是由內(nèi)燃機(jī)的性質(zhì)所決定的，任何的分析方法都是在一定條件范圍內(nèi)使用的，因此正確辨別振動(dòng)信號(hào)所體現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)對(duì)信號(hào)分析方法的選擇有著重要的意義。

1.1 激勵(lì)具有非平穩(wěn)性

內(nèi)燃機(jī)在發(fā)動(dòng)的時(shí)候會(huì)因?yàn)閮蓚€(gè)方向的力而造成振動(dòng)，這就是所謂的振動(dòng)激勵(lì)源。這兩個(gè)力分別是跟氣缸縱向中心線(xiàn)垂直的活塞側(cè)推產(chǎn)生的力，這兩個(gè)力其一是由活塞與氣缸壁面相互作用產(chǎn)生的；其二是因沿氣缸縱向中心方向的燃?xì)獗l(fā)壓力以及連桿作用于活塞產(chǎn)生的推力形成的。在平穩(wěn)隨機(jī)的過(guò)程中，功率譜密度函數(shù)的面積等于均方值，非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的功率譜密度頻率成分的分布比例跟時(shí)間的長(zhǎng)短沒(méi)有關(guān)系，功率譜強(qiáng)度其實(shí)就是展開(kāi)功率，它會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，并且隨著各運(yùn)動(dòng)部件而改變，產(chǎn)生非恒定的數(shù)值。如果假設(shè)各項(xiàng)參數(shù)都是在恒定條件下，只是對(duì)內(nèi)燃機(jī)的整體動(dòng)力輸出狀態(tài)進(jìn)行大概估算，這時(shí)候所得到的參數(shù)是屬于合理范圍內(nèi)的，而對(duì)于結(jié)構(gòu)和分布比較復(fù)雜，需要做精確計(jì)量的振動(dòng)監(jiān)測(cè)和診斷，則要考慮到非平穩(wěn)性。

1.2 響應(yīng)具有非平穩(wěn)性

內(nèi)燃機(jī)的部件結(jié)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的，工作振動(dòng)時(shí)會(huì)引起很多的激勵(lì)源，如果要對(duì)所有的激勵(lì)和響應(yīng)之間的關(guān)系進(jìn)行考量，則有一定的難度，因?yàn)轫憫?yīng)具有非平穩(wěn)性。內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)信號(hào)是屬非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)狀態(tài)，在輸入非平穩(wěn)隨機(jī)激勵(lì)時(shí)，其響應(yīng)會(huì)更加的復(fù)雜；如果系統(tǒng)是線(xiàn)性非變化系統(tǒng)，就可以根據(jù)平穩(wěn)輸入平穩(wěn)輸出、非平穩(wěn)輸入非平穩(wěn)輸出，把系統(tǒng)模型變的簡(jiǎn)單化。但在實(shí)際應(yīng)用中，很多激勵(lì)源跟各要素的關(guān)系非常復(fù)雜，各機(jī)構(gòu)假設(shè)都是隨機(jī)的，振動(dòng)的系統(tǒng)是非線(xiàn)性不變系統(tǒng)。比如，內(nèi)燃機(jī)的活塞在做頂部激勵(lì)時(shí)，從氣缸箱體上進(jìn)行測(cè)量，其所測(cè)出的響應(yīng)譜結(jié)構(gòu)圖和分布的變化非常大，通過(guò)測(cè)試統(tǒng)計(jì)分布頻帶，可以看到其表現(xiàn)出非平穩(wěn)性。

2 振動(dòng)信號(hào)分析方法

在對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行傳輸和處理的過(guò)程中，需要對(duì)信號(hào)做各種運(yùn)算和變換，其信號(hào)變換主要包括時(shí)移、反轉(zhuǎn)、尺度變換、分解與合成，其數(shù)字信號(hào)處理模塊的功能提供了多種信號(hào)分析和處理的方法。

2.1 振動(dòng)信號(hào)濾波

內(nèi)燃機(jī)是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械，產(chǎn)生振動(dòng)有多個(gè)源頭，在不同情況下對(duì)應(yīng)不同的振動(dòng)頻率，至于什么樣的頻率是不確定的。所以，在提取振動(dòng)信號(hào)的特征之前需要對(duì)信號(hào)采用濾波方法進(jìn)行預(yù)處理，然后再深入分析。濾波可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)，并給予抑制和衰減其他成分。在實(shí)踐工作中，測(cè)試系統(tǒng)采用的是無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器，其輸出是由當(dāng)前及過(guò)去的輸入信號(hào)和過(guò)去輸出值決定的，可以很好保留幅值頻率特性，其他的一些濾波器也可以通過(guò)設(shè)置控制數(shù)字濾波器參數(shù)的階數(shù)、截止頻率、阻帶和帶通、脈動(dòng)量及阻帶衰減。

2.2 信號(hào)的時(shí)域分析

從DAQ系統(tǒng)中測(cè)量到的采樣信號(hào)是屬于信號(hào)的時(shí)域表示，采樣信號(hào)的幅值會(huì)隨著時(shí)間的改變而發(fā)生變化，通過(guò)DAQ系統(tǒng)圖可以直觀的看到最大值、最小值、峰值、均值等。在振動(dòng)測(cè)試的過(guò)程中，要通過(guò)分析找出某段時(shí)間內(nèi)異常頻率值。在信號(hào)的時(shí)域分析中，通過(guò)運(yùn)用通測(cè)法可以采集信號(hào)中極限峰值頻率和幅值，而對(duì)振幅平均測(cè)量法的應(yīng)用可以來(lái)完成對(duì)輸入信號(hào)最大值、最小值和峰峰值的檢測(cè)，最后應(yīng)用Waveform Graph可以實(shí)現(xiàn)時(shí)域波形的顯示。

2.3 信號(hào)的頻域分析

振動(dòng)信號(hào)測(cè)試技術(shù)中的頻譜分析指的是把時(shí)間域的各種動(dòng)態(tài)信號(hào)通過(guò)傅里葉變換到頻率域進(jìn)行分析，在LABVIEW中，有很多相應(yīng)的快速VI來(lái)進(jìn)行譜分析處理，最終實(shí)現(xiàn)頻譜分析、功率譜分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及歷史數(shù)據(jù)裝載。通過(guò)對(duì)頻域分析可以得到頻域各種參數(shù)特征和頻域組成信息，而從實(shí)驗(yàn)區(qū)收集的信號(hào)是屬于非周期非線(xiàn)性信號(hào)。當(dāng)試驗(yàn)機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，頻率波中會(huì)有一個(gè)主頻率值，如果內(nèi)燃機(jī)有出現(xiàn)故障的話(huà)，就會(huì)造成頻率波的不穩(wěn)定，而產(chǎn)生具有干擾作用的頻率。在頻域分析中，可以采用快速傅里葉變換FFT獲取到信號(hào)的幅頻特性和相頻特性，對(duì)信號(hào)的頻率和幅值等的特征參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

3 內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)的控制措施

3.1 被動(dòng)控制

3.1.1 控制內(nèi)燃機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題，首先是設(shè)計(jì)合理的方案來(lái)降低內(nèi)燃機(jī)本身的振動(dòng)或是避免有害振動(dòng)的產(chǎn)生，其次是采取措施降低內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境的影響。對(duì)于前者主要是通過(guò)建立仿真模態(tài)來(lái)分析內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)情況下哪些會(huì)有共振的現(xiàn)象發(fā)生，然后通過(guò)調(diào)整內(nèi)燃機(jī)、懸置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)達(dá)到有效設(shè)置振動(dòng)模型的目的。而后者主要采用的是控制振動(dòng)產(chǎn)生和振動(dòng)能量傳遞過(guò)程的方法，控制振源、傳輸途徑和受保護(hù)對(duì)象，主要手段有減振技術(shù)和隔振技術(shù)。

3.1.2 隔振技術(shù)。隔振技術(shù)的方法主要是在振源和被保護(hù)源之間安裝一些具有彈性和阻尼作用的隔振裝置，將剛性連接變成柔性連接，這樣就可以削弱能量的傳遞，從而減少震動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境和自身產(chǎn)生的影響。另外還有一種叫消極隔振，它的作用主要在于降低基礎(chǔ)震動(dòng)對(duì)防振設(shè)備的影響，通過(guò)利用減振器跟基礎(chǔ)振隔開(kāi)，以減低基礎(chǔ)振傳遞給防振設(shè)備的能量。

3.1.3 單獨(dú)隔振和整體隔振。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)型號(hào)的不同，可以采用整體隔振和單獨(dú)隔振兩種方式。整體隔振是指將內(nèi)燃機(jī)以及其從動(dòng)機(jī)械如電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)齒輪箱等整套機(jī)組作為一個(gè)整體放到隔振器上，一般是一個(gè)底座。底座的剛度一般都很大，對(duì)降低機(jī)組的重心和剛度有很大的作用，從而加大質(zhì)量，減少機(jī)組本身的振動(dòng)。同時(shí)，還可以對(duì)整個(gè)隔振系統(tǒng)的固有頻率起到降低的作用，提高隔振的效率。單獨(dú)隔振就是指把內(nèi)燃機(jī)和從動(dòng)機(jī)械分別進(jìn)行隔振。但是考慮到隔振形式的底座比較弱，內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)和附加的應(yīng)力都比較大，所以有時(shí)候需要通過(guò)采用附加底座的方式增加其剛性。

3.1.4 減振技術(shù)。減振技術(shù)是指通過(guò)頻率調(diào)整渠道、減少震能渠道或是裝設(shè)減振器的途徑來(lái)消減軸系扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。目前市面比較常見(jiàn)的減震器主要有動(dòng)力減振器、阻尼減振器和復(fù)合式減振器。使用的比較多的減振技術(shù)有動(dòng)力減振技術(shù)、粘彈阻尼減振技術(shù)、沖擊與顆粒阻尼減振技術(shù)和空氣壓膜阻尼減振技術(shù)。

3.2 主動(dòng)控制

為進(jìn)一步提高內(nèi)燃機(jī)防振效果，對(duì)隔振的要求也提出了更高的要求，比如要求隔振器的動(dòng)力設(shè)備裝置更加隱蔽、安全、平穩(wěn)和舒適，寬頻帶振動(dòng)隔離技術(shù)也就應(yīng)此而產(chǎn)生了。這種技術(shù)是屬于主動(dòng)控制，也稱(chēng)為源減振技術(shù)。內(nèi)燃機(jī)是屬于一種寬頻帶激振源，比高速大功率柴油機(jī)的激振頻率更寬，內(nèi)燃機(jī)低頻強(qiáng)激振力會(huì)對(duì)設(shè)備的整體強(qiáng)度產(chǎn)生影響，所以對(duì)隔振系統(tǒng)的穩(wěn)定性有更高的要求。寬頻帶振動(dòng)隔離技術(shù)需要依靠其他的能源來(lái)搭配共同支撐減振裝置的工作，主要方法有雙層隔振、金屬?gòu)椈膳c黏彈性材料組成的負(fù)荷隔振系統(tǒng)，具有效果好、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)化的發(fā)展，為提高生產(chǎn)率，人們對(duì)內(nèi)燃機(jī)的依賴(lài)程度越來(lái)越高，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的要求也越來(lái)越高。內(nèi)燃機(jī)在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)信號(hào)是內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的載體，所以掌握振動(dòng)信號(hào)特征是判斷內(nèi)燃機(jī)故障的一種很好的方法，從而減少故障發(fā)生率，同時(shí)也需要做好減振措施。

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