柴油機激勵載荷與結構振動信號特征關系研究*

杜憲峰　梁興雨　李志勇（1-遼寧工業大學省汽車振動與噪聲工程技術研究中心　遼寧　錦州　11001　-天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室　-東風朝陽朝柴動力有限公司國家工程技術研究中心）

柴油機激勵載荷與結構振動信號特征關系研究*

杜憲峰1，2，3梁興雨2李志勇3
（1-遼寧工業大學省汽車振動與噪聲工程技術研究中心遼寧錦州1210012-天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室3-東風朝陽朝柴動力有限公司國家工程技術研究中心）

建立某六缸柴油機基于多體動力學與有限元聯合仿真的虛擬平臺，并結合試驗測試與仿真計算數據結果驗證該虛擬仿真平臺的合理性。同時，基于虛擬仿真平臺模擬計算柴油機在燃燒激勵力、側向力、主軸承力作用下各測點的振動響應，并通過振動速度來分析不同測點處各激勵力作用下振動響應信號的差別，同時著重分析了一個工作循環內側向力三個明顯波峰體現出的活塞拍擊沖擊響應及產生機理，以及活塞側向力的時頻特征與能量大小。研究結果表明，虛擬仿真方法與時頻技術的采用有效表征了各激勵載荷與結構振動信號特征的影響關系，同時也有效避免了干擾激勵源或干擾信號的影響，對于制定減振降噪措施具有一定指導價值。

激勵載荷振動信號虛擬仿真柴油機

引言

柴油機振動噪聲主要來源于內燃機燃燒作用下各部件所產生的振動、沖擊及摩擦等激勵，而結構表面振動信號包含豐富的與內燃機燃燒狀態及各零部件運行狀態相關的信息，通常這些信息與柴油機激勵力及傳播途徑密切相關。因此，為了改善柴油機的振動噪聲特性，通過探討激勵載荷與結構振動信號特征的關系是充分理解柴油機振動噪聲產生機理的重要途徑之一。

國內外關于柴油機激勵力與振動信號特征的研究主要表現為柴油機運行狀態的健康監測，并取得了很多的研究成果[1～3]。這些成果主要通過試驗手段來完成，是因為振動傳感器可直接安裝于柴油機表面，通常利用時頻分析技術對柴油機表面振動響應信號進行信號處理，再結合柴油機工作特性進行振動信號源的識別工作。

盡管試驗分析方法具有很多的優勢，但試驗方法主要局限于試驗測點及其傳遞函數的唯一性，無法有效確定單獨激勵力對結構振動的影響[4]。同時，試驗研究需要物理樣機的存在，無法實現在設計階段對柴油機不同結構振動影響因素的定量分析。為了有效避免這些不足，本文結合試驗手段與虛擬仿真方法對柴油機機體表面振動信號和主要激勵力的關系開展相關研究。

圖1　氣缸內爆發壓力曲線

圖2　發動機多體動力學組裝模型

1　柴油機虛擬仿真平臺建立

激勵載荷是虛擬仿真非常重要的因素，是動力學仿真的目的，也是后期機體振動響應分析的重要基礎。氣體爆發壓力是動力性仿真的施加激勵載荷，其氣體壓力與活塞行程和曲軸轉角密切相關，通?？梢酝ㄟ^實際試驗測量得到，并根據發動機的示功圖按發火規律在多體動力學模型的活塞上施加該爆發壓力。該柴油機標定工況下的爆發壓力如圖1所示，組裝的多體動力學模型如圖2所示。

采用多體動力學模型模擬發動機工作過程，仿真分析獲得發動機前3個工作循環，可著重考慮振動響應計算中的一個完整周期時間作為數據分析處理時間段。有限元分析頻率上限設定為4500 Hz，仿真時間間隔應設置成小于或等于采樣時間。為表述方便，在發動機上定義三個方向：活塞運動方向為縱向，曲軸長度方向為軸向，另一方向為側向。圖3為第一缸的活塞側向力。

由圖3可知，在活塞壓縮行程中，次推力側出現最大值，在巨大的爆發壓力下，迅速轉為對主推力側的最大值，其最大值出現在活塞到達上止點附近，其大小和方向呈周期性變化，其它各缸氣體爆發壓力對第一缸活塞和機體的側向力也有影響，但影響不大。此外，可計算獲得主軸承的側向和縱向載荷，其最大載荷值對應于該主軸承最近氣缸的氣體爆發點處。主軸承在橫向與縱向上所受的載荷變化與各缸的發火順序相對應。

機體激勵力是影響機體振動響應計算準確性和可靠性的關鍵因素，直接決定了振動響應計算的真實性。其中，燃燒爆發壓力主要作用在缸蓋的燃燒室壁面和活塞上，并最終通過缸蓋螺栓作用于機體頂面，主軸承振動通過主軸承連接的加強筋和腹板傳遞，從而引起機體裙部和油底殼的振動。因此，采用有限元動力響應分析方法，模擬機體在實際工況下的主軸承載荷、缸套的支承面負荷、缸蓋螺栓載荷等因素，并充分考慮發動機部件接觸的影響，為實現合理的機體振動預測提供了基礎。柴油機機體各種激勵力施加如圖4所示。

圖4　 整機激勵力施加圖

采用有限元方法對機體上的特征點在標定工況（120 kW，2300 r/min）下進行振動響應計算，為了得到運行穩定后的振動響應，取三個運行周期時間作為振動響應歷程的計算時間。特征點為國家標準GB7184-1987《中小功率發動機振動評級》規定的機體上的五個測點。在振動等級分析中使用的當量振動烈度，機體系統響應的當量振動烈度為：式（1）中，Vx、Vy、Vz為X、Y、Z三個方向上各規定測點的振動速度均方根值，mm/s；Nx、Ny、Nz為X、Y、Z三個方向測點數。

依據柴油機機體的振動響應與振動烈度計算分析，獲得機體五個特征點的振動速度與當量振動烈度值如表1所示。

表1　機體試驗分析與仿真分析振動烈度值對比

由表1數據可知，基于試驗與仿真計算的各特征點振動速度與當量振動烈度的結果比較吻合，但同時也存在一定的差異，主要原因是模型中約束及載荷邊界條件同實際情況間的差異。這種差異滿足允許的工程誤差，驗證了曲軸-機體動力學模型與機體振動預測方法的合理性。這種較為準確的曲軸-機體模型的建立與虛擬仿真分析對于指導機體的低振動改進設計具有重要意義。

2　柴油機振動響應信號特征分析

在柴油機結構虛擬仿真平臺的基礎上，采用振動速度來評價激勵載荷沿不同傳遞路徑引起的結構振動響應[5]。以柴油機缸蓋為例，為了識別出缸內爆發壓力狀態特征參數和缸蓋表面振動信號特征之間的關系，在缸蓋側面上布置了三個測點（測點1、3分別對應于第1、2缸蓋，測點2布置于1缸和2缸中間），并通過振動速度來分析不同測點處燃燒激勵振動響應信號的差別。在柴油機標定工況下，第3缸燃燒激勵載荷單獨作用下三個測點的振動速度對比結果如圖5所示。

圖5　第3缸燃燒激勵載荷單獨作用下不同測點的振動速度

由圖5可知，柴油機在剛性約束條件下，燃燒激勵載荷單獨作用下的振動響應信號存在明顯的分段特征，峰值壓力前的振動速度變化比較平穩，與缸內壓力存在近似線性特性。受機體系統特性影響，峰值壓力后的振動速度表現為非線性特性。同時，由不同測點的對比結果可知，其振動響應速度具有很好的一致性，也說明在單一激勵載荷作用下，相鄰測點振動速度結果的差異很小。

圖6為各缸燃燒激勵載荷共同作用下三個測點的振動速度對比結果。

由圖6可知，在各缸燃燒激勵載荷共同作用下，測點3的振動速度幅值最大，測點1最小，測點2介于測點1、3之間，且與測點3的振動速度幅值相當。可見，各缸附近所測得的振動信號對燃燒激勵載荷比較敏感，布置于兩缸中間的測點可同時反映相鄰兩缸的燃燒狀態信息。

比較敏感，布置于兩缸中間的測點可同時反映相鄰兩缸的燃燒狀態信息。

傳統上研究柴油機活塞拍擊作用下的振動信號特征，通常采用測功機拖動柴油機轉動，柴油機停止供油不工作，測量其缸內壓力與表面振動信號，該振動信號是由缸內無燃燒的壓縮壓力和活塞拍擊所引起的。但是，由于燃燒工況和拖動工況下的缸內壓力差別較大，就使得活塞拍擊產生的振動信號差異不僅與活塞拍擊密切相關，還與缸內壓力有關，兩種工況下所引起的振動噪聲也就不相同。

為了避免燃燒激勵對其它激勵載荷的干擾，實現試驗無法模擬的正常運轉工況下的無燃燒激勵研究。采用仿真平臺分析正常工況與倒拖工況下振動速度的差異，柴油機不同測點對比結果如圖7所示。

由圖7分析結果可知，在無燃燒激勵作用的倒拖工況下，仿真計算獲得了缸蓋測點、缸套-機體測點與主軸承-機體測點的振動速度，對于缸蓋測點，其振動速度變化比較明顯，而對于機體與裙部測點，其振動速度變化很小，說明燃燒激勵對缸套-機體測點與主軸承-機體測點的作用很小。

圖6　各缸燃燒激勵載荷共同作用下不同測點的振動速度

圖7　正常與倒拖工況下不同測點振動速度

柴油機在一個工作循環中，當活塞從氣缸壁的一側移向另一側時，會造成活塞與氣缸壁的碰撞，其工作原理如圖8所示[6]。圖9為活塞側向力在柴油機整個工作循環中隨時間的變化規律。

圖8　曲柄連桿機構中往復力的產生

圖9　活塞側向力F的變化規律

由圖8可知，往復力F和T由柴油機曲柄連桿機構產生，兩者表現為有聯系的慣性力。鑒于大型柴油機活塞的質量相當大，以及活塞與氣缸之間存在的間隙，就使得活塞撞擊成為柴油機主要的機械振動噪聲源。氣缸在上下運動過程中會產生一個側向力F，使活塞作用在氣缸壁的一側。

由圖9可知，側向力F在一個工作循環中方向會產生八次改變，尤其以作功行程開始的上止點附近，由于氣缸內高壓的存在，d F/d t值最大，最嚴重的活塞撞擊通常表現為該點，這也是柴油機機械振動噪聲產生的主要根源。

在柴油機標定工況（220 kW，2300 r/min）下，仿真計算獲得第六缸活塞側向力波形如圖10所示。

圖10　第六缸活塞側向力波形

由圖10可以看出，一個工作循環內的側向力包含三個明顯的波峰，依據波峰分別定義區域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。為了能夠清晰地識別出各區域的時頻特征，對區域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的截取信號進行多階段累加，其時頻分析結果如圖11所示。

由圖11中區域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ信號分析結果可知，相關波形能夠清晰地體現出活塞拍擊的沖擊響應，同時還可以確定活塞側向力的時頻特征與能量大小[7]。區域Ⅰ與區域Ⅲ中的側向力主要受到慣性力的影響，區域Ⅱ中的側向力主要受到缸內壓力的影響，表現為活塞換向撞擊力，這種撞擊在一個循環中發生多次，以燃燒上止點附近的撞擊力最為強烈。

圖11　活塞側向力波形區域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的信號時頻分析結果

為了進一步分析各激勵載荷作用下振動響應信號的相互關系，分別模擬計算柴油機燃燒激勵力單獨作用、側向力單獨作用、主軸承力單獨作用、全部激勵力作用下的振動響應速度，柴油機結構各測點的對比結果如圖12、13、14所示。

圖12　不同激勵載荷作用下缸蓋測點的振動速度

由圖12可知，缸蓋測點主要受到燃燒激勵力與活塞側向力的共同作用，在不同激勵載荷的作用下，振動速度信號波形表現出很好的一致性，其中以全部激勵力作用下的振動速度值最為顯著，而主軸承力對缸蓋測點振動速度的影響很小。

圖13　不同激勵載荷作用下機體上部測點的振動速度

圖14　不同激勵載荷作用下機體裙部測點的振動速度

由圖14可知，裙部測點主要受到主軸承力的作用，使得主軸承力與全部激勵力的作用效果基本一致，獲得的振動速度值非常顯著，側向力對裙部測點也產生了一定的影響。

3　結論

1）在虛擬仿真平臺的基礎上，基于試驗與仿真計算的各特征點振動速度與當量振動烈度的結果比較吻合，驗證了多體動力學與有限元法在機體振動速度預測應用中的合理性，對于指導機體的低振動改進設計奠定了良好的基礎。

2）依據活塞側向力的區域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ劃分，采用時頻技術能夠清晰識別出活塞拍擊的沖擊響應，并確定活塞側向力的時頻特征與能量大小，從而分析獲得各區域沖擊響應的作用機理，對于改善柴油機活塞拍擊現象具有一定的參考價值。

3）模擬計算柴油機在燃燒激勵力、側向力、主軸承力作用下各測點的振動響應，研究結果表明，虛擬仿真方法與時頻技術的采用有效表征了各激勵載荷與結構振動信號特征的影響關系，同時也有效避免了干擾激勵源或干擾信號的影響，對于制定減振降噪措施具有一定指導價值。

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Research on the Relationship between the Excitation Loadsof Diesel Engine and Structural Vibration Signal Characteristics

Du Xianfeng1，2，3，Liang Xingyu2，LiZhiyong3
1-Automobile Vibration and Noise Engineering Technology Research Center of Liaoning Province，Liaoning University of Technology（Jinzhou，Liaoning，121001，China）；2-State Key
Laboratory of Engines，Tianjin University；3-NationalEngineering Research Centerof Dongfeng Chaoyang DieselCo.，Ltd

Establish the virtual simulation platform of six-cylinder diesel engine based on themulti-body dynamics and finite elementmethod，and verify the reasonableness of the virtual simulation platform through the comparison of the experimental test results and simulation data.Meanwhile，calculate each measured pointsvibration response under the roleof the fire excitation force，lateral force andmain bearing force，and analyze the difference of the vibration response signals of different measured points under differentexcitation forces，and analyze the responseand impactof themechanism ofpiston slap of the three distinct peaks in one work cycle，and the time-frequency characteristics and energy value of piston side force.The results show that virtual simulation method and time-frequency technology effectively characterize the affection relationship between the various loads and structural vibration excitation signal characteristics，and the results avoids the influence of signalor signalexcitation source，and have certain guiding value for the developmentofvibration and noise reductionmeasures.

Excitation loads，Vibration signal，Virtualsimulation，Dieselengine

TK413

A

2095-8234（2015）01-0025-06

遼寧省博士啟動基金項目（20141200）。

杜憲峰（1984-），男，副教授，博士，主要研究方向為柴油機振動噪聲與排放控制研究。

（2014-12-01）