基于階次分析方法解決柴油機拍振問題

陳俊杰，李松林，張發雄，王海鵬

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537000）

基于階次分析方法解決柴油機拍振問題

陳俊杰，李松林，張發雄，王海鵬

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537000）

運用階次分析方法解決柴油機“拍振”問題。通過振動分析中階次跟蹤技術，對出現“拍振”問題的柴油機進行振動測試研究，在結果分析中發現該柴油機轉速范圍內出現1.09階的異常階次，經對柴油機系統排查，發現原因是由發動機曲軸齒輪與空壓機齒輪的齒數比24:22所引起，修正齒數速比為1后，該型柴油機的“拍振”問題得到解決。本研究方法可以為其它機械類產品出現類似問題時提供參考。

振動與波；階次分析；拍振；齒輪速比；柴油機

隨著柴油機研究的不斷向前發展，不可避免會出現一些因設計而導致柴油機工作時出現異常的情況。本文對裝配玉柴某型6缸柴油發動機的輕型卡車駕駛室在柴油機怠速工況時出現明顯的“拍振”現象進行研究。該現象表現為在柴油機怠速轉速650 r/min時出現周期約為1秒鐘左右有規律的持續抖動，隨著柴油機轉速的增加駕駛室的抖動頻率加快，將柴油機轉速提升到1 000 r/min以上后駕駛室的抖動現象消失。本文通過對該型柴油機進行臺架振動測試，運用“階次分析技術”分析柴油機整機振動測試結果［1-2］，得到該型柴油機產生“拍振”現象的原因，提出解決方案，為以后其它機械類產品同樣問題提供了參考。以往研究此類“拍振”問題時，大多數采用仿真和理論分析相結合的方法［3-4］，運用階次分析方法主要解決噪聲問題。國外主要是分析儀器廠商根據不同的應用場景對階次跟蹤技術進行研究。如丹麥B&K公司在基于貝葉斯估計算法下成功實現了無轉速信號下對噪聲和振動階次分量的提取。NI公司采用Gabor變換的階次跟蹤方法也在無轉速計信號情況下成功提取了噪聲和振動的階次分量。

國內對階次分析在振動噪聲測試方面也有深入的研究。浙江大學的徐紅梅等采用階次分析方法以一臺車用四缸發電機為研究對象分析了發電機轉速對進氣噪聲的影響，從中分析出進氣噪聲的主要頻率成分及相應的噪聲源［5］。同濟大學的周冠嵩，應用階次分析方法對某五檔客車自動變速器進行噪聲測試，得到了不同檔位下相應的車廂聲壓級情況［6］。浙江大學的孔慶鵬等針對發電機變速階段的振動信號，通過Gabor變換以及滿足信號時域重構的對偶數雙正交條件，采用在時頻域進行帶通濾波的方法進行了階次跟蹤［7］。

1　拍振原理

柴油機在周期性運動時產生一個振動頻率，這個振動頻率跟柴油機的轉速有一定的關系。這個頻率在和其它柴油機附件的轉動頻率產生頻率相接近時，就會發生耦合振動［8］，當這兩個非常相近的振動頻率疊加時，就會產生“拍振”現象［9-11］。

圖1顯示了兩個頻率很接近的合成函數的振幅隨時間周期性的上升和下降。圖中實線和虛線分別顯示的是兩種不同頻率的函數。

圖1　兩個頻率接近函數的合成圖

當用兩個不同頻率的正弦函數重疊時，將會得到兩個頻率的和與差的合成。這個可以通過以下的三角函數的求和公式來表示

工程人員可以使用不同頻率之間重疊產生的“拍振”頻率來定義這種拍擊現象。“拍振”頻率可以用下面的公式給出

2　試驗條件及測試用柴油機

本文研究試驗用柴油機如圖2所示。

圖2　測試用柴油機

該柴油機基本參數為直列6缸柴油機，氣缸缸徑為108 mm，柴油機怠速轉速為650 r/min，標定轉速是2 300 r/min，額定功率為199 kW。

研究該柴油機出現異常振動現象的原因時，為得到準確的試驗結果，試驗在柴油機專用試驗臺架上進行，測試分為瞬態測試和穩態測試。瞬態工況為柴油機轉速范圍650 r/min～2 300 r/min內進行加速整機振動測試，穩態測試工況在柴油機轉速為650 r/min時的整機振動信號［12-13］。

試驗用測試設備分別為：B&K公司24通道PULSE3660C測試分析系統，傳感器的基本信息為：PCB加速度傳感器（3方向），靈敏度為10 mv/g，其質量為4 g。加速度傳感器與測試點的連接方式采用膠粘接。柴油機整機振動的測點位置如圖3所示。測點位置為柴油機的氣缸蓋前端。

圖3　柴油機測試點位置

3　測試結果及分析

對柴油機氣缸蓋前端測點位置的振動信號進行階次分析，為了得到更詳細的階次分析結果，采用分析頻率400 Hz，頻率分辨率0.625 Hz的分析設置。圖4所示為柴油機在怠速時整機振動的階次分析結果，從圖中可以發現有2個振動幅值比較大的階次，一個是柴油機正常的1階次振動，另一個出現的1.088階次整機振動不屬于柴油機本身的正常發火階次，且在1.088階次柴油機的整機振動幅值大于其本身的1階次振動幅值。由此推斷，柴油機在怠速工況時產生的1.088階次振動有可能是該機出現異常振動的原因。

圖4　柴油機怠速工況下階次分析圖

為研究該型柴油機的異常振動是否在怠速這一特定測試工況情況下出現的單一現象，對柴油機在其整個轉速范圍內進行整機振動測試，通過階次分析得到圖5所示的柴油機在轉速范圍內整機振動的三維坎貝爾圖。

圖5　柴油機加速工況下測點位置坎貝爾圖

從圖5的氣缸蓋在柴油機整個轉速范圍內的振動測試分析結果發現，如圖4一樣在柴油機的氣缸蓋位置出現了1階次和1.09階兩個比較大的振動階次，并且其1.09階次振動幅值比發動機的正常發火的1階次振動幅值大。由此可以確定，柴油機的異常振動現象在整個轉速范圍內是普遍現象，這說明可能是由于柴油機本身系統出現問題導致產生的。

圖6為柴油機穩態工況時，柴油機氣缸蓋位置的時域振動信號，通過對該信號進行研究，來確定該柴油機的異常振動是否為“拍振”現象，從圖中得到該振動信號的周期為1s，而柴油機怠速工況時其1階次頻率為

圖6　柴油機氣缸蓋前端位置振動時域圖

1.088階次頻率為

當這兩個非常接近的頻率同時產生時會發生耦合現象，會產生一個合成波型，合成波形的頻率為

波形周期為

這與圖6中測試得到的柴油機氣缸蓋位置振動時域信號波形的周期相吻合。

由此可以確定柴油機出現的異常振動為“拍振”，是由柴油機某一系統與本身的1階次發火頻率接近，出現頻率疊加而產生的現象。

4　對策

從圖4和圖5的振動分析結果得到是柴油機的某一運動旋轉附件的1階次振動頻率與柴油機本身的1階次振動頻率接近，導致柴油機產生“拍振”現象。

與該型柴油機直接相連的運動旋轉附件分別為噴油泵、凸輪軸、機油泵、空壓機。這些附件通過齒輪與柴油機曲軸齒輪相連接帶動轉動，附件齒輪與曲軸齒輪的齒數比如表1所示。

表1　柴油機附件與曲軸齒輪比

在表1中，曲軸齒輪與的齒數比空壓機系統齒輪為1.09與柴油機出現的異常1.088階次基本一致，說明有可能是空壓機系統的1階頻率與柴油機的1階頻率接近產生的“拍振”現象。

為了驗證這一觀點，將空壓機系統拆除后重新對柴油機進行相同工況下的振動測試試驗。圖7為拆掉空壓機系統前后在柴油機怠速工況下氣缸蓋位置振動的階次對比圖。通過對比可以發現拆掉空壓機系統后，怠速工況時柴油機1.088階次振動幅值基本降低為0，且此時柴油機的“拍振”現象也同時消失。

圖7　拆掉空壓機后怠速工況下柴油機階次對比圖

圖8為在柴油機整個轉速范圍內氣缸蓋前端位置振動分析坎貝爾圖發現拆掉空壓機系統后在該機整個轉速范圍內都沒有再出現1.09階次振動，進一步確認在柴油機整個轉速范圍內是由于空壓機系統導致該型柴油機產生“拍振”現象。

圖8　加速工況下柴油機測點位置坎貝爾圖

通過對圖7和圖8不同工況下振動測點試驗結果分析得到柴油機“拍振”現象是由于柴油機曲軸齒輪與空壓機齒輪的齒數比為1.09的原因引起的，解決方法是使空壓機與曲軸齒輪數比為1或者使其遠離1［14］。

選取的方案是將空壓機與曲軸的齒數比改為1，整改后，運行柴油機，未發現在柴油機整個轉速范圍內再出現“拍振”現象，問題得到解決。

5　結語

針對柴油機“拍振”的問題，通過運用階次分析的方法分析得到的柴油機在加速及怠速工況下的整機振動采集信號，得出以下結論：

（1）階次分析方法可以將柴油機在瞬態及穩態工況下的整機振動結果直觀表現出來。

（2）附件系統的1階轉動頻率接近柴油機本身的1階發火頻率時會導致柴油機產生“拍振”問題。

（3）更改附件系統1階轉動頻率與柴油機本身1階發火頻率相同后，有效地解決了柴油機“拍振”問題。這種方法為解決機械類產品出現類似問題時提供了參考。

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The Method to Solve Beat Vibration Problem for Diesel Engines Based on OrderAnalysis

CHEN Jun-jie，LI Song-lin，ZHANG Fa-xiong，WANG Hai-peng
（Engineering Research Institute，Guang’xi Yuchai Machinery Co.Ltd.，Yuling 537005，Guang’xi China）

The purpose of this study is to use order analysis method to solve the diesel engine’s beat vibration problem.Through the order tracking technology in vibration analysis，the vibration test method for the diesel engines with beat vibration problem is studied.In the engine speed range，the abnormal order of 1.09 is found through the analysis of the results.After scanning the diesel engine system，the reason of beat vibration is found to be the ratio of the engine crankshaft gear’s tooth number to the air compressor gear’s tooth number，24：22.By correcting the gear’s tooth number ratio to be 1，the beat vibration of the diesel engine disappears.The methods proposed in this paper appear to provide a reference for solving similar problems for other mechanical products.

vibration and wave；order analysis；beat vibration；gear ratio；diesel engine

O422.6

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.018

1006-1355（2016）05-0086-04

2016-04-01

陳俊杰（1989-），男，河南省漯河市人，碩士研究生。E-mail:172981435@qq.com

李松林（1966-），男，中國香港人，本科，NVH技術總師，主要從事發動機NVH方向研究。E-mail:lisonglin@yuchai.cn