柴油機曲軸扭振信號分析研究*

王東亮，尹新權，杜遙

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柴油機曲軸扭振信號分析研究*

王東亮，尹新權，杜遙

（蘭州工業學院汽車工程學院，甘肅 蘭州 730050）

以柴油機曲軸扭振信號分析原理為基礎，通過歸納從電平信號中獲取瞬時轉速信號的方法，運用Matlab編程工具對某小型柴油機曲軸的扭振測試信號進行分析研究。結果表明：在測試系統采樣頻率較高的情況下，采用兩點插值法計算得到的扭振瞬時轉速信號是比較理想的，并且從扭振瞬時轉速的波動上來看，柴油機高速工況的扭振更加強烈。

柴油機；MATLAB；扭轉振動；瞬時轉速；信號分析

前言

柴油機以其良好的經濟型和出色的動力性，在汽車、船舶、農機等許多行業都有非常廣泛的應用。特別是近年來隨著社會的發展和產業的進步，出現了許多新方法新技術，促使柴油機性能在不斷的提升。但是，伴隨著柴油機性能的提升，曲軸的機械負荷也在不斷增加，其在周期性變化的氣體力和慣性力的作用下，柴油機曲軸軸系的扭轉振動成為了愈加突出的問題[1]。

目前，針對柴油機扭振的研究已經相當廣泛，本文在此基礎上，以扭振測試為主要手段，運用Matlab編程工具對某小型柴油機曲軸的扭振信號進行分析研究，進一步明確了扭振信號的處理方法。

1 扭振信號分析原理

柴油機曲軸的扭振，會引起旋轉軸系承受較大的附加力矩，這種具有隱蔽性的危害，隨著時間的累積，嚴重時可能導致軸的斷裂[2]。工程技術人員為了對其進行分析研究，多采取測試手段，獲取軸系的扭振信號。然后，通過信號處理方法，分析被測設備的扭振危害程度。

1.1 扭振信號特征

根據測試方法的不同，扭振信號可表現出不同的特點，此處為了說明扭振信號分析的基本原理，采用圖1所示的方波信號示意圖。圖1(a)所示為曲軸無扭振時的信號，t=t+1，可見相鄰波形的時間歷程是相等的。圖1(b)所示為曲軸有扭振時的信號，t≠t+1，可見相鄰波形的時間歷程是不相等的。

(a) 曲軸無扭振時 (b) 曲軸有扭振時

如果從轉速的角度來比較，則當扭振發生時，軸系產生了不均勻的瞬時轉速，即存在顯著的轉速波動成分。

1.2 扭振信號分析原理

綜上所述，可見發動機軸系在旋轉運動中，包含了勻速轉動和扭轉波動兩種成分。所以，扭振信號分析的目的就是獲取扭轉波動的成分，也就是說將扭振信號從軸系轉動的信號中分離出來[3]。

為了從電平信號中得到扭振瞬時轉速信息，通常可選取相鄰脈沖上升沿基準電平附近的一些點，通過插值或曲線擬合方法求取基準電平所對應的時刻t，同樣可求得上一個脈沖或下一個脈沖所對應的時刻t1或t1，如圖2所示。

圖2 柴油機曲軸自由端4個齒的電壓脈沖信號

于是，相鄰脈沖信號在基準電平處所對應的時間差為△t=t1-t。那么，△t對應的瞬時角速度可用式(1)表示：

式中，為扭振測量齒盤的齒數。

2 柴油機扭振試驗

被測機型為一臺小型柴油機，在試驗臺架上進行測試，其主要技術參數見表1。

表1 柴油機主要技術參數

本次扭振測試系統由兩套扭振測量裝置（包括測量齒盤、磁電傳感器、數據傳輸線等）和一套采集系統（UDAQ-20612/ 4CH便攜式數據采集器和一臺便攜式計算機）組成。系統的采樣頻率為250kHz，圖3所示。

由于柴油機本身的結構所限，測點不可能布置在軸系的中間部位，所以分別在曲軸自由端和輸出端設置了測點。

實驗測點布置完成后，經過傳輸線連接并進行試采集，通道CH1為自由端信號，通道CH2為輸出端信號。柴油機設定為900-2800r/min的提速工況。圖4所示為信號的測試現場。

圖4 曲軸自由端的扭振電壓信號

3 扭振信號的分析

3.1 扭振角分辨率

隨著柴油機曲軸的旋轉，扭振測試齒盤每轉過一個齒，磁電傳感器便會輸出一個脈沖信號，該信號被A/D采集卡實時獲取。如果將每一個齒所對應脈沖信號的采集點數用m來表示，則m取決于曲軸的轉速n、測量齒盤齒數z以及采樣頻率，可用式(2)表示：

由此結合測試柴油機最低穩定轉速900r/mln和最高運行轉速2800r/min，可知對應的最低穩定轉速下的扭振角分辨率為0.0216度，最高穩定轉速下的扭振角分辨率為0.0672度。

3.2 瞬時轉速信號

柴油機曲軸扭振采集系統獲得的電平信號如圖5所示，可通過編程將其導入Matlab進行分析。

圖5 曲軸自由端的扭振電壓信號

相關研究結果已經表明[5]，在△t的計算過程中，如果采用計算時間較短的兩點插值法，則當采樣頻率為50KHz時，計算結果可以接受，當采樣頻率為100KHz時，計算結果已經非常理想。考慮到本次測試的采樣頻率為250KHz，因此為了減少計算量，采用了兩點插值法求取基準電平時刻。然后，通過式(1)求得的瞬時轉速曲線如圖6所示。

圖6 曲軸自由端瞬時轉速信號

由計算結果可知，在測試系統采樣頻率較高（大于100kHz）的前提下，采用兩點插值法計算得到的扭振瞬時轉速信號是比較理想的。

3.3 曲軸轉速波動曲線

如圖7所示為0.2s的瞬時轉速信號，可見在提速工況的扭振信號中存在趨勢項，它表示了曲軸的角轉速隨曲軸轉角的變化關系。測試信號中趨勢項的存在，會導致信號分析的結果產生很大的誤差，甚至使低頻的幅頻特性嚴重失真，失去研究意義，所以在扭振分析中必須去除趨勢項。

圖7 扭振瞬時轉速信號中的趨勢項

圖8 柴油機曲軸轉速波動曲線

扭振信號中趨勢項的去除方法有很多[2,4]，本文采用最小二乘法擬合多項式進行去除趨勢項，由此得到的曲軸轉速波動曲線如圖8所示。

由計算結果可知，柴油機曲軸扭振信號的轉速波動成分相對較大，在低速（1000r/min）時刻的波動值可達±50r/min。并且隨著轉速的上升，這種波動程度在逐漸加劇，也就是說柴油機高速工況的扭振更加強烈。

4 結語

（1）通過Matlab編程工具對柴油機曲軸扭振信號進行處理分析，能夠獲得良好的效果。

（2）在測試系統采樣頻率較高（大于100kHz）的前提下，采用兩點插值法計算得到的扭振瞬時轉速信號是比較理想的。

（3）柴油機曲軸扭振信號的轉速波動成分相對較大，在低速（1000r/min）時刻的波動值可達±50r/min。并且隨著轉速的上升，這種波動程度在逐漸加劇，也就是說柴油機高速工況的扭振更加強烈。

[1] 李玉梅,華春蓉,閆兵.內燃機軸系扭振測試方法研究[J].車用發動機,2010,186(1):77-80.

[2] 王井新.內燃機軸系振動測量技術研究[D].成都:西南交通大學, 2010.

[3] 李連.車輛動力系統扭振分析與測試[J].汽車實用技術,2017(8), 130-132.

[4] 李松和.內燃機曲軸軸系扭振數字化測試系統[D].杭州:浙江大學,2005. 22-23.

[5] 孫云嶺,樸甲哲,張永祥.插值算法在內燃機瞬時轉速測量中的應用研究.內燃機學報,2002,20(4):335-338.

Research on Torsional Vibration Signal Analysis of Diesel Engine Crankshaft*

Wang Dongliang, Yin Xinquan, Du Yao

（Department of Automobile Engineering, Lanzhou Institute of Technology, Gansu Lanzhou 730050）

Based on the principle of diesel crankshaft torsional vibration signal analysis, it has generalized the method of obtaining transient rotation speed signal from level signal and used Matlab programming tool to analyze the torsional vibra -tion test signal of the small diesel engine crankshaft. The results show that the transient rotation speed signal of torsional vibration is desired calculated by two-point interpolation method, when the sampling frequency is high. From the fluctuation of torsional vibration instantaneous speed, the torsional vibration of diesel engine at high speed is more intense.

diesel engine; MATLAB; torsional vibration; transient rotation speed; signal analysis

TB533

A

1671-7988(2018)21-86-03

TB533

A

1671-7988(2018)21-86-03

王東亮（1988-），男，助教，碩士，研究方向為振動噪聲控制。工作單位：蘭州工業學院。

甘肅省高等學校科研項目，項目編號：2016B-113。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.030