柴油機(jī)后蓋板總成異響特性識(shí)別研究

孟浩東，展杰，王勇，張忠，程用科，戴旭東

(1.常州工學(xué)院，江蘇 常州 213032；2.江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.常柴股份有限公司，江蘇 常州 213002)

單缸柴油機(jī)后蓋板總成包括后蓋板、起動(dòng)電機(jī)、電機(jī)托架板以及后蓋板上布置的油路系統(tǒng)與調(diào)壓裝置等，其安裝在機(jī)體的正面，主要起到油路潤(rùn)滑、密封以及承載電機(jī)等作用。后蓋板總成可看作平板薄壁結(jié)構(gòu)鑄件，由于其表面輻射面積大、結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)薄弱以及隔聲效果差等原因，易受燃燒與機(jī)械激勵(lì)引起結(jié)構(gòu)表面輻射較大噪聲，同時(shí)當(dāng)噪聲能量頻帶集中在人耳敏感頻率區(qū)域時(shí)產(chǎn)生異響，嚴(yán)重影響主觀舒適性。

相比人工聽(tīng)診法、時(shí)域狀態(tài)參數(shù)統(tǒng)計(jì)法、頻域分析法、模態(tài)分析法等傳統(tǒng)的柴油機(jī)異響識(shí)別方法[1-3]，基于現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的同步壓縮小波變換(Synchrosqueezed Wavelet Transform，SWT)、經(jīng)驗(yàn)小波變換、改進(jìn)的希爾伯特-黃變換等時(shí)頻分析法更適用于柴油機(jī)非平穩(wěn)時(shí)變振聲信號(hào)的時(shí)頻域局部化信息特征提取，能消除其他噪聲干擾，提高對(duì)異響的檢測(cè)與辨識(shí)能力。文獻(xiàn)[4]采用SWT有效提取了瞬態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)連桿軸承磨損故障的特征頻率，相比小波變換與希爾伯特-黃變換方法，SWT具有更高的時(shí)頻分辨率；文獻(xiàn)[5]提出利用經(jīng)驗(yàn)小波變換結(jié)合同步壓縮變換有效表征了內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻特性，且時(shí)頻分辨率高，噪聲抑制效果明顯；文獻(xiàn)[6]提出了一種基于變分模態(tài)分解與交叉小波變換的方法，提取了柴油機(jī)燃燒周期瞬態(tài)振動(dòng)沖擊特征，有效識(shí)別了強(qiáng)噪聲干擾下柴油機(jī)失火故障；文獻(xiàn)[7]提出了一種基于集總平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒ǖ母倪M(jìn)的希爾伯特-黃變換技術(shù)，有效識(shí)別了柴油機(jī)動(dòng)力總成異振源與齒輪室總成異響源的時(shí)頻特征。

本研究針對(duì)某型單缸柴油機(jī)在標(biāo)定工況下正面產(chǎn)生異響的問(wèn)題，采用近場(chǎng)聲壓陣面法定位鑄鐵后蓋板總成異響輻射部件，給出同步壓縮-交叉小波變換(Synchrosqueezed-Cross Wavelet Transform，SCWT)識(shí)別后蓋板總成激勵(lì)與異響的時(shí)頻相關(guān)特征，并結(jié)合模態(tài)分析方法進(jìn)一步研究后蓋板總成結(jié)構(gòu)聲振響應(yīng)特性與其模態(tài)特性之間的相關(guān)性，在找到導(dǎo)致后蓋板異響的薄弱環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上進(jìn)行托板與加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)消除后蓋板異響。

1 柴油機(jī)后蓋板總成異響的試驗(yàn)分析

1.1 同步壓縮-交叉小波變換原理概述

SWT方法[8]是以小波變換為基礎(chǔ)的一種頻率壓縮重組分析算法，首先對(duì)信號(hào)x(t)進(jìn)行連續(xù)小波變換，定義為

(1)

式中：a為尺度因子；b為平移因子；t為時(shí)間；ψ*(t)為小波基ψ(t)的共軛。

然后，對(duì)小波系數(shù)Wx(a，b)計(jì)算其瞬時(shí)頻率：

(2)

通過(guò)上式建立了(a,b)→(ωx(a,b)，b)的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)小波系數(shù)從時(shí)間-尺度分布向時(shí)間-頻率分布轉(zhuǎn)變，SWT方法通過(guò)壓縮小波系數(shù)Wx(ωx(a,b)，b)在任一中心頻率ω1附近[ω1-0.5Δω，ω1+0.5Δω]值，獲得同步壓縮小波變換系數(shù)Tx(ω1,b)。

最終同步壓縮小波系數(shù)計(jì)算結(jié)果為

(3)

式中：A(b)={a;Wx(a,b)≥γ}，通常閾值γ設(shè)定與信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)及噪聲方差有關(guān)。

對(duì)于兩個(gè)信號(hào)x(t)和y(t)，其同步壓縮-交叉小波變換系數(shù)計(jì)算式為

(4)

因此，結(jié)合SWT方法高分辨率的優(yōu)勢(shì)和CWT方法高信噪比的優(yōu)點(diǎn)，SCWT方法不僅可以獲得兩個(gè)非平穩(wěn)時(shí)變信號(hào)之間的時(shí)頻相關(guān)性、精準(zhǔn)定位反映兩者共同能量分布的特征頻率，而且還能有效抑制其干擾噪聲。

本研究針對(duì)后蓋板總成在標(biāo)定工況下產(chǎn)生的異響問(wèn)題，融合近場(chǎng)聲壓陣面法、同步壓縮-交叉小波變換法及模態(tài)分析法進(jìn)行其異響特性識(shí)別研究，具體識(shí)別流程如圖1所示。

圖1 后蓋板總成異響識(shí)別流程

1.2 后蓋板總成聲振特性試驗(yàn)分析

研究對(duì)象為某單缸四沖程直噴柴油機(jī)，缸徑為115 mm，在標(biāo)定工況下轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，功率為17 kW。柴油機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)室的聲學(xué)環(huán)境滿足工程測(cè)試要求，其中進(jìn)排氣噪聲引出室外。在上述聲學(xué)環(huán)境與工況下，利用LMS Test.Lab振動(dòng)噪聲測(cè)試系統(tǒng)對(duì)距柴油機(jī)后蓋板表面10 cm的陣面上4×8個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行近場(chǎng)聲壓陣面掃描，獲取其A計(jì)權(quán)聲壓分布云圖，結(jié)果如圖2所示。

從圖中分析可知，在標(biāo)定工況下，柴油機(jī)正面輻射噪聲最大的部件為后蓋板，其中下側(cè)聲壓級(jí)最大達(dá)到109 dB，同時(shí)噪聲主觀評(píng)價(jià)為刺耳的高頻異響。柴油機(jī)寬頻燃燒激勵(lì)與機(jī)械激勵(lì)通過(guò)機(jī)體傳遞至后蓋板總成，后蓋板作為典型的平板薄壁件又承載質(zhì)量較大的起動(dòng)電機(jī)，其剛度薄弱結(jié)構(gòu)易受激勵(lì)產(chǎn)生共振異響。

圖2 后蓋板近場(chǎng)聲壓測(cè)點(diǎn)與分布云圖

為進(jìn)一步識(shí)別后蓋板總成異響特性，在上述臺(tái)架狀態(tài)與工況條件下，在后蓋板上布置振動(dòng)加速度傳感器以及近場(chǎng)布置聲學(xué)傳感器，同時(shí)獲取后蓋板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與異響信號(hào)。采用基于Morlet小波的同步壓縮-交叉小波變換方法對(duì)兩者進(jìn)行時(shí)頻相關(guān)性分析，結(jié)果如圖3所示。在標(biāo)定工況下，單缸四沖程柴油機(jī)燃燒爆發(fā)周期為0.055 s，發(fā)火基頻為18.33 Hz。

從圖3a與圖3b中分析可知，后蓋板總成受燃燒爆發(fā)壓力與機(jī)械沖擊激勵(lì)，振動(dòng)響應(yīng)能量主要集中在2 000～3 000 Hz中高頻帶范圍內(nèi)；異響能量主要集中在以2 100 Hz為中心頻率的人耳敏感頻帶范圍內(nèi)，兩者都呈現(xiàn)出相同的周期瞬態(tài)特性。再結(jié)合圖3c分析可知，兩者在以2 100 Hz為中心頻率的頻帶區(qū)域內(nèi)有共同的集中能量而表現(xiàn)出較好的時(shí)頻相關(guān)特性，其中虛線部分表示的是同步壓縮-交叉小波能譜分析結(jié)果，說(shuō)明柴油機(jī)寬帶激勵(lì)后蓋板總成結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其產(chǎn)生異響。而在此工況下正時(shí)齒輪嚙合頻率、氣門(mén)落座沖擊頻率等特征頻率都小于1 000 Hz，進(jìn)一步說(shuō)明后蓋板總成產(chǎn)生了以某階結(jié)構(gòu)模態(tài)為主導(dǎo)地位的共振異響。

另外，相比較CWT時(shí)頻圖，傳統(tǒng)交叉小波變換后產(chǎn)生了時(shí)頻模糊現(xiàn)象，導(dǎo)致時(shí)頻聚集性差，無(wú)法有效提取異響與激勵(lì)源響應(yīng)的時(shí)頻相關(guān)特征；而SCWT方法能有效減小瞬時(shí)頻率曲線畸變，改善尺度方向模糊，提高兩者時(shí)頻相關(guān)聚集性和可讀性。

采用脈沖激振法進(jìn)行裝配條件下后蓋板總成的頻響函數(shù)分析，結(jié)果如圖4所示。從圖中分析可知，后蓋板總成結(jié)構(gòu)存在某階以2 100 Hz為主導(dǎo)的約束模態(tài)中心頻率，其頻帶覆蓋了2 000～2 500 Hz的半功率帶區(qū)間，頻響函數(shù)試驗(yàn)分析結(jié)果與基于SCWT方法識(shí)別結(jié)果相吻合，進(jìn)一步說(shuō)明后蓋板總成主模態(tài)頻率區(qū)間落入柴油機(jī)燃燒與機(jī)械激勵(lì)頻率區(qū)間，導(dǎo)致了后蓋板總成結(jié)構(gòu)共振，產(chǎn)生了異響。又由于人耳對(duì)此頻率成分較敏感，因此消除后蓋板總成異響的關(guān)鍵是避開(kāi)結(jié)構(gòu)共振模態(tài)，以降低敏感頻帶的振聲能量。

圖3 后蓋板振動(dòng)與異響信號(hào)時(shí)頻圖

圖4 后蓋板總成頻響函數(shù)

2 柴油機(jī)后蓋板總成異響的仿真分析

2.1 后蓋板總成的有限元仿真模型

根據(jù)后蓋板總成異響識(shí)別試驗(yàn)分析結(jié)果，采用有限元計(jì)算模態(tài)分析方法進(jìn)行后蓋板總成結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性分析，找到導(dǎo)致結(jié)構(gòu)共振的薄弱環(huán)節(jié)，改進(jìn)設(shè)計(jì)消除異響。首先建立由后蓋板、起動(dòng)電機(jī)及其拖架板、加強(qiáng)筋等組成的后蓋板總成仿真計(jì)算模型，其中起動(dòng)電機(jī)采用柱體等效質(zhì)量塊。然后選擇長(zhǎng)度為4 mm的四面體單元進(jìn)行灰鑄鐵后蓋板總成網(wǎng)格劃分，獲得其有限元網(wǎng)格模型，如圖5a所示。同時(shí)為進(jìn)一步分析比較單缸柴油機(jī)鑄鐵后蓋板(電起動(dòng)型)與鑄鋁后蓋板(手搖起動(dòng)型，不帶起動(dòng)電機(jī))的動(dòng)態(tài)特性，同樣建立該機(jī)型鑄鋁后蓋板總成的有限元仿真模型，如圖5b所示。

圖5 后蓋板總成有限元模型

2.2 后蓋板總成的計(jì)算模態(tài)分析

為模擬后蓋板總成與實(shí)際工作相符的約束狀態(tài)，約束了用于連接機(jī)體的6個(gè)螺栓孔處的自由度，采用子空間迭代法[9]分別對(duì)兩種后蓋板總成結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束模態(tài)計(jì)算，比較不同裝配條件下后蓋板總成的模態(tài)特性。部分計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1和圖6。

從鑄鐵后蓋板總成約束模態(tài)求解結(jié)果分析可知，結(jié)構(gòu)第10階模態(tài)頻率為2 093.3 Hz，接近共振頻率2 100 Hz，其主振型表現(xiàn)為平板彎曲振型，尤其在平板中下側(cè)變形相對(duì)較大。由鑄鋁后蓋板求解結(jié)果可知，其第一階約束模態(tài)頻率達(dá)到2 376.9 Hz，避開(kāi)了結(jié)構(gòu)共振頻率。

因此，仿真計(jì)算與試驗(yàn)分析結(jié)果相吻合，后蓋板總成結(jié)構(gòu)的第10階約束模態(tài)是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)共振的關(guān)鍵模態(tài)，其平板型結(jié)構(gòu)以及承載起動(dòng)電機(jī)的托架板是影響結(jié)構(gòu)剛度的薄弱環(huán)節(jié)。

表1 兩種后蓋板總成結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率

圖6 兩種后蓋板總成結(jié)構(gòu)的主振型圖

3 柴油機(jī)后蓋板總成結(jié)構(gòu)的改進(jìn)分析

根據(jù)試驗(yàn)與仿真分析結(jié)果，要消除鑄鐵后蓋板在標(biāo)定工況下產(chǎn)生的異響，必須避開(kāi)結(jié)構(gòu)共振頻率區(qū)間，改進(jìn)其薄弱環(huán)節(jié)。本研究采取增加后蓋板總成局部剛度的措施，來(lái)提高后蓋板總成的第10階約束模態(tài)頻率。在后蓋板正面設(shè)計(jì)兩個(gè)對(duì)稱的托架板來(lái)固定懸臂梁式起動(dòng)電機(jī)，以提高其支承剛度；采用在后蓋板背面設(shè)計(jì)縱橫加強(qiáng)筋的綜合措施來(lái)提高后蓋板總成的彎曲剛度。后蓋板總成改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 后蓋板總成改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)對(duì)比

采用上述方法對(duì)改進(jìn)后的后蓋板總成模型進(jìn)行約束模態(tài)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2和圖8。從改進(jìn)效果分析可知，針對(duì)鑄鐵后蓋板總成進(jìn)行電機(jī)托架板與后蓋板加強(qiáng)筋改進(jìn)設(shè)計(jì)后，后蓋板總成質(zhì)量雖然增加了0.33 kg，但是其結(jié)構(gòu)剛度及固有頻率都得到了明顯提高，其中第10階約束模態(tài)頻率提高了788.5 Hz，其結(jié)構(gòu)固有頻率區(qū)間避開(kāi)了共振頻率區(qū)間，主振型相對(duì)變形量也減小。另外，改進(jìn)結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)后蓋總成裝配產(chǎn)生干涉影響，說(shuō)明改進(jìn)設(shè)計(jì)方案可行。

表2 后蓋板改進(jìn)前后模態(tài)頻率比較

圖8 改進(jìn)鑄鐵后蓋板的第10階振型

為進(jìn)一步間接說(shuō)明鑄鐵后蓋板總成結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算結(jié)果的合理性與準(zhǔn)確性，采用SCWT方法進(jìn)行標(biāo)定工況下鑄鋁后蓋板振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)與噪聲信號(hào)的時(shí)頻相關(guān)性分析，結(jié)果如圖9所示。

從圖9分析可知，在標(biāo)定工況下，鑄鋁齒輪室蓋振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)與噪聲信號(hào)相關(guān)特征頻率為73.33 Hz，這是由于單缸柴油機(jī)2階不平衡往復(fù)慣性力引起的。結(jié)合鑄鋁后蓋板仿真計(jì)算結(jié)果可知，其不存在以2 100 Hz為中心頻率的結(jié)構(gòu)主模態(tài)，避開(kāi)了柴油機(jī)在此工況下對(duì)應(yīng)的激振力頻率區(qū)間，因此鑄鋁后蓋板不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)共振異響，試驗(yàn)與仿真結(jié)果相吻合。下一步將根據(jù)改進(jìn)鑄鐵后蓋板的仿真計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)控制其異響并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖9 鑄鋁后蓋板振聲信號(hào)SCWT時(shí)頻圖

4 結(jié)論

a) 將同步壓縮-交叉小波變換與有限元計(jì)算模態(tài)分析方法相結(jié)合，有效提取了后蓋板總成異響與其激勵(lì)響應(yīng)的時(shí)頻相關(guān)特征，識(shí)別了后蓋板總成異響的固有特性，找出了結(jié)構(gòu)異響與結(jié)構(gòu)模態(tài)的相關(guān)性，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)消除異響；

b) 在標(biāo)定工況下，鑄鐵后蓋板總成是單缸柴油機(jī)正面的主要輻射部件，其結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)與表面輻射噪聲時(shí)頻相關(guān)能量主要集中在以2 100 Hz為中心頻率的人耳敏感頻帶范圍內(nèi)，其中結(jié)構(gòu)共振是其產(chǎn)生異響的主導(dǎo)因素，消除鑄鐵后蓋板總成異響的關(guān)鍵是避開(kāi)結(jié)構(gòu)共振模態(tài)頻率產(chǎn)生的異響能量；

c) 鑄鐵后蓋板總成的第10階主約束模態(tài)頻率是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)共振異響的關(guān)鍵；通過(guò)設(shè)計(jì)后蓋板起動(dòng)電機(jī)的托架板以及布置縱橫加強(qiáng)筋，增強(qiáng)了后蓋板總成整體結(jié)構(gòu)剛度，其中主約束模態(tài)頻率提高了

788.5 Hz，避開(kāi)了共振頻率區(qū)間，仿真計(jì)算結(jié)果可用于指導(dǎo)后期控制后蓋板異響。