重型發(fā)動機臺架異常振動分析與改善

梁大平 鄭永明 宋 東 劉典云

（中汽研汽車檢驗中心（昆明）有限公司，昆明 651701）

發(fā)動機臺架由測功機、發(fā)動機、連接軸、鐵地板、臺架小車和減振裝置等單元組成，如圖1所示。臺架系統(tǒng)的振動模型較為復(fù)雜，影響因素多，且各單元之間相互作用。在進行發(fā)動機臺架試驗時，試驗平臺會產(chǎn)生很大的振動，如不采取相應(yīng)的隔振措施，會對周圍的精密儀器和儀表的正常使用、工作環(huán)境和建筑設(shè)施等帶來不良影響[1]。

圖1 發(fā)動機臺架系統(tǒng)

該臺架配備了HORIBA的HD576電力測功機和EME的臺架小車。某重型發(fā)動機在該臺架開展試驗時出現(xiàn)了強烈的異常振動，尤其是轉(zhuǎn)速為1 300 r·min-1、1 700 r·min-1和1 800 r·min-1時，振動最強烈，測量結(jié)果如圖2所示。為了保護測試設(shè)備和樣品，在測功機上安裝了3個振動傳感器，設(shè)置了振動限值（報警值為8 mm·s-1），結(jié)果發(fā)動機測試扭矩無法達到目標扭矩，導(dǎo)致試驗無法開展。為了快速解決臺架異常振動，采用異常振動故障樹分析法，計算了連接軸與臺架系統(tǒng)的匹配，分析了臺架系統(tǒng)的振動主要激勵源和鐵地板質(zhì)量等減振基礎(chǔ)的影響，通過更換連接軸、空氣彈簧以及采用性能更優(yōu)異的減振塊等措施來改善異常振動，使振動控制在可接受范圍內(nèi)，并按計劃開展了該發(fā)動機的臺架試驗。

圖2 臺架出現(xiàn)異常振動

1 異常振動原因分析

從基本形式來看，發(fā)動機與測功機在試驗臺上通過彈性連接軸構(gòu)成旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以簡化為由撓性軸連接的2個旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系統(tǒng)，通常稱為雙質(zhì)量系統(tǒng)[2]，如圖3所示，Ie為發(fā)動機端轉(zhuǎn)動慣量，Ib為測功機端轉(zhuǎn)動慣量，C為傳動軸剛度。

圖3 雙質(zhì)量系統(tǒng)

1.1 異常振動故障樹

故障樹分析是描述事故因果關(guān)系的有效方法，是系統(tǒng)安全工程中重要的分析方法之一，能識別評價各種系統(tǒng)的危險性。既適用于定性分析，又能進行定量分析。發(fā)動機臺架系統(tǒng)振動模型十分復(fù)雜，對各部分逐一分析，適合采用故障樹分析法[3]。

試驗臺架測功機振動大的原因很多。經(jīng)過系統(tǒng)分析，可能的原因有發(fā)動機扭振過大、發(fā)動機與測功機不對中、測功機存在機械松動、測功機軸承故障、測功機定子故障、測功機轉(zhuǎn)子故障、發(fā)動機部件運動導(dǎo)致振動大、發(fā)動機標定導(dǎo)致振動大、臺架基礎(chǔ)減振差、減振裝置選用不合理、連接軸選用不合理以及旋轉(zhuǎn)件動不平衡等。它的故障樹分析如圖4所示。

圖4 故障樹法分析異常振動

1.2 連接軸匹配計算

在發(fā)動機臺架系統(tǒng)中，連接軸的匹配十分關(guān)鍵。既要可靠地傳遞扭矩，又要起到良好的減振作用，因此需要分析連接軸的振動。選用連接軸時，要根據(jù)發(fā)動機、測功機和試驗要求合理選用，并盡可能避免在發(fā)動機整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)生共振。從雙質(zhì)量系統(tǒng)扭振入手，主要考慮共振頻率和臨界轉(zhuǎn)速，再確認選用的連接軸。連接軸參數(shù)見表1。

表1 連接軸參數(shù)

圖3的發(fā)動機與測功機雙質(zhì)量系統(tǒng)本身具有形成扭轉(zhuǎn)振動的傾向。2個旋轉(zhuǎn)質(zhì)量可能會沿軸的某一位置上圍繞中心點產(chǎn)生超過180°的相位振動，這種扭轉(zhuǎn)振動的共振頻率fc為[4]：

如果該無阻尼系統(tǒng)受到一個頻率為f的恒定幅度激振扭矩的作用，隨著頻率增加，當f=fc時，振幅變成無限大，此時軸可能會斷裂。隨著頻率的進一步增加，振幅會下降，且在時降到靜態(tài)變形的程度。

對于六缸四沖程發(fā)動機來說，它對應(yīng)的發(fā)動機臨界轉(zhuǎn)速nc為：

為保證臨界轉(zhuǎn)速位于發(fā)動機正常工作轉(zhuǎn)速范圍以外，一般將臨界轉(zhuǎn)速設(shè)定在發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速nidle以下，即：

按照式（1）、式（2）和式（3），對連接軸的匹配進行理論計算，結(jié)果如圖5所示。計算轉(zhuǎn)速在發(fā)動機正常工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，連接軸與臺架系統(tǒng)不存在共振，選用合理。

圖5 連接軸匹配計算結(jié)果

1.3 測功機異常振動分析

從故障樹看，測功機端振動大有軸和聯(lián)軸器振動大和測功機本體振動大兩種情況。從理論計算結(jié)果得知，連接軸與臺架系統(tǒng)不存在共振，只需要分析測功機本體振動。由于HD576測功機剛安裝和調(diào)試完成，設(shè)備狀態(tài)很好，因此可以排除是軸承故障或機械松動導(dǎo)致的機械振動大。測功機出廠前進行嚴格的出廠檢查，包括電氣、機械和振動等項目，同樣可以排除由定子故障或轉(zhuǎn)子故障導(dǎo)致的電氣振動大。為了驗證以上分析，對測功機無負荷狀態(tài)做自由滑行試驗。該發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速為1 800 r·min-1。考慮測功機從1 900 r·min-1開始滑行，測量結(jié)果見圖6，最大振動出現(xiàn)在1 700～1 800 r·min-1，最大值小于1.3 mm·s-1，和出廠結(jié)果一致，因此測功機本體未出現(xiàn)異常振動，以上分析合理。每次發(fā)動機臺架安裝時都要使用激光對中儀對中，因此不存在聯(lián)軸器不對中的情況。從連接軸匹配理論計算結(jié)果和測功機自由滑行結(jié)果可知，測功機端未出現(xiàn)異常振動。

圖6 HD576測功機自由滑行振動測量

1.4 發(fā)動機端振動分析

該發(fā)動機在其他試驗室也做過很多試驗，未出現(xiàn)異常振動問題，因此可以排除由曲軸扭振或旋轉(zhuǎn)件動不平衡造成的異常振動。該發(fā)動機主要做穩(wěn)態(tài)試驗，穩(wěn)態(tài)工況出現(xiàn)異常振動，同樣可以排除是標定map不平滑和各缸均勻性差造成的異常振動。但是，該發(fā)動機最大爆發(fā)壓強為 25 MPa，升功率達到了33.5 kW·L-1。較大的爆發(fā)壓強在軸系中容易產(chǎn)生扭振，因此需要減振效果很好的連接軸和減振塊。

1.5 臺架基礎(chǔ)振動分析

臺架鐵地板圖紙，如圖7所示。長度為4.9 m，寬度為1.9 m， 高度為0.32 m。按照圖紙尺寸計算鐵地板質(zhì)量，約為8 t。對于接近1.5 t的重型發(fā)動機，鐵地板的質(zhì)量只有其5倍，再加上接近2 t的測功機，鐵地板的質(zhì)量小于兩者質(zhì)量之和的3倍。顯然，臺架的鐵地板質(zhì)量偏輕，無法很好地衰減發(fā)動機和測功機傳遞過來的振動。發(fā)動機運轉(zhuǎn)時用振動儀測量發(fā)現(xiàn)，鐵地板垂直方向的振動很大，沒有起到很好的減振作用，因此考慮在鐵地板上方增加配重。

圖7 鐵地板圖紙

分析可知，測功機不是振動的激勵源。發(fā)動機氣缸內(nèi)工質(zhì)膨脹做功，呈周期性進行。曲柄連桿結(jié)構(gòu)受周期性的載荷沖擊[5]，氣缸受到氣體的高頻振動，機體上的零部件也隨之振動，因此發(fā)動機才是主要的激勵源。發(fā)動機產(chǎn)生的振動沿著連接軸傳遞給測功機，測功機再傳遞給鐵地板，同時振動通過減振塊傳遞給臺架小車和鐵地板。雖然聯(lián)軸器和減振塊的作用是減振，但是兩者的減振效果不佳。鐵地板是整個臺架系統(tǒng)減振的最后一步，若鐵地板減振效果不好，振動會繼續(xù)傳遞給鐵地板下方的彈簧，最后傳遞給混凝土基礎(chǔ)。

2 異常振動改善

深入分析臺架系統(tǒng)的振動后發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生異常振動的原因是聯(lián)軸器和減振塊的減振效果不佳和鐵地板質(zhì)量偏輕。不同原因需提供不同的解決方案。因此，通過更換減振塊、調(diào)換聯(lián)軸器安裝位置、增加鐵地板配重、更換空氣彈簧以及更換連接軸等方案逐步改善異常振動的情況。

2.1 更換減振塊

經(jīng)過臺架供應(yīng)商的推薦，得到了減振性能更優(yōu)異的減振塊，以此替換原來的減振塊。新減振塊的振動測試結(jié)果如圖8所示。相比原來的減振塊，發(fā)動機低轉(zhuǎn)速區(qū)減振效果更好，高轉(zhuǎn)速變化不大，且最大振動的轉(zhuǎn)速在轉(zhuǎn)移，實測扭矩與目標扭矩的百分比有所增加。該減振塊性能更優(yōu)異，但只更換減振塊振動改善不明顯。

圖8 更換減振塊的振動測試結(jié)果

2.2 鐵地板上增加配重

在調(diào)查異常振動原因時，已經(jīng)判斷該臺架配備的鐵地板質(zhì)量偏小。給鐵地板增加2 t配重（受空間限制），驗證鐵地板質(zhì)量是否偏小，測試結(jié)果如圖9所示。測試結(jié)果顯示，在鐵地板上增加配重，效果非常明顯。轉(zhuǎn)速為1 700 r·min-1和1 800 r·min-1的實測扭矩能達到目標扭矩的85%，其余轉(zhuǎn)速的實測扭矩均達到了目標扭矩，表明鐵地板質(zhì)量偏小，可見鐵地板未能很好地衰減發(fā)動機和測功機傳遞的振動，減振效果不理想。

圖9 鐵地板上增加配重振動測試結(jié)果

2.3 更換空氣彈簧

由于鐵地板安裝只能在試驗室基建時進行，二次更換鐵地板的可行性小。在鐵地板偏輕的情況下，只能采取一些補救措施，將鐵地板下方原有的6個空氣彈簧更換為4個液壓吸振彈簧，測試結(jié)果如圖10所示。發(fā)動機實測扭矩均能達到目標扭矩，只有轉(zhuǎn)速為1 700 r·min-1的振動值超過8 mm·s-1，其余轉(zhuǎn)速振動均小于8 mm·s-1，振動曲線整體大幅下降。可見，這種方案的減振效果非常理想。

圖10 更換空氣彈簧振動測試結(jié)果

2.4 更換連接軸

解決異常振動的過程中，多次與發(fā)動機廠家工程師溝通得知，試驗室采用的是REICH的TOK 320.3連接軸。借用該軸進行驗證，測試結(jié)果如圖11所示。該軸的低轉(zhuǎn)速振動特性很好，1 500 r·min-1以下振動均小于4 mm·s-1，但是1 700 r·min-1時的振動依然最大，但低于9 mm·s-1。相比以上方案，異常振動又有了改善。從所有測試結(jié)果分析可知，2套連接軸在1 700 r·min-1時的振動同樣很大，與該發(fā)動機匹配度差，但異常振動得到了很好的改善，在可接受范圍內(nèi)，發(fā)動機可以開展試驗。

圖11 更換連接軸振動測試結(jié)果

3 結(jié)語

基于重型發(fā)動機臺架系統(tǒng)異常振動問題，以解決實際問題為導(dǎo)向，采用異常振動故障樹法，分析臺架系統(tǒng)各部分振動，找到了異常振動的原因，根據(jù)原因提供不同的解決方案，最終改善該臺架的異常振動，使得該發(fā)動機能夠按照計劃開展試驗。

分析解決異常振動的過程，總結(jié)如下。

（1）發(fā)動機臺架系統(tǒng)振動模型較為復(fù)雜，應(yīng)采用異常振動故障樹等方法逐個單元分析，最終找到原因，并根據(jù)原因提供相應(yīng)的解決方案。

（2）出現(xiàn)異常振動時，應(yīng)首先考慮連接軸的共振，并校核連接軸與臺架匹配的理論計算。

（3）減振塊和連接軸的減振性能對臺架系統(tǒng)振動影響很大。本文中采用的2套連接軸減振性能都不理想，若想大幅降低振動，需更換性能更優(yōu)異的連接軸。

（4）要合理設(shè)計重型發(fā)動機臺架的鐵地板，其質(zhì)量直接影響整個臺架系統(tǒng)的振動衰減。鐵地板質(zhì)量偏輕的情況下，采用液壓吸振彈簧能很好地改善振動。