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        柴油機缸內(nèi)燃燒激勵的振動響應(yīng)機理研究

        2014-03-04 09:12:20劉建敏李曉磊喬新勇李春日
        車用發(fā)動機 2014年3期
        關(guān)鍵詞:振動信號

        劉建敏,李曉磊,2,喬新勇,李春日,郭 巍

        (1.裝甲兵工程學(xué)院機械工程系,北京 100072;2.解放軍77160部隊,四川 犍為 614400;3.解放軍66325部隊,北京 102202;4.成都軍區(qū)成都羊市街離職干部休養(yǎng)所,四川 成都 610015)

        柴油機燃燒激振是引起機體振動的主要激勵源,它是由燃油急速燃燒形成局部高壓,并向四周傳播而引起的沖擊。柴油機爆發(fā)階段的振動信號蘊涵豐富的特征信息,是缸內(nèi)燃燒過程的間接反映,在柴油機的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中得到廣泛應(yīng)用,如爆發(fā)階段的振動信號可以用于診斷燃油系統(tǒng)、燃燒室系統(tǒng)和活塞環(huán)等故障[1-2],而用于柴油機缸內(nèi)壓力識別是爆發(fā)階段信號另一主要用途。文獻(xiàn)[3-4]利用振動加速度信號檢測爆震或失火故障,文獻(xiàn)[5-6]利用振動加速度信號識別缸內(nèi)壓力信號,進(jìn)而評價缸內(nèi)燃燒狀態(tài)。由于柴油機振動信號的復(fù)雜性,目前的應(yīng)用研究往往繞開柴油機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,直接通過數(shù)學(xué)方法建立表面振動特征與缸內(nèi)燃燒狀況或者故障的對應(yīng)關(guān)系,而對燃燒激勵下缸蓋表面振動產(chǎn)生機理及其影響因素的研究較少。本研究應(yīng)用瞬態(tài)動力學(xué)理論對燃燒激勵響應(yīng)信號的產(chǎn)生機理進(jìn)行了研究,并結(jié)合試驗數(shù)據(jù),分析了不同類型振動信號如振動位移、振動速度、振動加速度與缸內(nèi)燃燒特征參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系,討論了轉(zhuǎn)速變化時缸內(nèi)壓力與振動信號變化趨勢的對應(yīng)關(guān)系,并利用振動位移信號進(jìn)行了缸內(nèi)壓力的識別與故障檢測,取得了較好的效果。

        1 缸蓋有限元模型的建立

        理論上要獲得較精確的計算結(jié)果,應(yīng)使用完整的柴油機模型,但該方法計算過程非常復(fù)雜,計算時間也較長。為了提高運算效率,建模時主要考慮受燃燒激勵影響較大的部件——缸蓋,同時保留了高度簡化的機體及螺栓,以確保缸蓋約束的正確性。

        1.1 模型網(wǎng)格劃分

        主要研究對象為某型12150柴油機缸蓋,建模時將機體設(shè)置為剛體以減少計算量。為了便于網(wǎng)格劃分,對缸蓋及螺栓也進(jìn)行了簡化,忽略了部分倒角、凹槽以及小的螺栓孔。經(jīng)過檢驗網(wǎng)格無關(guān)性,最終確定計算中采用四面體網(wǎng)格單元,裝配體單元數(shù)為226115個,節(jié)點數(shù)119829個(見圖1)。缸蓋材料為鋁合金ZL702,缸蓋螺栓材料為42CrMo。

        1.2 載荷設(shè)置

        柴油機激勵源眾多,為研究燃燒激勵及其與振動響應(yīng)信號的關(guān)系,對缸蓋受力進(jìn)行了簡化[7],只考慮兩種載荷:一種是施加在缸蓋螺栓上預(yù)緊載荷,另一種是作用在缸蓋火力面上的氣體壓力載荷。缸蓋緊固螺栓分為主、副螺栓兩類,主螺栓預(yù)緊力為157.04kN,副螺栓預(yù)緊力為39.26kN;預(yù)緊載荷在第1個載荷步施加,在第2個載荷步鎖定。對于氣體壓力載荷,只考慮右1缸缸內(nèi)燃燒激勵,忽略其他缸氣體壓力作用。通過臺架試驗得到空載1200r/min工況右1缸缸內(nèi)壓力曲線,并將其擴展為2個周期時間歷程的缸內(nèi)壓力曲線,以此壓力作為氣體壓力載荷施加于缸蓋火力面(見圖2),壓力載荷方向垂直地面向上。

        1.3 接觸與約束邊界條件

        缸蓋有限元裝配模型共有3組接觸對:缸蓋底面與機體上表面設(shè)為粗糙接觸;螺栓頭底面與缸蓋上表面設(shè)為綁定約束;螺栓螺紋部分與機體螺栓孔設(shè)為綁定約束。機體底面施加固定約束,限制機體的剛性位移。

        2 缸蓋瞬態(tài)動力學(xué)模型的求解及驗證

        2.1 瞬態(tài)動力學(xué)的基本方程

        對于有限元模型,其基本的運動方程[8]為

        式中:[M]{ü}為慣性力向量;[C]{u}為阻尼力向量;[K]{u}為彈性向量;{F(t)}為關(guān)于時間的力載荷向量;[M]為質(zhì)量矩陣;[C]為阻尼矩陣;[K]為剛度矩陣;{u},{u},{ü}分別為位移向量矩陣、速度向量矩陣和加速度向量矩陣。

        2.2 瞬態(tài)動力學(xué)的求解方法

        瞬態(tài)動力學(xué)求解方法大體分為兩種:模態(tài)疊加法和直接積分法。運用模態(tài)疊加求解動力響應(yīng)問題可達(dá)到很高的精度,但是,這種方法只考慮了結(jié)構(gòu)低階振型的貢獻(xiàn),故僅適用于求解載荷頻率較少且變化平穩(wěn)的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)問題。理論上缸蓋的各階模態(tài)均對表面振動響應(yīng)存在或多或少的貢獻(xiàn),為較真實地研究缸蓋振動響應(yīng),本研究采用直接積分法。

        2.3 模型驗證

        通過柴油機臺架試驗同步測量了缸內(nèi)壓力、缸蓋表面振動加速度以及上止點信號。所用傳感器及測點位置見表1。

        表1 測點位置及傳感器

        利用有限元模型計算了轉(zhuǎn)速1200r/min,負(fù)荷230N·m工況下缸蓋的振動位移、振動速度以及振動加速度。為了檢驗計算結(jié)果的可信性,將計算結(jié)果與實測振動加速度信號進(jìn)行對比,具體見圖3。不難看出,實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果在幅值和相位上存在一定差異。分析認(rèn)為,模型的約束及載荷邊界條件不可能與實際情況完全一致,同時,實測結(jié)果中包含有其他激勵源的干擾,如針閥落座激勵以及活塞敲擊激勵,而計算時只考慮了燃燒激勵的作用,這些因素綜合作用導(dǎo)致二者之間存在差異。但總體來看計算結(jié)果同實測信號的變化趨勢較為接近,表明建立的仿真模型基本合理,可以用來分析缸內(nèi)燃燒特征參數(shù)及其與響應(yīng)信號之間的關(guān)系。

        3 燃燒激勵響應(yīng)機理分析

        以1200r/min空載工況為例進(jìn)行仿真分析,并結(jié)合實測振動信號,研究了不同類型振動信號的產(chǎn)生機理。

        3.1 振動位移信號

        實測缸內(nèi)壓力信號及振動位移響應(yīng)見圖4,二者在變化趨勢上非常相似,尤其是在最大燃燒壓力之前;最大燃燒壓力之后,位移響應(yīng)的波動開始變得劇烈,但趨勢仍舊比較相似。

        由于加速度信號是位移信號的二階導(dǎo)數(shù),計算了實測振動加速度信號的二次積分以驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。數(shù)字積分的常用算法有梯形積分公式、Simpson積分公式等。其中梯形公式計算簡單,但誤差稍大;而Simpson公式計算量稍大但積分精度較高,因此本研究采用Simpson積分法,其表達(dá)式[9]為

        式中:v(i)為積分后的速度信號;a(i)為采集得到的加速度信號;Δt為采樣間隔時間。

        振動信號積分時,由于積分初值無法確定,導(dǎo)致積分后的信號包含直流分量,同時由于缸蓋表面溫度多變,應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜,會在信號中存在不規(guī)則的趨勢項,在對信號進(jìn)行積分變換時,趨勢項對變換結(jié)果影響較突出,可能導(dǎo)致積分結(jié)果完全失真。針對此問題,本研究采用滑動平均法消除趨勢項,該方法具有較高的噪聲減少比,且實現(xiàn)簡單[10]。圖5示出實測振動加速度信號二次積分得到的振動位移信號。受針閥落座以及活塞敲擊等激勵的影響,實測振動位移信號未能在整個燃燒階段與缸內(nèi)壓力的變化趨勢完全一致。

        結(jié)合圖4,對缸內(nèi)壓力信號與振動位移信號的變化關(guān)系作如下解釋:缸蓋通過聯(lián)接螺栓與機體固定,隨著缸內(nèi)壓力的升高,缸蓋及螺栓在活塞軸線方向產(chǎn)生變形,峰值壓力前,該變形量出現(xiàn)一致性增大,但由于作用力持續(xù)增加,不會產(chǎn)生振動;峰值壓力后,缸內(nèi)壓力逐漸降低,各部件的彈性回復(fù)力開始發(fā)揮作用,導(dǎo)致缸蓋系統(tǒng)開始產(chǎn)生振動。由此缸蓋振動位移響應(yīng)以峰值壓力為界分為兩個階段,峰值壓力之前的位移信號與缸內(nèi)壓力相關(guān)性較強,峰值壓力后的位移信號由于回復(fù)力的作用存在一定的振蕩,但整體趨勢仍與缸內(nèi)壓力有較高的相似性。為了進(jìn)一步提取振動位移的趨勢信息,本研究利用希爾伯特包絡(luò)和滑動平均法對振動位移進(jìn)行處理,得到了振動位移包絡(luò)信號的趨勢項(見圖6),可見信號局部波動明顯減小,與缸內(nèi)壓力的變化趨勢更為相似。

        3.2 振動速度信號

        由以上分析,不難推斷振動速度信號應(yīng)該與缸內(nèi)壓力信號的導(dǎo)數(shù)即壓力升高率存在一定關(guān)系。計算實測缸內(nèi)壓力信號的壓力升高率,其計算公式[11]為

        式中:λpi為第i點壓力升高率;pi為第i點壓力值;Δφ為兩采樣點之間的角度,假定發(fā)動機1個循環(huán)內(nèi)的轉(zhuǎn)速恒定,則Δφ=720/循環(huán)采樣點數(shù)。

        圖7示出由實測缸內(nèi)壓力計算得到的壓力升高率與仿真振動速度的對比。二者在幅值和相位上有一定偏差,這是由缸蓋系統(tǒng)的響應(yīng)特性和缸內(nèi)壓力的頻譜變化引起的,即缸蓋系統(tǒng)對不同頻率激勵力響應(yīng)的幅值大小和相位偏差有所不同。

        為作進(jìn)一步分析,本研究利用數(shù)字積分及平均濾波方法處理實測振動加速度信號,將得到的振動速度信號與實測缸內(nèi)壓力升高率進(jìn)行對比(見圖8)。由于響應(yīng)延遲,二者在相位上存在偏差,但趨勢上基本一致,尤其是在燃燒始點至最大壓力升高率階段。理論上在系統(tǒng)偏差不變的情況下,可用振動速度的最大值a點監(jiān)測壓力升高率的最大值a1點變化,同理可用拐點b監(jiān)測b1點的變化情況。但在實際應(yīng)用時,需要首先排除系統(tǒng)偏差的影響,或者計算特定工況下的系統(tǒng)偏差,并假設(shè)該系統(tǒng)偏差不變,這一過程增加了特征檢測的難度,使檢測精度受到影響,不適合進(jìn)行精確檢測和診斷。

        3.3 振動加速度信號

        振動加速度是振動速度的導(dǎo)數(shù),由此可推斷振動加速度應(yīng)該與壓力升高率的導(dǎo)數(shù)即壓力升高加速度存在對應(yīng)關(guān)系。圖9示出計算振動加速度與缸內(nèi)壓力二階導(dǎo)數(shù)的對比。

        可以看出振動加速度的整體變化趨勢大體與缸內(nèi)壓力二階導(dǎo)數(shù)存在相似關(guān)系,由于缸蓋、機體系統(tǒng)的響應(yīng)延遲以及有限元計算中的數(shù)字誤差,二者在幅值及相位上存在一定差異,且振動加速度計算值的局部波動較劇烈。

        圖10示出實測振動加速度與缸內(nèi)壓力二階導(dǎo)數(shù)的對比,二者整體變化趨勢也較為相似,但由于針閥落座激勵以及燃燒激勵的干擾,信號對最大壓力升高率附近的變化反映不夠準(zhǔn)確,另外在實際試驗中,振動加速度傳感器對高頻信號較為敏感,容易受到其他沖擊激勵響應(yīng)的干擾,導(dǎo)致信號的局部振蕩較劇烈,不利于識別缸內(nèi)燃燒的相關(guān)信息。

        4 轉(zhuǎn)速變化對燃燒激勵響應(yīng)信號的影響

        利用振動信號評價缸內(nèi)燃燒狀況時,首先要確保工況的一致性,實車檢測中往往通過原地定轉(zhuǎn)速試驗達(dá)到這一目的。因此有必要分析不同轉(zhuǎn)速下缸蓋振動信號與燃燒激勵的對應(yīng)關(guān)系,進(jìn)而驗證缸內(nèi)壓力與其振動響應(yīng)之間是否存在一致性的變化關(guān)系,為利用振動信號檢測缸內(nèi)壓力信息提供理論支撐。分別選擇轉(zhuǎn)速1200,1400,1600,1800,2000r/min下的實測缸內(nèi)壓力作為模型的載荷條件,計算缸蓋振動響應(yīng)并進(jìn)行對比分析。

        4.1 不同轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)壓力與振動位移響應(yīng)的對比分析

        隨著轉(zhuǎn)速的升高,實測缸內(nèi)壓力的燃燒始點及最大燃燒壓力時刻均向后推遲,最大燃燒壓力逐漸增大(見圖11)。為便于觀察,對計算的缸蓋位移進(jìn)行了平滑處理(見圖12)。隨轉(zhuǎn)速的增加,缸蓋位移計算值的拐點以及峰值也出現(xiàn)與缸內(nèi)壓力一致的變化趨勢。這說明在空載工況下,轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時,缸蓋位移信號與缸內(nèi)壓力的變化趨勢保持了穩(wěn)定的映射關(guān)系,理論上缸蓋位移信號可用于空載時不同轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)壓力的檢測,甚至可以對柴油機不同運行狀態(tài)下的缸內(nèi)壓力進(jìn)行跟蹤識別,實現(xiàn)柴油機燃燒故障的檢測。

        4.2 不同轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)壓力升高率與振動速度響應(yīng)的對比分析

        圖13示出實測缸內(nèi)壓力的壓力升高率,不難看出,隨著轉(zhuǎn)速的升高,曲線相位逐漸后移,最大壓力升高率逐漸增大,且增大幅度隨轉(zhuǎn)速升高逐漸減小,到2000r/min時,最大壓力升高率甚至相較1800r/min時有所減小。圖14示出振動速度計算值,由圖可見,隨轉(zhuǎn)速升高,振動速度相位與幅值也出現(xiàn)了與壓力升高率類似的變化趨勢,這說明振動速度信號與缸內(nèi)壓力升高率變化趨勢的對應(yīng)關(guān)系在空載工況下具有一定的穩(wěn)定性,但各特征點的系統(tǒng)偏差可能隨工況不同而發(fā)生變化,不利于實際的特征檢測。

        4.3 不同轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)壓力升高加速度與振動加速度響應(yīng)的對比分析

        隨著轉(zhuǎn)速升高,壓力升高加速度曲線逐漸后移,1200~1800r/min時最大壓力升高加速度逐漸增大,2000r/min時最大壓力升高加速度有所減?。ㄒ妶D15)。圖16中振動加速度隨轉(zhuǎn)速升高也出現(xiàn)了類似的變化趨勢。

        5 基于振動位移信號的缸內(nèi)燃燒故障檢測

        在機理研究的基礎(chǔ)上,本研究利用AdaBoost_BP集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了基于振動位移的缸內(nèi)壓力的識別模型。輸入信號為振動位移包絡(luò)信號的趨勢項,輸出為對應(yīng)段的缸內(nèi)壓力,二者良好的對應(yīng)關(guān)系大大降低了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入向量的復(fù)雜性,減小了組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算量,提高了網(wǎng)絡(luò)的識別精度和泛化性,實現(xiàn)了空載不同轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)壓力的準(zhǔn)確識別。圖17示出空載1200r/min識別缸內(nèi)壓力與實測缸內(nèi)壓力的對比,可以看出識別結(jié)果與實測缸壓非常相似。表2示出正常狀態(tài)下各工況的識別結(jié)果,最大誤差不超過1%,準(zhǔn)確度較高。

        表2 正常工況下缸內(nèi)壓力識別結(jié)果

        利用該網(wǎng)絡(luò)對空載1200,1600,2000r/min的進(jìn)氣堵塞故障和供油提前角過大故障進(jìn)行識別,缸內(nèi)壓力的識別結(jié)果見表3和表4,最大缸內(nèi)壓力檢測誤差較小,完全滿足故障診斷的要求。圖18和圖19分別示出兩故障工況1200r/min時識別缸內(nèi)壓力與實測缸內(nèi)壓力的對比,可以看出模型較好地識別了故障狀態(tài)下缸內(nèi)壓力的異常變化,表現(xiàn)出良好的泛化性和準(zhǔn)確性。

        表3 進(jìn)氣堵塞時缸內(nèi)壓力識別結(jié)果

        表4 供油提前角過大時缸內(nèi)壓力識別結(jié)果

        6 結(jié)論

        本研究采用瞬態(tài)動力學(xué)仿真與試驗分析相結(jié)合的方法,研究了缸內(nèi)燃燒激勵響應(yīng)的產(chǎn)生機理,揭示了不同類型振動信號與缸內(nèi)燃燒特征參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系,分析了轉(zhuǎn)速變化對缸內(nèi)燃燒激勵響應(yīng)的影響,并利用振動位移信號進(jìn)行了缸內(nèi)壓力識別,得到以下結(jié)論:

        a)缸蓋振動位移信號與缸內(nèi)壓力的變化趨勢一致性較好,可以用來識別缸內(nèi)壓力;振動速度信號與缸內(nèi)壓力升高率變化趨勢相近,理論上可以用來檢測燃燒始點及最高壓力升高率的變化,但實際應(yīng)用時受系統(tǒng)偏差的影響,不利于進(jìn)行精確檢測;振動加速度信號可以反映缸內(nèi)壓力升高加速度的變化情況,但實測信號干擾較大,不利于缸內(nèi)信息的識別;

        b)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時,缸內(nèi)壓力出現(xiàn)相位和幅值上的變化,同時振動信號也出現(xiàn)相同的變化趨勢,這說明振動信號與缸內(nèi)壓力變化趨勢的對應(yīng)關(guān)系具有一定的穩(wěn)定性;

        c)利用振動位移包絡(luò)信號趨勢項建立的缸內(nèi)壓力識別模型,能夠準(zhǔn)確識別不同工況下的缸內(nèi)壓力,對缸內(nèi)燃燒故障具有較好的檢測能力。

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