顧程， 喬新勇， 段譽(yù)， 翟振東

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京　100072)

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·測試與診斷·

基于GT-Crank仿真的柴油機(jī)氣缸磨損時(shí)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速分析

顧程， 喬新勇， 段譽(yù)， 翟振東

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京100072)

利用GT-Crank軟件對柴油機(jī)曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真分析計(jì)算，研究了正常狀態(tài)、單缸磨損、多個(gè)相鄰缸磨損和多個(gè)非鄰缸磨損狀態(tài)下瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，提取了狀態(tài)特征參數(shù)，并分析了氣缸磨損對其他缸的影響，為深入研究瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在柴油機(jī)狀態(tài)檢測診斷中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

柴油機(jī)； 氣缸； 磨損； 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速； 動力學(xué)分析； 仿真

氣缸磨損是柴油機(jī)運(yùn)行過程中不可避免的現(xiàn)象。隨著柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)間的增加，氣缸磨損程度呈現(xiàn)上升趨勢，磨損程度嚴(yán)重將會影響柴油機(jī)的正常工作。在不解體的狀態(tài)下，直接測定氣缸的磨損狀況非常困難。目前常用的氣缸磨損測量方法有很多，如檢測氣缸壓力、缸蓋振動、曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、潤滑油消耗量、起動電壓和起動電流等。直接測量氣缸壓力比較困難，測量缸蓋振動、潤滑油消耗量不夠精確。柴油機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號蘊(yùn)含著大量的機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)信息，可以間接反映缸內(nèi)壓力，進(jìn)而反映出氣缸磨損狀況，并且容易測量，精確度高[1-3]。S.F.Rezeka和N.A.Henein對轉(zhuǎn)速波動圖進(jìn)行研究，提出可用于診斷故障的三個(gè)無量綱參數(shù)[4]；天津大學(xué)的胡玉平等人在剛性曲軸模型的基礎(chǔ)上建立了瞬時(shí)轉(zhuǎn)速分析模型，討論了氣缸數(shù)、平均轉(zhuǎn)速、負(fù)荷以及各缸工作均勻性對內(nèi)燃機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動變化規(guī)律的影響[5]；江蘇大學(xué)的王瑞超等人運(yùn)用Pro/E建立曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)體模型，基于ADAMS平臺建立了曲軸連桿機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真模型，討論了影響瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵因素，提出利用瞬時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行故障診斷的特征參數(shù)和判據(jù)[6]；海軍工程大學(xué)的張永祥等人采用非線性動力學(xué)模型和變轉(zhuǎn)動慣量對轉(zhuǎn)速進(jìn)行了仿真，得到瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、指示扭矩和缸內(nèi)壓力之間的關(guān)系[7]。本研究利用GT-Crank軟件對柴油機(jī)動力機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，通過施加不同的氣缸磨損狀態(tài)，對不同轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)的工作過程進(jìn)行分析，建立了曲軸轉(zhuǎn)速波動信號與氣缸磨損之間的關(guān)系，對于評價(jià)使用期內(nèi)柴油機(jī)質(zhì)量狀況檢測診斷及指導(dǎo)維修具有重要意義。

1　仿真模型建立

瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動與缸內(nèi)氣體壓力和往復(fù)慣性力有關(guān)，在各缸工作完全一致的情況下，其波動具有良好的周期性。柴油機(jī)正常工作時(shí)，各缸波形雖有差異，但差異不大。當(dāng)某氣缸工作不正常時(shí)，由于作用在曲軸上扭矩的周期性波動，使曲軸的回轉(zhuǎn)角速度呈現(xiàn)不均勻性。為了研究柴油機(jī)氣缸磨損狀態(tài)下瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，本研究以某型裝備的12V150ZLC柴油機(jī)為例，利用GT-Crank軟件建立柴油機(jī)動力機(jī)構(gòu)分析模型(見圖1)，分別設(shè)置活塞、連桿、曲軸銷、軸頸、飛輪等參數(shù)，曲軸設(shè)置為12缸4沖程，規(guī)格設(shè)置為負(fù)荷模式，并設(shè)置發(fā)火順序以及間隔角。表1示出12V150ZLC柴油機(jī)的主要參數(shù)。其中，左1缸至左6缸編號為1～6，右1缸至右6缸編號為7～12。

圖1　12V150ZLC柴油機(jī)動力機(jī)構(gòu)分析模型

表1　12V150ZLC柴油機(jī)主要參數(shù)

2　瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動規(guī)律分析

通過建立柴油機(jī)動力機(jī)構(gòu)工作模型，模擬輸出瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號，研究不同氣缸磨損狀態(tài)下的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動規(guī)律。

2.1狀態(tài)模擬方法

假定除氣缸磨損外，其他影響瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的因素均在理想條件下，采用狀態(tài)注入的方法來研究瞬時(shí)轉(zhuǎn)速與氣缸磨損之間的對應(yīng)關(guān)系。氣缸磨損由多種因素引起，而氣缸磨損引起的漏氣對動力性能影響最為顯著，因此漏氣是氣缸磨損狀態(tài)的主要體現(xiàn)。本研究以漏氣面積近似代替氣缸的磨損狀態(tài)，并模擬以下幾種狀態(tài)：正常狀態(tài)、單缸磨損、多個(gè)相鄰缸磨損和多個(gè)非鄰缸磨損。

利用GT-Power進(jìn)行磨損漏氣仿真計(jì)算，在模型中添加一個(gè)漏氣閥門，通過改變其升程來控制活塞環(huán)開口面積。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，柴油機(jī)大修時(shí)梯形環(huán)在缸套內(nèi)的開口面積不大于0.79 mm2，因此當(dāng)量漏氣面積的取值范圍為0.32～0.79 mm2，本次計(jì)算設(shè)置左1缸開口面積為0.79 mm2，以此模擬氣缸磨損量。圖2分別示出正常狀態(tài)缸壓曲線和磨損狀態(tài)缸壓曲線?？梢钥闯?，磨損狀態(tài)下氣缸壓力值較正常狀態(tài)偏低。

圖2　兩種狀態(tài)下氣缸壓力曲線

將上述正常狀態(tài)和磨損狀態(tài)缸壓值作為動力機(jī)構(gòu)分析模型的輸入，分別設(shè)置正常狀態(tài)、左3缸磨損、左3缸和右4缸同時(shí)磨損以及左3缸和左6缸同時(shí)磨損，進(jìn)行模擬仿真。

2.2瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形分析

經(jīng)過仿真計(jì)算，得到不同轉(zhuǎn)速、不同磨損狀態(tài)下的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形。

2.2.1正常狀態(tài)下瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形

圖3示出12V150ZLC柴油機(jī)在正常工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)速為600，1 000，2 000 r/min時(shí)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形。由圖可知，由于該柴油機(jī)為12缸，在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形共有12次波動。正常狀態(tài)下，各缸密封性一致，峰值與谷值應(yīng)該是一致的。平均轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速波動為22.98 r/min；平均轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速波動為13.93 r/min；平均轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速波動為7.01 r/min?？梢钥闯觯S著平均轉(zhuǎn)速的增加，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動逐漸減小。低轉(zhuǎn)速時(shí)，受外界條件影響較大，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動較大；高轉(zhuǎn)速時(shí)，運(yùn)行相對穩(wěn)定，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動較小。

圖3　12V150ZLC柴油機(jī)在正常工作狀態(tài)、　不同轉(zhuǎn)速下的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動

2.2.2磨損狀態(tài)下瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形

通過不同轉(zhuǎn)速、不同磨損狀態(tài)的仿真模擬，獲得了相應(yīng)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)(見圖4)。由圖4可知，各缸的做功沖程都對應(yīng)著一段瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波峰的上升區(qū)間曲線，在不同狀態(tài)下磨損缸對應(yīng)的波峰上升區(qū)間曲線與正常狀態(tài)有著規(guī)律性的差別。與正常狀態(tài)相比，單缸磨損狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速上升幅度有所降低，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動有所起伏；相鄰缸磨損狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速上升幅度降低，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動明顯；非鄰缸磨損狀態(tài)下，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動更加明顯。這是因?yàn)椋瑲飧啄p漏氣導(dǎo)致缸內(nèi)壓力相對較小，在該缸做功期間提供的動力較少，轉(zhuǎn)速增量相應(yīng)較小，而正常缸在其做功期間能夠提供更多的動力，轉(zhuǎn)速增量相對增大，長時(shí)間運(yùn)行可能導(dǎo)致正常缸負(fù)荷過大，引起正常缸受損。

圖4　不同轉(zhuǎn)速下，3種磨損狀態(tài)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動

2.3特征值提取

通過上文分析，各氣缸做功沖程對應(yīng)的一段瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線的上升幅度是一個(gè)較直接的判斷標(biāo)準(zhǔn)。由缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速之間的動力學(xué)關(guān)系可知，當(dāng)某一缸處于膨脹行程時(shí)，曲軸加速旋轉(zhuǎn)，以扭矩方式對外做功，該氣缸工作狀態(tài)越好，該行程內(nèi)曲軸的加速值就越高，反之就越低，所以膨脹行程內(nèi)曲軸加速值從很大程度上反映了該氣缸的狀態(tài)。這里將某一缸膨脹行程期間瞬時(shí)轉(zhuǎn)速上升值定義為該缸的轉(zhuǎn)速最大增量，柴油機(jī)各氣缸對應(yīng)轉(zhuǎn)速最大增量分別為S1～S12，其中S1～S6分別對應(yīng)左1缸至左6缸，S7～S12分別對應(yīng)右1缸至右6缸。上述3種磨損狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速最大增量曲線見圖5。將最大轉(zhuǎn)速增量進(jìn)行無量綱歸一化處理，把各缸最大轉(zhuǎn)速增量與所有12個(gè)氣缸平均最大轉(zhuǎn)速增量的比值(P)作為反映各缸狀態(tài)的指標(biāo)。

式中：Sn為第n缸的轉(zhuǎn)速最大增量。

圖5　3種磨損狀態(tài)下轉(zhuǎn)速最大增量曲線(n=1 000 r/min)

經(jīng)過計(jì)算分析，n=1 000 r/min工況下得到的波形最具有代表性，計(jì)算該轉(zhuǎn)速3種磨損工況下各缸轉(zhuǎn)速最大增量歸一化比值，結(jié)果見表2。表中P1，P2，…P12分別代表左1缸至左6缸和右1缸至右6缸的轉(zhuǎn)速最大增量歸一化比值。可以看出，正常氣缸P值比較均勻，分布在0.9～1.25之間；而磨損氣缸P值明顯下降，下降幅度近30%。因此，P值可以作為一個(gè)判斷氣缸磨損的特征參數(shù)。經(jīng)過其他不同工況各組數(shù)據(jù)分析，雖然變化值與表2有小范圍的個(gè)體差異，但始終保持一點(diǎn)基本規(guī)律：若某氣缸P值下降超過10%，該氣缸一定是模擬的磨損缸。

表2氣缸磨損狀態(tài)下各缸轉(zhuǎn)速最大增量歸一化比值P(n=1 000 r/min)

比值單缸磨損鄰缸磨損非鄰缸磨損P11．091．231．16P120．991．081．14P50．940．941．03P81．101．051．10P30．710．800．66P101．000．711．11P61．061．060．77P71．001．061．00P20．930．930．99P110．950．880．95P41．081．021．00P91．141．231．09

3　結(jié)論

a) 通過GT-Crank仿真模型方法，獲得了柴油機(jī)不同工作狀態(tài)下瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形，通過分析表明，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形與氣缸工作狀態(tài)密切相關(guān)，氣缸磨損時(shí)對應(yīng)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速增量降低；

b) 磨損缸對整個(gè)工作循環(huán)內(nèi)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動產(chǎn)生影響，不僅導(dǎo)致該缸對應(yīng)的轉(zhuǎn)速最大增量下降，而且影響其他部分正常缸的轉(zhuǎn)速最大增量上升；

c) 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速對氣缸磨損故障具有較好的診斷性，對柴油機(jī)的維修保養(yǎng)具有一定的指導(dǎo)意義。

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[編輯：潘麗麗]

Transient Speed Analysis of Diesel Engine Cylinder Wear Based on GT-Crank Simulation

GU Cheng, QIAO Xinyong, DUAN Yu, ZHAI Zhendong

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Forces Engineering, Beijing100072, China)

The transient speed of diesel engine crankshaft was simulated and calculated by GT-Crank software, the changing laws of transient speed under the conditions of normal state, single-cylinder wear, multiple adjacent cylinder wear and multiple non-adjacent cylinder wear were researched, the characteristic parameters of state were extracted, and the effects of cylinder wear on other cylinders were analyzed. Accordingly, the research provided the theoretical basis for further studying the application of transient speed in state monitoring and fault diagnosis of diesel engine.

diesel engine; cylinder； wear； transient speed; dynamical analysis; simulation

2016-04-18；

2016-07-07

顧程(1992—)，男，碩士，研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)狀態(tài)檢測和故障診斷；gucheng92@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.05.016

TK401

B

1001-2222(2016)05-0082-05