裴偉， 康佐明， 張冬梅， 張暉， 張?zhí)杰姡?李寧， 張興剛， 范育輝， 高英英

(中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

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發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)有效性研究

裴偉， 康佐明， 張冬梅， 張暉， 張?zhí)杰姡?李寧， 張興剛， 范育輝， 高英英

(中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

分別采用兩種聯(lián)軸器和兩套支撐系統(tǒng)進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，臺(tái)架支撐系統(tǒng)和聯(lián)軸器會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生很大影響。通過(guò)理論分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)采用不同支撐系統(tǒng)時(shí)，傳感器支架振動(dòng)也會(huì)不同，從而造成扭振試驗(yàn)結(jié)果存在差異。利用某發(fā)動(dòng)機(jī)扭振仿真模型，提取影響系統(tǒng)扭振的因子，并進(jìn)行敏感度分析，發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器主動(dòng)端慣量是影響發(fā)動(dòng)機(jī)扭振綜合幅值的主要參數(shù)。為保證扭振試驗(yàn)有效性，建議應(yīng)根據(jù)不同試驗(yàn)?zāi)康?，采用不同試?yàn)設(shè)計(jì)方案。

發(fā)動(dòng)機(jī)； 支撐系統(tǒng)； 聯(lián)軸系統(tǒng)； 扭振試驗(yàn)； 有效性

扭振是造成發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架連接軸異響、發(fā)動(dòng)機(jī)或測(cè)功機(jī)損壞、傳動(dòng)系統(tǒng)破壞等問題的主要因素之一[1]，扭振一旦超過(guò)允許限值，將造成無(wú)法修復(fù)的損壞，因此發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)越來(lái)越受到廣大發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)機(jī)構(gòu)的重視。扭振的出現(xiàn)不僅僅是某一個(gè)部件的問題，還與整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)息息相關(guān)[2-4]，因此，一旦發(fā)生扭振問題，原因排除和故障鑒別比較困難。所以，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的分析和測(cè)量，深入認(rèn)識(shí)、掌握發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架扭振性質(zhì)和特點(diǎn)，對(duì)確保發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)有效性具有較大意義[2]。

扭振試驗(yàn)由德國(guó)人蓋格爾(Geiger)提出，到20世紀(jì)70年代基本上還以他提出的機(jī)械式扭振測(cè)試方法為主。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了非接觸式扭振測(cè)試裝置，基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的數(shù)字式扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)量?jī)x于20世紀(jì)90年代開始出現(xiàn)。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)的研究主要集中在扭振計(jì)算方法、測(cè)試裝置設(shè)計(jì)、傳感器的安裝、信號(hào)處理方法、數(shù)據(jù)后處理方法等方面[5-8]。而國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)并不全面，多適用于船機(jī)和發(fā)電機(jī)組，尚無(wú)車用發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，且未包含對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)的約束，因此，試驗(yàn)中常出現(xiàn)同一發(fā)動(dòng)機(jī)在不同試驗(yàn)室進(jìn)行扭振試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)結(jié)果差異較大，或試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果差異較大等問題。

本研究主要從發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架支撐和聯(lián)軸兩個(gè)方面進(jìn)行研究，提出了一些關(guān)于確保發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)有效性的建議。

1 試驗(yàn)分析

典型發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架聯(lián)軸系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器和測(cè)功機(jī)，而對(duì)于一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)是被測(cè)件，因此本研究的聯(lián)軸系統(tǒng)主要為聯(lián)軸器和測(cè)功機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)支撐系統(tǒng)包括地基板、大支架和小支架，由于支撐系統(tǒng)均為剛性連接，因此可以看作一個(gè)整體進(jìn)行分析。根據(jù)支撐形式的不同分為彈性支撐和剛性支撐。臺(tái)架組成見圖1。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架組成

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為某型號(hào)直列4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，分別采用剛性支撐系統(tǒng)、彈性支撐系統(tǒng)和兩個(gè)型號(hào)的聯(lián)軸器開展扭振試驗(yàn)。臺(tái)架組成與圖1相同，并在發(fā)動(dòng)機(jī)自由端采用磁電傳感器進(jìn)行扭振測(cè)量，試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備為L(zhǎng)MS Test.Lab 6A，測(cè)量的頻率范圍為2～1 024 Hz，允許誤差為指示值的±5%，最大可調(diào)量程為±10°。由圖2至圖5可知，發(fā)動(dòng)機(jī)自由端扭振綜合幅值均未超過(guò)0.4°，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求，其中采用聯(lián)軸器B時(shí)，1 900 r/min時(shí)扭振幅值出現(xiàn)大幅波動(dòng)，這是由0.5諧次共振引起的，但扭振綜合幅值未超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求，不影響使用。

圖2 剛性支撐系統(tǒng)下聯(lián)軸器對(duì)扭振幅值的影響

圖3 彈性支撐系統(tǒng)下聯(lián)軸器對(duì)扭振幅值的影響

圖4 聯(lián)軸器A下支撐形式對(duì)扭振幅值的影響

圖5 聯(lián)軸器B下支撐形式對(duì)扭振幅值的影響

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用同一種剛性支撐時(shí)，不同聯(lián)軸器試驗(yàn)結(jié)果偏差最大可達(dá)到21.85%，采用同一種彈性支撐時(shí)，不同聯(lián)軸器試驗(yàn)結(jié)果偏差最大可達(dá)到29.2%，證明聯(lián)軸器選型對(duì)扭振綜合幅值影響很大。

采用聯(lián)軸器A時(shí)，不同支撐形式下試驗(yàn)結(jié)果偏差最大可達(dá)到7.6%，采用聯(lián)軸器B時(shí)，不同支撐形式下試驗(yàn)結(jié)果偏差最大可達(dá)到20.91%，說(shuō)明支撐形式也會(huì)影響扭振試驗(yàn)結(jié)果。

通過(guò)上述分析可知，不同的聯(lián)軸器和支撐形式都會(huì)對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生影響，而且影響程度不一樣，因此在開展扭轉(zhuǎn)振動(dòng)試驗(yàn)前，必須綜合考慮支撐系統(tǒng)和聯(lián)軸系統(tǒng)兩種因素，否則將影響扭振試驗(yàn)的有效性。

由此證明，發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)與常規(guī)性能試驗(yàn)相比，對(duì)支撐系統(tǒng)和聯(lián)軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求都較高，必須經(jīng)過(guò)詳細(xì)的設(shè)計(jì)才能滿足試驗(yàn)有效性要求。為了更深一步剖析該問題產(chǎn)生的原因，還需要對(duì)支撐聯(lián)軸系統(tǒng)進(jìn)行必要的影響因素分解和機(jī)理分析。

2 影響因素機(jī)理分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架支撐系統(tǒng)對(duì)扭振試驗(yàn)結(jié)果的影響

支撐系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)扭振仿真中是不參與計(jì)算的，因此往往會(huì)忽略該影響因素，但從試驗(yàn)分析結(jié)果中可以看出其影響也很大，對(duì)于該問題的分析，需要首先了解扭振的測(cè)試原理[9-11]。

發(fā)動(dòng)機(jī)扭振測(cè)試常用磁電傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)軸系瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)，信號(hào)齒盤隨發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器前端與齒盤之間的間隙隨齒頂和齒底的交替而交替變化，使得通過(guò)線圈的磁通量交替變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即輸出信號(hào)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量成正比關(guān)系，根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律，當(dāng)線圈圈數(shù)為N時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式為

(1)

若信號(hào)齒盤齒數(shù)為Z，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n，信號(hào)齒盤旋轉(zhuǎn)從齒頂?shù)烬X底相當(dāng)于半個(gè)周期，因此Δt為

(2)

根據(jù)歐姆定律，半個(gè)周期的磁通量變化Δφ為

(3)

式中，傳感器的磁動(dòng)勢(shì)Fm為固定值，齒頂?shù)拇抛鑂m齒頂約為齒頂與傳感器前端間隙為δ時(shí)的空氣磁阻，齒底的磁阻Rm齒底約為間隙δ與齒高h(yuǎn)的磁阻之和。磁阻Rm表達(dá)式為

(4)

式中：μ為磁導(dǎo)率；S為磁路界面積。

(5)

由式(5)分析可知，間隙δ、齒高h(yuǎn)和齒盤齒數(shù)Z3個(gè)參數(shù)均對(duì)輸出信號(hào)產(chǎn)生影響，而齒高h(yuǎn)和齒盤齒數(shù)Z主要是受信號(hào)齒盤加工精度的影響，間隙δ除受安裝精度影響外，還與傳感器支架的振動(dòng)相關(guān)。由于不同發(fā)動(dòng)機(jī)支撐系統(tǒng)因?yàn)閯偠炔煌瑫?huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)發(fā)生變化，而傳感器支架也隨發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生振動(dòng)變化，從而影響齒頂與傳感器前端間隙。而根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量評(píng)級(jí)方法，帶彈性支撐的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)分級(jí)高于帶剛性支撐的發(fā)動(dòng)機(jī)，因此彈性支撐發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)烈度高于剛性支撐發(fā)動(dòng)機(jī)，這是發(fā)動(dòng)機(jī)采用彈性支撐比剛性支撐影響程度大的主要原因。

此外，齒盤的齒數(shù)、齒高、齒盤加工精度和安裝精度等也是影響扭振測(cè)量結(jié)果的主要原因[12-15]，這些影響因素本研究不再進(jìn)行詳細(xì)介紹，但這些因素同樣是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)人員和試驗(yàn)人員在開展發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)時(shí)必須考慮的問題。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架聯(lián)軸系統(tǒng)對(duì)扭振試驗(yàn)結(jié)果的影響

聯(lián)軸系統(tǒng)包括聯(lián)軸器和測(cè)功機(jī)，由試驗(yàn)結(jié)果可知，聯(lián)軸器的選擇是影響發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)結(jié)果的重要因素之一。聯(lián)軸器具有緩沖和吸振性能，主要與其剛度和阻尼有關(guān)，選擇合適的聯(lián)軸器可以有效改善聯(lián)軸系統(tǒng)的固有頻率，是發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架聯(lián)軸系統(tǒng)匹配避免系統(tǒng)共振的主要方法[3]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)很難將聯(lián)軸系統(tǒng)每個(gè)影響因素進(jìn)行分解驗(yàn)證，本研究采用仿真分析的方法，利用標(biāo)定后的模型對(duì)影響因子進(jìn)行分析。圖6示出試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)和聯(lián)軸器A的臺(tái)架軸系當(dāng)量系統(tǒng)模型。

根據(jù)圖6所示的扭振仿真模型，對(duì)臺(tái)架聯(lián)軸系統(tǒng)的聯(lián)軸器和測(cè)功機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的因子分解，包括測(cè)功機(jī)慣量、聯(lián)軸器主動(dòng)端慣量、聯(lián)軸器從動(dòng)端慣量、聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)剛度、聯(lián)軸器阻尼。

1—皮帶輪； 2—曲軸前齒輪； 3—第一缸； 4—第二缸； 5—第三缸； 6—第四缸； 7—飛輪； 8—聯(lián)軸器主動(dòng)端； 9—聯(lián)軸器從動(dòng)端； 10—測(cè)功機(jī)圖6 某4缸發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架軸系當(dāng)量系統(tǒng)模型

利用已知試驗(yàn)結(jié)果對(duì)仿真模型進(jìn)行標(biāo)定。如圖7所示，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致，最大偏差15.91%，滿足CB/Z 214—85標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的扭振計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的誤差不大于20%的要求，因此，該扭振仿真模型可以作為下一步因子分解和敏感度分析的依據(jù)。

圖7 某4缸發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架扭振仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了分析每個(gè)影響因子的敏感度，利用標(biāo)定過(guò)的仿真模型，分別在其他影響因子不變的情況下每個(gè)因子減少50%，觀察扭振綜合幅值的變化a。再計(jì)算5個(gè)影響因子均減小50%后的扭振綜合幅值A(chǔ)，取每個(gè)因子變化50%后與它的比值進(jìn)行敏感度γ分析，即γ=a/A。分析結(jié)果見表1。

表1 聯(lián)軸系統(tǒng)影響因子敏感度分析

由上表可知，影響程度最大的因子是聯(lián)軸器主動(dòng)端慣量，其次為聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)剛度，但兩者的作用是相反的，其他因子影響相對(duì)較小。該結(jié)論說(shuō)明，可以在不同的試驗(yàn)室(測(cè)功機(jī)不同)開展發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)，但必須保證聯(lián)軸器主動(dòng)端慣量一致，從而確保扭振試驗(yàn)的有效性。

3 確保發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)有效性的建議

對(duì)扭振試驗(yàn)結(jié)果有直接影響的測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號(hào)齒盤加工精度、齒盤齒數(shù)的選擇以及安裝要求等因素已經(jīng)在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有了一定的規(guī)定，或已得到廣大試驗(yàn)人員的高度重視。但對(duì)于支撐系統(tǒng)和聯(lián)軸系統(tǒng)的影響仍認(rèn)識(shí)不夠，因此，依據(jù)前文的分析主要從支撐系統(tǒng)和聯(lián)軸系統(tǒng)兩個(gè)方面提出以下建議。

試驗(yàn)是否有效與試驗(yàn)的目的密切相關(guān)，因此確保發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)有效除了滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，還要符合試驗(yàn)的目的。

如果發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)的目的是標(biāo)定仿真模型，則在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，建議使用剛性支撐系統(tǒng)，并在試驗(yàn)前與設(shè)計(jì)仿真人員進(jìn)行溝通，提供準(zhǔn)確的聯(lián)軸器、測(cè)功機(jī)等技術(shù)參數(shù)，值得注意的是，還要提供發(fā)動(dòng)機(jī)連接盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因?yàn)樵谂_(tái)架安裝聯(lián)軸器時(shí)，往往會(huì)通過(guò)連接盤將聯(lián)軸器與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪連接，連接盤的慣量同樣是不可忽略的因素，因?yàn)樗鼤?huì)增加聯(lián)軸器主動(dòng)端的慣量，從而影響扭振仿真的精度。

如果發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)的目的是用于發(fā)動(dòng)機(jī)鑒定，為確保發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)的有效性，應(yīng)充分考慮該發(fā)動(dòng)機(jī)未來(lái)所使用的載體(車輛、船舶等)。因?yàn)榕ふ駟栴}的出現(xiàn)往往與發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)，發(fā)動(dòng)機(jī)載體不同則傳動(dòng)系統(tǒng)會(huì)有很大的差異，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)會(huì)直接影響試驗(yàn)的有效性。就支撐系統(tǒng)方面，應(yīng)盡量采用與發(fā)動(dòng)機(jī)所用載體相同的支撐形式，如采用相同的彈性支撐、采用相同的支撐位置。不能為了確保扭振結(jié)果的指標(biāo)而降低條件。對(duì)于聯(lián)軸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，聯(lián)軸器主動(dòng)端慣量對(duì)扭振試驗(yàn)結(jié)果影響最大，結(jié)合文獻(xiàn)[3]中對(duì)于車輛傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)的結(jié)論——“通過(guò)液力變矩器后，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的幅值可降低50%”，建議在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上利用聯(lián)軸器主動(dòng)端慣量和聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)剛度兩個(gè)參數(shù)，模擬車輛傳動(dòng)系統(tǒng)液力變矩器前端的當(dāng)量，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上實(shí)現(xiàn)對(duì)整車傳動(dòng)系統(tǒng)強(qiáng)迫扭振的模擬，減少發(fā)動(dòng)機(jī)后期試驗(yàn)量，在設(shè)計(jì)研發(fā)階段及早發(fā)現(xiàn)問題，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。

若未來(lái)所使用的載體不明確，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段提供足夠的裕度，并將該裕度提供給用戶方。而在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上，應(yīng)選擇最惡劣的條件進(jìn)行扭振試驗(yàn)，如彈性支撐和高低兩種極限轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的聯(lián)軸器，便于提早發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)的故障和獲取該發(fā)動(dòng)機(jī)的可用裕度。

綜上所述，為確保發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)的有效性，建議發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)人員在編制任務(wù)書時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確描述發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)的目的，提供準(zhǔn)確的發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)量系統(tǒng)模型，或?qū)β?lián)軸器主動(dòng)端的慣量和支撐形式提出約束，以便于試驗(yàn)人員進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。對(duì)于試驗(yàn)人員，應(yīng)提供準(zhǔn)確的聯(lián)軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，包括聯(lián)軸器、連接盤、測(cè)功機(jī)和支撐系統(tǒng)等，以便于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)校核和修正。

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[編輯： 潘麗麗]

Effectiveness of Engine Torsional Vibration Test

PEI Wei， KANG Zuoming， ZHANG Dongmei， ZHANG Hui， ZHANG Tanjun，LI Ning， ZHANG Xinggang， FAN Yuhui， GAO Yingying

(China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China)

Engine torsional vibration tests were conducted by using two kinds of supporting systems and coupling systems. The results showed that the supporting system and coupling had a significant influence on test results. According to the theoretical analysis，the vibration of sensor bracket for different supporting system was also different, which led to the difference between test results. With the simulation model of the engine torsional vibration, the torsional factor was extracted and its sensitivity was analyzed. It was found in the end that the inertia of coupling active end was the main influencing parameter of comprehensive torsion amplitude. Accordingly, it was proposed that different test designs should be used to guarantee torsional test effectiveness according to different test purposes.

engine; supporting system; coupling system; torsional vibration test; effectiveness

2015-04-25；

2015-11-13

裴偉(1981—)，男，助理研究員，主要從事車用發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)研究；moderatepw@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.01.015

TK427.11

B

1001-2222(2016)01-0078-05