羅明 黃珊珊 狄振華 段飛

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710018）

引言

目前，我國汽車行業(yè)在不斷地發(fā)展，汽車的使用量也在不斷地增加。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)屬于汽車心臟，是汽車安全運(yùn)行過程中的動(dòng)力，所以對其進(jìn)行質(zhì)量控制具有重要的作用。但是因?yàn)槠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其中具有大量的零部件，并且屬于往復(fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相互結(jié)合的機(jī)械類型，另外因?yàn)檫\(yùn)行環(huán)境的差別，所以不可避免就會(huì)出現(xiàn)一系列的故障。傳統(tǒng)通過人工經(jīng)驗(yàn)檢查方法和儀器設(shè)備輔助檢查方法會(huì)受到人為地主觀影響，并且具有較高的誤差率。為了能夠提高故障的檢測精度，就提出了非接觸式檢測技術(shù)，利用提取異常信號(hào)特點(diǎn)對發(fā)動(dòng)機(jī)故障進(jìn)行診斷，從而為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)今后的診斷創(chuàng)新提供相應(yīng)的理論參考。

1 非接觸式檢測技術(shù)

非接觸式檢測技術(shù)指的就是具有較高自動(dòng)化程度及檢測精度，并且便于操作的現(xiàn)代化診斷技術(shù)，改善了傳統(tǒng)檢測技術(shù)中的問題，比如檢測時(shí)間較長，檢測流程較為復(fù)雜，而且對于人們的依賴性較高等。非接觸式檢測技術(shù)主要是通過人們的耳朵對聲調(diào)、響動(dòng)、音頻、音色等判斷，從而創(chuàng)建故障診斷算法和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，并且通過聲信號(hào)傳感器對異常的響動(dòng)進(jìn)行捕獲，從而能夠?qū)ζ嚢l(fā)動(dòng)機(jī)故障的類型進(jìn)行精準(zhǔn)地判斷[1]。在現(xiàn)代工藝及科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，測量技術(shù)也被廣泛應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)工程、反求工程及質(zhì)量控制等方面。純銅測量技術(shù)的時(shí)間較長，并且無法實(shí)現(xiàn)脆性及彈性材料的測量，所以無法滿足現(xiàn)代工業(yè)化發(fā)展的需求。非接觸式測量技術(shù)是最近發(fā)展的技術(shù)，是以光學(xué)原理為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)測量，其在測量過程中沒有破壞性，并且效率較高，而且工作距離比較大，能夠?qū)崿F(xiàn)物體動(dòng)態(tài)及靜態(tài)的測量。此種技術(shù)被廣泛應(yīng)用到產(chǎn)品的工藝控制及質(zhì)量檢測中，能夠使產(chǎn)品質(zhì)量得到進(jìn)一步的提高，所以備受人們的喜愛。在高性能元件不斷發(fā)展的過程中，非接觸式測量技術(shù)也得到了進(jìn)一步的提高。非接觸式測量技術(shù)不與測量物體接觸，能夠遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)測量[2]。

圖1 某汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

2 發(fā)動(dòng)機(jī)常見的故障

汽車發(fā)送機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)大致相同，主要包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)和5個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成，圖1為某汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。

發(fā)動(dòng)機(jī)的故障類型比較多，比如發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)異響、充電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及潤滑系統(tǒng)等各種故障。在現(xiàn)代汽車制造水平不斷提高的過程中，部分系統(tǒng)能夠?qū)ぷ鳡顟B(tài)進(jìn)行在線檢測，但是在診斷發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障的過程中，還有需要解決的問題。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障的主要表現(xiàn)就是發(fā)動(dòng)機(jī)的異常響動(dòng)[3]，常見的異常響聲故障為：

1）曲軸軸承。因?yàn)榍S軸承和軸徑之間配合間隙較大，或者因?yàn)槁菟ㄋ蓜?dòng)導(dǎo)致曲軸軸承和軸徑之間相互碰撞，從而導(dǎo)致異常的響聲，氣缸下部軸承座的振動(dòng)最為明顯。

2）連桿軸承。因?yàn)檫B桿軸承和連桿軸徑之間配合間隙較大，或者由于連桿螺栓松動(dòng)導(dǎo)致連桿軸承和軸徑出現(xiàn)相互碰撞，以此出現(xiàn)了異常的響聲，氣缸體下部的振動(dòng)較為明顯。

3）氣缸漏氣。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在做功過程中部分高壓氣體通過氣缸壁和活塞環(huán)朝著曲軸箱進(jìn)入，從而對油底殼造成了沖擊，因此出現(xiàn)了聲響。

4）活塞銷。由于活塞銷和其座孔之間的配合間隙比較大，所以導(dǎo)致活塞銷對座孔敲擊，從而導(dǎo)致出現(xiàn)響音。

據(jù)相關(guān)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械零部件的故障大部分都是因?yàn)槟p導(dǎo)致的，還有部分故障無法輕易地分辨，比如附件、氣門異常等，并且還無法實(shí)現(xiàn)人工模擬，比如氣缸拉傷[4]。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障的診斷

3.1 診斷對象的技術(shù)情況

發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)異常響音的原因是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)值比正常標(biāo)準(zhǔn)值高，以此就會(huì)出現(xiàn)異常的沖擊。那么各種運(yùn)動(dòng)配合異常的主要原因包括：構(gòu)件長期的運(yùn)行，從而導(dǎo)致表面因?yàn)殚L期的摩擦而受到磨損；零部件的質(zhì)量問題，從而導(dǎo)致表面出現(xiàn)較大的磨損。潤滑系或者冷卻系無法正常地工作，從而導(dǎo)致摩擦表面無法形成油膜，因此導(dǎo)致出現(xiàn)拉傷。運(yùn)動(dòng)配合副異常的最終結(jié)果就是其間隙比正常值要高，根據(jù)此特點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)實(shí)際故障人工模擬的過程中，要設(shè)置間隙的值，雖然和實(shí)際故障有一定的差別，但是還是能夠利用實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件故障特點(diǎn)的捕捉。在實(shí)現(xiàn)故障設(shè)置的過程中，一般都是要求將其他機(jī)構(gòu)進(jìn)行拆卸，理論上來說不會(huì)對其他的機(jī)件情況進(jìn)行改變，但是在實(shí)際拆裝過程中會(huì)出現(xiàn)一系列的變化。那么在進(jìn)行拆裝的過程中要小心，盡量不對其他零部件技術(shù)情況進(jìn)行改變[5]。表1為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障的參數(shù)。

表1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障的參數(shù)mm

3.2 檢驗(yàn)環(huán)境

本文檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集是在生產(chǎn)線中實(shí)現(xiàn)的，那么通過非接觸式技術(shù)收集到的信號(hào)中包括多種干擾因素，比如電流干擾、氣閥動(dòng)作和其他生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)動(dòng)聲音。假如傳聲器和發(fā)動(dòng)機(jī)的距離較遠(yuǎn)，那么所檢測的聲音就是混響聲，其會(huì)增加今后分析工作的工作量。假如和發(fā)動(dòng)機(jī)的距離比較近，那么檢測聲音就是直達(dá)聲。那么，本文在選擇測試的時(shí)候就選擇近場測量法對發(fā)動(dòng)機(jī)聲信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，傳聲器布置在距離發(fā)動(dòng)機(jī)表面近的地方，從而避免生產(chǎn)線其他噪聲的影響，還能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)直達(dá)的噪聲進(jìn)行測量，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)反射信號(hào)干擾[6]。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)故障聲收集過程

為了提高聲信號(hào)數(shù)據(jù)的可重復(fù)性及一致性，那么發(fā)動(dòng)機(jī)故障聲信號(hào)收集流程為：

1）試驗(yàn)硬系統(tǒng)的布置。嚴(yán)格根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)故障聲信號(hào)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)進(jìn)行布置，使數(shù)據(jù)線、信號(hào)傳感器、電腦及發(fā)動(dòng)機(jī)故障聲系統(tǒng)功能相互連接，聲信號(hào)傳感器和信號(hào)收集系統(tǒng)通道相互對應(yīng)并且牢固地連接。

2）故障聲信號(hào)收集系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。在收集聲信號(hào)之前，要設(shè)置的參數(shù)主要包括靈敏度、傳感器類型、采樣時(shí)間、采樣頻率等。

3）在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)中設(shè)置冷啟動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的測試。通過經(jīng)驗(yàn)較為豐富的試驗(yàn)工程師隨機(jī)地實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)故障的設(shè)置，之后根據(jù)聲信號(hào)收集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集。

4）重復(fù)以上步驟，直到所有聲信號(hào)收集試驗(yàn)結(jié)束，將信號(hào)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)電源關(guān)閉，將傳感器和筆記本電腦相互連接，在對應(yīng)位置中存放硬件系統(tǒng)[7]。

4 聲信號(hào)結(jié)果分析

4.1 正常發(fā)動(dòng)機(jī)

圖2是將兩臺(tái)正常發(fā)動(dòng)機(jī)作為測試，將收集到的聲音信號(hào)時(shí)域利用小波過濾，和小波變換細(xì)節(jié)系數(shù)對比得到的圖，其中一共包括6行信號(hào)，最上端屬于發(fā)動(dòng)機(jī)的正常聲信號(hào)時(shí)域，之后都是在1~5之間，屬于發(fā)動(dòng)機(jī)聲信號(hào)細(xì)節(jié)系數(shù)。

將圖2中的a、c和b、d兩兩進(jìn)行分析，表示在濾波之后，聲信號(hào)在細(xì)節(jié)系數(shù)圖中的第一、第三、第四尺度數(shù)據(jù)都是0，在第五和第二尺度中具有保留數(shù)據(jù)。此表示在收集發(fā)動(dòng)機(jī)聲信號(hào)中具有雜音，在第一、第三、第四持續(xù)中，較為明顯。將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成為極坐標(biāo)變換圖之后，表示此信號(hào)都有雪花狀，此圖形的轉(zhuǎn)換較為簡單明了，并且對濾波前后鏡像圖進(jìn)行對比，具有明顯的區(qū)別，表示聲信號(hào)在鏡像圖中能夠?qū)⒂杏眯盘?hào)進(jìn)行分離。

圖2 正常發(fā)動(dòng)機(jī)濾波前后的時(shí)域和細(xì)節(jié)系數(shù)

圖3 兩臺(tái)油底殼異常聲音發(fā)動(dòng)機(jī)濾波前后的時(shí)域和細(xì)節(jié)系數(shù)的對比

4.2 油底殼異常

圖3 為兩臺(tái)油底殼異常聲音發(fā)動(dòng)機(jī)濾波前后的時(shí)域和細(xì)節(jié)系數(shù)的對比，發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼異常響動(dòng)的特點(diǎn)并不顯著，所以在和正常發(fā)動(dòng)機(jī)分辨的時(shí)候并不容易。但是，在通過非接觸式檢測之后，通過細(xì)節(jié)系數(shù)圖中就可以看出來，第三、第四、第五的尺度信號(hào)具有明顯的變化，聲信號(hào)在此處具有明顯的周期性特點(diǎn)，從這兩種現(xiàn)象中可以看出來，發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼的異常聲信號(hào)在被檢測濾波之后，能夠提高自身周期性特點(diǎn)。所以，小波濾波能夠提高油底殼聲信號(hào)的特點(diǎn)，在其中的每個(gè)尺度中都具有數(shù)據(jù)，從而表示和正常發(fā)動(dòng)機(jī)相比，油底殼具有異常聲響，并且聲音較多。

4.3 氣門挺柱異常

氣門挺柱的異常一般都具有輕脆的噠噠聲音，發(fā)聲的部位為凸輪軸的一側(cè)，在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中響聲更加明顯，在中速以上就會(huì)消失或者減弱。其主要原因是因?yàn)橥U或者導(dǎo)孔的圓度偏差比較大，并且因?yàn)橥χ蛎娉霈F(xiàn)變形，從而導(dǎo)致挺柱在導(dǎo)孔中的轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活。圖4為氣門挺柱異常的發(fā)動(dòng)機(jī)，通過圖4可以看出來，發(fā)動(dòng)機(jī)在小波濾波前后發(fā)動(dòng)機(jī)氣門挺柱異常的發(fā)動(dòng)機(jī)和正常發(fā)動(dòng)機(jī)具有明顯的區(qū)別，與其他異常發(fā)動(dòng)機(jī)并不同，通過其收集的聲信號(hào)在時(shí)域圖中能夠利用視覺了解周期特點(diǎn)，而且在小波之后信號(hào)周期性并沒有受到一定的影響，通過下圖可以看出來，前3個(gè)尺度具有明顯的聲信號(hào)周期性。

圖4 氣門挺柱異常的發(fā)動(dòng)機(jī)

4.4 前部異常

圖5 為前部異常發(fā)動(dòng)機(jī)的檢測結(jié)果，通過圖5可以看出來，此發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)域信號(hào)較為穩(wěn)定，而且并沒有顯著特點(diǎn)，信號(hào)在小波變換中具有相應(yīng)的波動(dòng)，并不是完全屬于定值。并且在細(xì)節(jié)系數(shù)第三尺度中，聲信號(hào)具有較為顯著的周期性脈沖特點(diǎn)。因?yàn)樾〔ㄗ儞Q實(shí)際上就是某個(gè)小波函數(shù)在不同尺度中和需要處理信號(hào)的卷積，尺度就是濾波器帶通范圍。所以，在前部異常發(fā)動(dòng)機(jī)聲信號(hào)細(xì)節(jié)系數(shù)尺度中具有周期性的波動(dòng)，那么就表示此時(shí)域信號(hào)自身周期性成分在提高。

圖5 前部異常發(fā)動(dòng)機(jī)的檢測結(jié)果

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測方法的步驟較為復(fù)雜，并且時(shí)間較長，而且智能化的程度比較低，較為依賴人工。非接觸式測量方法不需要和被測物體接觸，并且不會(huì)影響到物體，還能夠避免因?yàn)楦鞣N因素的限制，其具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，尤其是高速、高溫、破壞及大變形中，所以被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代汽車工程中。通過本文研究表明，非接觸式檢測方法能夠收集發(fā)動(dòng)機(jī)異常響動(dòng)，利用小波檢測對聲音進(jìn)行檢測，從而對發(fā)動(dòng)機(jī)故障進(jìn)行診斷。