黨 軒，谷豐收,2，王 鐵，李國興，王歡歡，張 虎

(1.太原理工大學 車輛工程系，太原 030024；2.哈德斯菲爾德大學 機電工程學院，英國哈德斯菲爾德 HD1 3DH)

發(fā)動機連桿大端軸瓦是發(fā)動機的重要部件，若其發(fā)生故障將會對發(fā)動機造成不可逆轉的損害，輕則造成相關部件的磨損，產(chǎn)生軸瓦異響；嚴重時會使發(fā)動機主軸報廢，造成嚴重的事故[1]。因此，發(fā)動機軸瓦出現(xiàn)損傷，必須盡早發(fā)現(xiàn)、盡快排除，以免造成不必要的人員傷亡和財產(chǎn)損失。由于連桿大端軸瓦位于發(fā)動機結構的內(nèi)部，拆裝檢修極其不便，因此通過對發(fā)動機機體表面的聲發(fā)射信號進行采集和分析，完成對發(fā)動機連桿大端軸瓦摩擦磨損狀態(tài)的外部監(jiān)測，對于實現(xiàn)發(fā)動機的狀態(tài)預測、維修具有非常重要的意義。

軸承故障的檢測診斷技術有很多種，如聲發(fā)射檢測、振動信號檢測、潤滑油液分析檢測、溫度檢測等。在各種診斷方法中，基于聲發(fā)射檢測和振動信號檢測的診斷技術應用比較廣泛。振動信號檢測并非適用于任何場合，例如在某些系統(tǒng)中，軸承的早期微弱故障就會導致災難性的后果，然而早期故障的振動信號很微弱，又容易被周圍相對幅度較大的低頻環(huán)境噪聲所淹沒，從而無法有效檢測出故障的存在[2]。而聲發(fā)射是故障結構本身發(fā)出的高頻應力波信號，不易受周圍環(huán)境噪聲的干擾，因此其相比與振動信號檢測能更早的發(fā)現(xiàn)早期微弱故障，而盡早發(fā)現(xiàn)并排除故障可減少工程中的經(jīng)濟損失。聲發(fā)射技術因具有診斷速度快、準確率高、故障定位性強、適用范圍廣、能夠實現(xiàn)早期預測和在線診斷等優(yōu)點，受到了國內(nèi)外故障診斷工作者的重視。李曉暉等[3]利用聲發(fā)射監(jiān)測的方法有效實現(xiàn)了機械密封端面狀態(tài)的無損檢測，證明了聲發(fā)射技術具有良好的工業(yè)前景。由于聲發(fā)射技術相比其他故障診斷技術更具優(yōu)勢，聲發(fā)射監(jiān)測方法開始逐漸被應用到柴油機監(jiān)測診斷的研究中。Albers等[4]通過模擬故障試驗研究發(fā)現(xiàn)相比于其它分析手段聲發(fā)射信號能更早地發(fā)現(xiàn)發(fā)動機滑動軸承的早期故障。Fan等[5]闡述了采用聲發(fā)射技術診斷柴油機的噴油器故障方法。理華等[6]將聲發(fā)射技術應用于檢測鐵路貨車滾動軸承的摩擦磨損故障并取得了良好的效果。秦萍[7]將聲發(fā)射檢測技術應用到柴油機滑動軸承故障診斷上，證明了聲發(fā)射適用于柴油機滑動軸承診斷的可行性和優(yōu)越性。劉凌厲等[8]通過大量試驗給出不同情況下柴油機滑動軸承故障聲發(fā)射事件的門檻值及其發(fā)生頻度，以確定軸承的磨損狀況。王歡歡等[9]通過對比發(fā)動機表面異常聲發(fā)射信號分析了單缸柴油機活塞組件之間的異常摩擦磨損情況。在故障源定位方面，聲發(fā)射檢測技術也呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。Nivesrangsan等[10]研究了柴油發(fā)動機的聲發(fā)射波傳播特性和多源聲發(fā)射的信號源定位技術。Niri等[11]利用6個聲發(fā)射傳感器構成的傳感器陣列診斷出了圓柱殼單元的故障源位置。Li等[12]利用聲發(fā)射方法采集了置入故障齒輪的定軸齒輪箱不同位置的聲發(fā)射信號，對故障齒輪位置進行估計。

在基于聲發(fā)射技術的發(fā)動機故障診斷領域中，現(xiàn)有的研究大都是在模擬已知故障源和故障類型的情況下進行的，而對于未知故障源和故障類型的研究相對較少。然而對于發(fā)動機而言，由于其包含多種形式的摩擦副部件，且故障種類繁多，因此研究未知故障源的定位和故障類型的分析很有必要。本文首先對比了發(fā)動機表面不同測點聲發(fā)射信號的峰值響應，定位到發(fā)動機的故障來源于連桿大端軸瓦處，之后對連桿大端軸瓦處的異常聲發(fā)射信號進行診斷，結合MATLAB仿真計算連桿大端軸承力確定了軸瓦的故障類型，最后通過拆機檢查和更換軸瓦來驗證聲發(fā)射的診斷結果。

1 試驗設備及方案

1.1 試驗設備

本試驗使用某型單缸柴油機進行聲發(fā)射故障診斷，其參數(shù)如表1所示。聲發(fā)射信號由北京聲華興業(yè)科技有限公司的SR800型聲發(fā)射傳感器(采樣頻率50～800 kHz)測得，試驗數(shù)據(jù)由其公司所配套的SEAU2S-1016-08型的聲發(fā)射檢測儀采集記錄，發(fā)動機的氣缸壓力由Kistler公司的6052C型缸壓傳感器測得，曲軸轉角信號與上止點信號由韓國現(xiàn)代摩比斯曲軸位置傳感器測得，潤滑油溫度由P100型溫度傳感器測得，測控系統(tǒng)采用四川誠邦科技有限公司的DW40型電渦流測功機，缸內(nèi)壓力信號、發(fā)動機上止點信號和曲軸轉角信號等由江蘇聯(lián)能電子技術有限公司的YE6232B型16通道數(shù)據(jù)采集儀采集記錄。

表1 單缸柴油機參數(shù)Tab.1 Single cylinder diesel engine parameters

1.2 試驗方案

根據(jù)發(fā)動機的結構特點，結合發(fā)動機內(nèi)關鍵摩擦副的位置，將聲發(fā)射傳感器布置在單缸柴油機表面的三個不同位置，如圖1所示，采集異常聲發(fā)射信號，定位發(fā)動機的故障源，分析故障源的故障類型。其中測點1、測點2和測點3分別位于發(fā)動機的缸蓋位置、缸體燃燒室外位置和缸體曲軸箱外位置。測點1主要用于監(jiān)測發(fā)動機燃燒和進、排氣狀況；測點2主要用于監(jiān)測發(fā)動機活塞連桿組的摩擦磨損狀況；測點3主要用于監(jiān)測曲軸系和連桿大端的摩擦磨損狀況。

圖1 聲發(fā)射傳感器測點示意圖Fig.1 Location of acoustic emission sensors

本試驗選取單缸柴油機低速1 000 r/min，高速1 800 r/min兩個不同轉速和低載10 N·m，高載40 N·m兩種不同扭矩進行測試，具體測試工況如表2所示。

表2 測試工況Tab.2 Test conditions

2 試驗結果及分析

2.1 故障源定位

將試驗所采集的聲發(fā)射信號與上止點信號對應，然后對聲發(fā)射信號進行濾波及降噪處理，并將信號轉換到720°角域中。有研究表明正常聲發(fā)射信號能量偏大的部分大都集中在排氣門關閉(EVC)、進氣門關閉(IVC)和燃燒(Power)位置[13]，如圖2所示。

圖2 正常聲發(fā)射信號Fig.2 Normal acoustic emission signals

圖3所示為試驗中采集到的1、2和3測點聲發(fā)射信號，由于測點1和測點2距離燃燒室較近，所以這兩測點EVC、IVC和Power處的峰值響應較大，其中測點1最大，測點2次之，而測點3因為處于曲軸箱外且距離燃燒室較遠，所以EVC、IVC和Power處的峰值響應最小。從圖3還可以看出在三個測點采集的聲發(fā)射信號中，每隔90°就有一次劇烈的峰值響應，其中測點3每90°的聲發(fā)射信號峰值響應最大，測點2次之，測點1最小。據(jù)此表明：測點3，即曲軸箱附近，有較強的異常聲發(fā)射信號源。

圖3 不同測點異常聲發(fā)射信號Fig.3 Acoustic emission signals at different locations

圖3中的異常聲發(fā)射信號是固定的每隔90°就出現(xiàn)的突發(fā)型聲發(fā)射信號，此類信號呈脈沖波形，信號峰值較大，且衰減速度快[14]。發(fā)動機中的突發(fā)型聲發(fā)射信號多因一些瞬態(tài)激勵(比如沖擊、碰撞等)產(chǎn)生，由此推測故障可能是規(guī)律的機械事件所造成的。由于曲軸箱外測點3的聲發(fā)射信號峰值響應最大，故猜測曲軸箱內(nèi)部的曲軸系或連桿大端零部件之間發(fā)生了碰撞摩擦。一般情況下，在曲軸箱內(nèi)部可產(chǎn)生規(guī)律性機械事件的部位有兩處：①主軸承和曲軸之間由于受到發(fā)動機交變載荷而產(chǎn)生的碰撞，②連桿大端軸瓦和連桿軸徑之間由于受到發(fā)動機交變載荷而產(chǎn)生的碰撞。但是本試驗中單缸柴油機所使用的兩個主軸承分別是深溝球軸承和圓柱滾子軸承，由于結構原因這兩個軸承不會在發(fā)動機交變載荷的作用下產(chǎn)生規(guī)律的每隔90°的故障信號[15]。因此測點3的異常聲發(fā)射信號是由于連桿大端軸瓦和連桿軸徑之間的摩擦磨損產(chǎn)生的。

2.2 故障類型分析

進一步分析測點3在不同轉速和不同載荷下的聲發(fā)射信號，從圖4中可以看出在相同轉速下，低載荷時的異常聲發(fā)射信號幅值大于高載荷時的異常聲發(fā)射信號幅值。由文獻[16]可知，相同轉速時，低載荷相對于高載荷時軸承間隙較大，當軸承配合間隙過大時，由于通過間隙泄露的潤滑油流量也大大增加，使有效油膜厚度反而下降。較弱的油膜阻尼作用無法對部件之間碰摩能量進行有效耗散，使得低載荷時的異常聲發(fā)射信號幅值大于高載荷時的異常聲發(fā)射信號幅值。從圖4中還可以看出在相同載荷下，高轉速時的異常聲發(fā)射信號幅值大于低轉速時的異常聲發(fā)射信號幅值。這是由于相同載荷下高轉速時連桿受到的交變載荷較大，使得連桿大端和軸瓦之間應力變大，所受應力變大會使得碰撞摩擦能量更大，峰值響應變強。造成這種情況的原因可能是連桿大端軸瓦與連桿軸徑之間的配合間隙過大。

圖4 測點3聲發(fā)射信號Fig.4 Position 3 sound emission signal

2.3 MATLAB仿真計算軸承力

為了確定測點3的異常聲發(fā)射信號是由于連桿大端軸瓦與連桿軸徑之間的配合間隙過大產(chǎn)生的，利用MATLAB建立發(fā)動機曲柄連桿機構的數(shù)學模型，對連桿大端軸瓦較大間隙條件下的軸承力進行仿真研究。

連桿大端的力矩平衡方程

(1)

式中：Jc為連桿的轉動慣量；Fcx為連桿大端豎直方向作用力；Fcy為連桿大端水平方向作用力。

圖5 曲柄連桿機構受力分析Fig.5 Force analysis of crank connecting rod mechanism

連桿X軸的平衡方程

mcacx+Fcx-Fpx=0

(2)

其中

acx=ancos(φ)+atsin(φ)+apx

式中：mc為連桿的質量；acx為連桿豎直方向加速度；Fpx為活塞豎直方向作用力。an為連桿法向加速度，at為連桿切向加速度，lG為連桿小頭到連桿質心的距離。

活塞X軸方向的平衡方程

Fpx=Fg-mpapx

(3)

式中：Fg為氣體作用力，mp為活塞的質量，apx為活塞沿豎直方向的加速度。

聯(lián)立式(1)、(2)和(3)式得連桿大端X，Y軸的作用力為

Fcx=Fg-mpapx-mcacx

假設曲軸軸頸與軸瓦之間的間隙dd=0.2 mm(此單缸柴油機連桿大段軸瓦與連桿軸頸的正常配合間隙為0.05～0.11 mm)，將dd做為仿真中判定曲軸旋轉過程中曲軸軸頸與軸瓦之間間隙的臨界值，代入MATLAB程序進行運算，當軸承X(Y)軸位移的絕對值大于0.2 mm時，軸承X(Y)軸的速度將會反向，并且由于接觸損失，速度大小變?yōu)樵瓉淼?.6倍。具體如下：

若|d(x)|≥dd，

則v2(x)=-R*v1(x)；

若|d(y)|≥dd，

則v2(y)=-R*v1(y)。

其中|d(x)|、|d(y)|為軸承X，Y軸方向位移的絕對值；v1(x)、v1(y)為軸承X，Y軸方向的速度；R為碰撞后速度恢復系數(shù)，此處取0.6。

利用MATLAB仿真計算軸承力，從圖6(a)中可以看出，在豎直方向上，軸瓦在180°、360°、540°和720°附近受到相對較大軸承力的作用，其余位置受力相對較小；在水平方向上，軸瓦在90°、270°、450°和630°附近所受的軸承力較大，在180°、360°、540°和720°附近幾乎不受力，而在其他位置受力相對較小。

圖6(b)極坐標圖中的極徑為軸承力合力大小(Nm)，極角為軸承力合力方向(°)。圖6(b)中，0°方向為水平方向軸承力合力的正向，90°方向為豎直方向軸承力合力的正向。曲軸轉角為0°時合力方向為-90°，隨著曲軸轉角由0°～720°的一個工作循環(huán)，合力從-90°沿著逆時針方向從圖中所示的線1經(jīng)過線2、3、4、5、6、7，最終到線8，完成一個工作循環(huán)。由圖6(b)的軸承力合力圖可以看出：180°、360°、540°、720°曲軸轉角附近位置合力在水平方向會有換向(即水平作用力方向會發(fā)生180°的換向)；同樣，在90°、270°、450°、630°曲軸轉角附近位置合力在豎直方向會有換向(即豎直作用力方向會發(fā)生180°的換向)。

綜上，在0°～720°的曲軸位置上每隔90°軸承就要承受一次碰撞和摩擦。這些曲軸轉角的受力位置與測點3異常聲發(fā)射信號出現(xiàn)的位置高度吻合。

(a) 軸瓦在豎直和水平方向的軸承力

(b) 軸瓦軸承力合力圖(10 N·m-1 000 r/min)

3 故障驗證

3.1 拆機驗證

為了驗證聲發(fā)射故障診斷的結果，將單缸柴油機連桿大端軸瓦拆下，發(fā)現(xiàn)在上軸瓦內(nèi)側邊緣有嚴重的磨損，如圖7所示。有研究表明，發(fā)動機連桿大端軸瓦與連桿軸徑在配合間隙過大的情況下，容易因為潤滑不良而導致上軸瓦的邊緣發(fā)生摩擦磨損[17]。這恰好與拆機檢驗的故障結果一致。

圖7 軸瓦磨損圖Fig.7 Bearing shell wear

3.2 更換軸瓦后試驗驗證

為了進一步驗證聲發(fā)射診斷的結果，更換加厚軸瓦，安裝完成后測得軸瓦與連桿軸徑之間間隙為0.08 mm，采集聲發(fā)射信號進行分析，發(fā)現(xiàn)更換軸瓦后測點3的異常聲發(fā)射信號峰值響應近乎消失，如圖8所示。由此可知，發(fā)動機連桿大端軸瓦處的異常聲發(fā)射信號是由于連桿大端軸瓦與連桿軸頸的間隙過大，兩者之間不能形成良好的潤滑油膜產(chǎn)生的，所以發(fā)動機在固定的曲軸轉角位置會產(chǎn)生異常聲發(fā)射信號。而更換軸瓦之后測點3仍有微弱的異常聲發(fā)射信號峰值響應，這說明，此型號單缸柴油機的異常聲發(fā)射信號源不止一處，還有待于進一步的研究診斷。

圖8 測點3更換軸瓦前、后聲發(fā)射信號對比Fig.8 Location 3 acoustic emission signal comparison of before and after replacement bearing shell

4 結 論

(1) 利用MATLAB對發(fā)動機連桿大端軸瓦較大間隙條件下的軸承力進行仿真分析，將仿真結果與聲發(fā)射診斷結果進行對比，此方法為發(fā)動機連桿大端軸瓦處聲發(fā)射故障診斷提供了理論依據(jù)。

(2) 這種由于軸瓦選型不合理而產(chǎn)生的異常摩擦磨損雖然短期內(nèi)不會對發(fā)動機和其機構造成太大的危害，但長期積累容易造成大的安全隱患，故此型號單缸柴油機連桿大端軸瓦處需要改進。

(3) 研究表明基于聲發(fā)射技術可實現(xiàn)對發(fā)動機連桿大端軸瓦故障的定位和診斷。聲發(fā)射技術為發(fā)動機的故障源定位和故障診斷提供了更準確的方法。