王東亮，尹新權(quán)，杜遙

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柴油機(jī)曲軸扭振信號(hào)分析研究*

王東亮，尹新權(quán)，杜遙

（蘭州工業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

以柴油機(jī)曲軸扭振信號(hào)分析原理為基礎(chǔ)，通過(guò)歸納從電平信號(hào)中獲取瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)的方法，運(yùn)用Matlab編程工具對(duì)某小型柴油機(jī)曲軸的扭振測(cè)試信號(hào)進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明：在測(cè)試系統(tǒng)采樣頻率較高的情況下，采用兩點(diǎn)插值法計(jì)算得到的扭振瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)是比較理想的，并且從扭振瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)上來(lái)看，柴油機(jī)高速工況的扭振更加強(qiáng)烈。

柴油機(jī)；MATLAB；扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；瞬時(shí)轉(zhuǎn)速；信號(hào)分析

前言

柴油機(jī)以其良好的經(jīng)濟(jì)型和出色的動(dòng)力性，在汽車、船舶、農(nóng)機(jī)等許多行業(yè)都有非常廣泛的應(yīng)用。特別是近年來(lái)隨著社會(huì)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，出現(xiàn)了許多新方法新技術(shù)，促使柴油機(jī)性能在不斷的提升。但是，伴隨著柴油機(jī)性能的提升，曲軸的機(jī)械負(fù)荷也在不斷增加，其在周期性變化的氣體力和慣性力的作用下，柴油機(jī)曲軸軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)成為了愈加突出的問(wèn)題[1]。

目前，針對(duì)柴油機(jī)扭振的研究已經(jīng)相當(dāng)廣泛，本文在此基礎(chǔ)上，以扭振測(cè)試為主要手段，運(yùn)用Matlab編程工具對(duì)某小型柴油機(jī)曲軸的扭振信號(hào)進(jìn)行分析研究，進(jìn)一步明確了扭振信號(hào)的處理方法。

1 扭振信號(hào)分析原理

柴油機(jī)曲軸的扭振，會(huì)引起旋轉(zhuǎn)軸系承受較大的附加力矩，這種具有隱蔽性的危害，隨著時(shí)間的累積，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致軸的斷裂[2]。工程技術(shù)人員為了對(duì)其進(jìn)行分析研究，多采取測(cè)試手段，獲取軸系的扭振信號(hào)。然后，通過(guò)信號(hào)處理方法，分析被測(cè)設(shè)備的扭振危害程度。

1.1 扭振信號(hào)特征

根據(jù)測(cè)試方法的不同，扭振信號(hào)可表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，此處為了說(shuō)明扭振信號(hào)分析的基本原理，采用圖1所示的方波信號(hào)示意圖。圖1(a)所示為曲軸無(wú)扭振時(shí)的信號(hào)，t=t+1，可見(jiàn)相鄰波形的時(shí)間歷程是相等的。圖1(b)所示為曲軸有扭振時(shí)的信號(hào)，t≠t+1，可見(jiàn)相鄰波形的時(shí)間歷程是不相等的。

(a) 曲軸無(wú)扭振時(shí) (b) 曲軸有扭振時(shí)

如果從轉(zhuǎn)速的角度來(lái)比較，則當(dāng)扭振發(fā)生時(shí)，軸系產(chǎn)生了不均勻的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，即存在顯著的轉(zhuǎn)速波動(dòng)成分。

1.2 扭振信號(hào)分析原理

綜上所述，可見(jiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)軸系在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，包含了勻速轉(zhuǎn)動(dòng)和扭轉(zhuǎn)波動(dòng)兩種成分。所以，扭振信號(hào)分析的目的就是獲取扭轉(zhuǎn)波動(dòng)的成分，也就是說(shuō)將扭振信號(hào)從軸系轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)中分離出來(lái)[3]。

為了從電平信號(hào)中得到扭振瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信息，通?？蛇x取相鄰脈沖上升沿基準(zhǔn)電平附近的一些點(diǎn)，通過(guò)插值或曲線擬合方法求取基準(zhǔn)電平所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻t，同樣可求得上一個(gè)脈沖或下一個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻t1或t1，如圖2所示。

圖2 柴油機(jī)曲軸自由端4個(gè)齒的電壓脈沖信號(hào)

于是，相鄰脈沖信號(hào)在基準(zhǔn)電平處所對(duì)應(yīng)的時(shí)間差為△t=t1-t。那么，△t對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)角速度可用式(1)表示：

式中，為扭振測(cè)量齒盤的齒數(shù)。

2 柴油機(jī)扭振試驗(yàn)

被測(cè)機(jī)型為一臺(tái)小型柴油機(jī)，在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行測(cè)試，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

本次扭振測(cè)試系統(tǒng)由兩套扭振測(cè)量裝置（包括測(cè)量齒盤、磁電傳感器、數(shù)據(jù)傳輸線等）和一套采集系統(tǒng)（UDAQ-20612/ 4CH便攜式數(shù)據(jù)采集器和一臺(tái)便攜式計(jì)算機(jī)）組成。系統(tǒng)的采樣頻率為250kHz，圖3所示。

由于柴油機(jī)本身的結(jié)構(gòu)所限，測(cè)點(diǎn)不可能布置在軸系的中間部位，所以分別在曲軸自由端和輸出端設(shè)置了測(cè)點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置完成后，經(jīng)過(guò)傳輸線連接并進(jìn)行試采集，通道CH1為自由端信號(hào)，通道CH2為輸出端信號(hào)。柴油機(jī)設(shè)定為900-2800r/min的提速工況。圖4所示為信號(hào)的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。

圖4 曲軸自由端的扭振電壓信號(hào)

3 扭振信號(hào)的分析

3.1 扭振角分辨率

隨著柴油機(jī)曲軸的旋轉(zhuǎn)，扭振測(cè)試齒盤每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒，磁電傳感器便會(huì)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，該信號(hào)被A/D采集卡實(shí)時(shí)獲取。如果將每一個(gè)齒所對(duì)應(yīng)脈沖信號(hào)的采集點(diǎn)數(shù)用m來(lái)表示，則m取決于曲軸的轉(zhuǎn)速n、測(cè)量齒盤齒數(shù)z以及采樣頻率，可用式(2)表示：

由此結(jié)合測(cè)試柴油機(jī)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速900r/mln和最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速2800r/min，可知對(duì)應(yīng)的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下的扭振角分辨率為0.0216度，最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下的扭振角分辨率為0.0672度。

3.2 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)

柴油機(jī)曲軸扭振采集系統(tǒng)獲得的電平信號(hào)如圖5所示，可通過(guò)編程將其導(dǎo)入Matlab進(jìn)行分析。

圖5 曲軸自由端的扭振電壓信號(hào)

相關(guān)研究結(jié)果已經(jīng)表明[5]，在△t的計(jì)算過(guò)程中，如果采用計(jì)算時(shí)間較短的兩點(diǎn)插值法，則當(dāng)采樣頻率為50KHz時(shí)，計(jì)算結(jié)果可以接受，當(dāng)采樣頻率為100KHz時(shí)，計(jì)算結(jié)果已經(jīng)非常理想?？紤]到本次測(cè)試的采樣頻率為250KHz，因此為了減少計(jì)算量，采用了兩點(diǎn)插值法求取基準(zhǔn)電平時(shí)刻。然后，通過(guò)式(1)求得的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線如圖6所示。

圖6 曲軸自由端瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)

由計(jì)算結(jié)果可知，在測(cè)試系統(tǒng)采樣頻率較高（大于100kHz）的前提下，采用兩點(diǎn)插值法計(jì)算得到的扭振瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)是比較理想的。

3.3 曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線

如圖7所示為0.2s的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)，可見(jiàn)在提速工況的扭振信號(hào)中存在趨勢(shì)項(xiàng)，它表示了曲軸的角轉(zhuǎn)速隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。測(cè)試信號(hào)中趨勢(shì)項(xiàng)的存在，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)分析的結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差，甚至使低頻的幅頻特性嚴(yán)重失真，失去研究意義，所以在扭振分析中必須去除趨勢(shì)項(xiàng)。

圖7 扭振瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)中的趨勢(shì)項(xiàng)

圖8 柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線

扭振信號(hào)中趨勢(shì)項(xiàng)的去除方法有很多[2,4]，本文采用最小二乘法擬合多項(xiàng)式進(jìn)行去除趨勢(shì)項(xiàng)，由此得到的曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線如圖8所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，柴油機(jī)曲軸扭振信號(hào)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)成分相對(duì)較大，在低速（1000r/min）時(shí)刻的波動(dòng)值可達(dá)±50r/min。并且隨著轉(zhuǎn)速的上升，這種波動(dòng)程度在逐漸加劇，也就是說(shuō)柴油機(jī)高速工況的扭振更加強(qiáng)烈。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)Matlab編程工具對(duì)柴油機(jī)曲軸扭振信號(hào)進(jìn)行處理分析，能夠獲得良好的效果。

（2）在測(cè)試系統(tǒng)采樣頻率較高（大于100kHz）的前提下，采用兩點(diǎn)插值法計(jì)算得到的扭振瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)是比較理想的。

（3）柴油機(jī)曲軸扭振信號(hào)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)成分相對(duì)較大，在低速（1000r/min）時(shí)刻的波動(dòng)值可達(dá)±50r/min。并且隨著轉(zhuǎn)速的上升，這種波動(dòng)程度在逐漸加劇，也就是說(shuō)柴油機(jī)高速工況的扭振更加強(qiáng)烈。

[1] 李玉梅,華春蓉,閆兵.內(nèi)燃機(jī)軸系扭振測(cè)試方法研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2010,186(1):77-80.

[2] 王井新.內(nèi)燃機(jī)軸系振動(dòng)測(cè)量技術(shù)研究[D].成都:西南交通大學(xué), 2010.

[3] 李連.車輛動(dòng)力系統(tǒng)扭振分析與測(cè)試[J].汽車實(shí)用技術(shù),2017(8), 130-132.

[4] 李松和.內(nèi)燃機(jī)曲軸軸系扭振數(shù)字化測(cè)試系統(tǒng)[D].杭州:浙江大學(xué),2005. 22-23.

[5] 孫云嶺,樸甲哲,張永祥.插值算法在內(nèi)燃機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量中的應(yīng)用研究.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2002,20(4):335-338.

Research on Torsional Vibration Signal Analysis of Diesel Engine Crankshaft*

Wang Dongliang, Yin Xinquan, Du Yao

（Department of Automobile Engineering, Lanzhou Institute of Technology, Gansu Lanzhou 730050）

Based on the principle of diesel crankshaft torsional vibration signal analysis, it has generalized the method of obtaining transient rotation speed signal from level signal and used Matlab programming tool to analyze the torsional vibra -tion test signal of the small diesel engine crankshaft. The results show that the transient rotation speed signal of torsional vibration is desired calculated by two-point interpolation method, when the sampling frequency is high. From the fluctuation of torsional vibration instantaneous speed, the torsional vibration of diesel engine at high speed is more intense.

diesel engine; MATLAB; torsional vibration; transient rotation speed; signal analysis

TB533

A

1671-7988(2018)21-86-03

TB533

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1671-7988(2018)21-86-03

王東亮（1988-），男，助教，碩士，研究方向?yàn)檎駝?dòng)噪聲控制。工作單位：蘭州工業(yè)學(xué)院。

甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2016B-113。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.030