劉海剛 朱明超 劉志友 代東昌

摘要：某發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)時(shí)機(jī)體出現(xiàn)破裂，為了查明機(jī)體破裂原因，聯(lián)合運(yùn)用振動(dòng)試驗(yàn)與模態(tài)仿真分析方法進(jìn)行故障診斷。首先，對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，確定共振頻率;其次，進(jìn)行模態(tài)仿真分析，確定夾具的固有頻率。對比振動(dòng)試驗(yàn)和模態(tài)仿真分析結(jié)果：發(fā)動(dòng)機(jī)的共振頻率與夾具的多階固有頻率相近，表明共振來源于夾具。最后，通過優(yōu)化夾具，位于發(fā)動(dòng)機(jī)主階次以內(nèi)的共振消除，其余頻率共振幅值降低，跟蹤驗(yàn)證5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)，機(jī)體均未出現(xiàn)破裂，解決了機(jī)體破裂問題。

Abstract： During the durability of an engine on a test bench， the engine block was damaged. In order to find out the cause of this failure，combining vibration test and modal simulation analysis to diagnose the failure .Firstly， the vibration test was carried out to determine the resonance frequency of the engine .Secondly， the modal simulation analysis method was used to analyze the natural frequency of the test rig.The results show that the resonance frequency of the engine and is close to multi-order natural frequency of the test rig ， indicating that the resonance comes from the test rig.Finally，the resonance within the main order of the engine was eliminated， and the common amplitude values of other frequencies were reduced.The durability tests of 5 engines were tracked and verified， and the failure of the engine block was not found， thus solving the failure problem of the engine block.

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體;夾具;模態(tài)仿真分析;共振頻率

Key words： engine block;test rig;modal simulation analysis;resonance frequency

中圖分類號(hào)： U467.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）24-0180-03

0  引言

發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)是保障發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)質(zhì)量必不可少的試驗(yàn)環(huán)節(jié)。由于耐久試驗(yàn)發(fā)生故障較低，故障樣本積累較少，給小樣本的故障診斷增加了困難[1]-[2]。

振動(dòng)故障是發(fā)動(dòng)機(jī)等機(jī)械故障的主要表現(xiàn)形式。常見的產(chǎn)生振動(dòng)原因有轉(zhuǎn)子不平衡、軸系不對中、不平衡的慣性力、滑動(dòng)軸承與軸頸偏心、機(jī)器零部件松動(dòng)、滑動(dòng)軸承損壞、滑動(dòng)軸承油膜渦動(dòng)和油膜振蕩、空氣動(dòng)力和水力、軸承座剛度不對稱等[3]-[4]。對于小型發(fā)動(dòng)機(jī)，需要設(shè)計(jì)專用的試驗(yàn)夾具完成發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)，夾具的引入對發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)的可靠性有重要影響。

以某發(fā)動(dòng)機(jī)為載體，針對發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)過程中機(jī)體出現(xiàn)破裂，運(yùn)用振動(dòng)試驗(yàn)與模態(tài)仿真分析相結(jié)合的方法確定發(fā)動(dòng)機(jī)的共振原因由夾具引起。通過對夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)情況得以改善，最終排除機(jī)體破裂故障。

1? 振動(dòng)試驗(yàn)

1.1 故障描述

某發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)時(shí)，機(jī)體平衡軸軸承座多次出現(xiàn)裂紋。進(jìn)行19臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)，機(jī)體破裂8臺(tái)，故障率為42%。破裂位置如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)工況及測點(diǎn)布置

發(fā)動(dòng)機(jī)油門全開，通過調(diào)整載荷使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從3000rpm勻加速9500rpm，用三向振動(dòng)加速度傳感器測量發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體上的振動(dòng)，振動(dòng)傳感器布置如圖2所示。

測量過程中的坐標(biāo)系：x軸正方向-由磁電機(jī)指向離合器，z軸正向-豎直向上，y軸正向-根據(jù)右手定則確定。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

機(jī)體測點(diǎn)z向振動(dòng)加速度大于x向和y向振動(dòng)加速度，由于三個(gè)方向的振動(dòng)頻譜相近。故選用z向振動(dòng)加速度頻譜分析可能引起機(jī)體破裂的頻率特性。z向振動(dòng)加速度頻譜如圖3所示。

由圖3可知，機(jī)體存在多個(gè)共振峰值，頻率分別為313Hz、410Hz、780Hz、920Hz。

解決共振峰值問題，需從兩個(gè)角度入手：位于發(fā)動(dòng)機(jī)一階、二階以內(nèi)的頻率，必須避頻，將頻率移到發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的二階激勵(lì)頻率之外;其余頻率難以實(shí)現(xiàn)避頻，則通過增加結(jié)構(gòu)剛度，減小振動(dòng)幅值，降低振動(dòng)能量，從而降低共振帶來機(jī)體破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

為了進(jìn)一步查找共振頻率的來源，對發(fā)動(dòng)機(jī)和夾具組成的系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)仿真分析。

2? 模態(tài)仿真分析

2.1 建立有限元模型

對夾具進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，單元類型為二階四面體單元，單元尺寸為3mm，單元數(shù)量為283955個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為347337個(gè)，夾具材料為鋼，密度為7800kg/m3，彈性模量為210Gpa，泊松比為0.3。將發(fā)動(dòng)機(jī)簡化為集中質(zhì)量，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)質(zhì)量為36.5kg，質(zhì)心位置坐標(biāo)為（10mm，-68mm，680mm），通過建立剛性耦合連接單元連接發(fā)動(dòng)機(jī)與夾具。建立的有限元模型如圖4所示。

2.2 原狀態(tài)夾具模態(tài)分析結(jié)果

原狀態(tài)夾具前10階固有頻率與機(jī)體共振頻率對比結(jié)果如表1所示。

由表1可知，原狀態(tài)夾具第1階頻率328Hz與機(jī)體共振頻率313Hz相近;第3、8、9階頻率分別為436Hz、787Hz、923Hz與機(jī)體共振頻率410Hz、780Hz、920Hz相近。由此判斷機(jī)體的共振來源于夾具。

為了消除或者降低機(jī)體的共振，需從夾具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)著手，對優(yōu)化夾具滿足發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)要求。

2.3 確定夾具優(yōu)化方案

通過對底板兩側(cè)進(jìn)行切除、延伸縱向肋板、增加螺栓連接的方式，確定了夾具優(yōu)化方案，優(yōu)化夾具的有限元模型如圖5所示。

2.4 優(yōu)化夾具模態(tài)分析結(jié)果

優(yōu)化夾具前10階固有頻率，如表2所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速為3000-9500rpm，對應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)頻率范圍100～317Hz。由表2可知，優(yōu)化夾具第1階頻率382Hz，位于發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)頻率之外。第3、8、9階頻率分別提升了47Hz、21Hz和32Hz。

3? 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化方案的實(shí)際效果，制作了優(yōu)化夾具樣件，如圖6所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

機(jī)體z向振動(dòng)如圖7所示。

由圖7可知，機(jī)體313Hz共振消除，但仍存在頻率為410Hz、780Hz、920Hz三個(gè)共振帶。410Hz、780Hz和920Hz的共振帶幅值均降低，轉(zhuǎn)速8000-9500rpm振動(dòng)幅值降低約2g。

對比原狀態(tài)和優(yōu)化狀態(tài)的振動(dòng)結(jié)果，加速工況機(jī)體z向振動(dòng)overall曲線如圖8所示。

由圖8可知，隨著轉(zhuǎn)速增加，機(jī)體振動(dòng)加速度幅值呈增加趨勢。相同轉(zhuǎn)速，優(yōu)化狀態(tài)比原狀態(tài)振動(dòng)加速度幅值小。轉(zhuǎn)速為9383rpm時(shí)，機(jī)體x、y、z三個(gè)方向振動(dòng)加速度最大幅值由7g、10g、15g降至5g、7g、11g，分別降低了28.6%、30%、26.7%。

3.3 耐久試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)際進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)，每臺(tái)耐久時(shí)間需200小時(shí)，所需時(shí)間較長。因此，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)的實(shí)際需求，共進(jìn)行5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)，跟蹤結(jié)果如表3所示。

由表3可知，5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)全部通過耐久試驗(yàn)，機(jī)體均未出現(xiàn)故障，故障率明顯降低。與設(shè)計(jì)部門交流試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)部門參照該方案設(shè)計(jì)夾具，并進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

4? 結(jié)論

本文針對某發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體破裂進(jìn)行故障診斷與分析。通過振動(dòng)試驗(yàn)確定發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的共振頻率，再通過對發(fā)動(dòng)機(jī)和夾具組成的系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)仿真分析，確定機(jī)體的共振來源于夾具。通過對夾具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，共振頻率為313Hz被移動(dòng)到發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)頻率之外，共振頻率為410Hz、780Hz和920Hz振動(dòng)幅值下降約2g。跟蹤5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)，機(jī)體均未出現(xiàn)破裂故障。文中故障診斷方法具有一定工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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