許春曉，徐傳燕，陳美宏，李光勝

山東交通學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357

0 引言

隨著對船舶舒適度認(rèn)證要求的提高，船用柴油機(jī)的振動噪聲控制越來越受到重視[1]。研究表明，較大的振動噪聲是引起機(jī)械故障的原因之一。柴油機(jī)在安裝之前需要評定其振動烈度級，確定柴油機(jī)振動符合要求，減小后期某些故障發(fā)生的概率。

文獻(xiàn)[2]通過試驗對比柴油機(jī)安裝二階往復(fù)慣性力平衡機(jī)構(gòu)前、后3個方向的振動特性，證明該平衡機(jī)構(gòu)有一定的減振效果；文獻(xiàn)[3]基于性能和實踐的需求，比較了不同指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，提出對現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)建議；文獻(xiàn)[4]利用ADAMS軟件搭建了4120SG柴油機(jī)的配氣系統(tǒng)動力學(xué)模型，得到柴油機(jī)的振動響應(yīng)，對比仿真與試驗結(jié)果，分析搖臂座處振動頻譜，得出柴油機(jī)的0.5諧次振動與配氣機(jī)構(gòu)有關(guān)；文獻(xiàn)[5]采用了HHT(Hilbert-Huang transform)方法對柴油機(jī)缸蓋振動的時域和頻域響應(yīng)進(jìn)行了分析，研究表明振動信號的頻率分量由局部沖擊的高頻振動和有調(diào)頻調(diào)幅的低頻振動組成，通過試驗證明了振動信號主要集中在高頻區(qū)域；文獻(xiàn)[6]利用快速傅里葉變換與均方根方法，研究得到液化石油氣雙燃料發(fā)動機(jī)氣缸體的振動頻率主要分布在較窄的頻率區(qū)域內(nèi)，相較于相同運行條件下柴油發(fā)動機(jī)，雙燃料發(fā)動機(jī)的振動水平較低；文獻(xiàn)[7]利用試驗分析了不同工況下柴油機(jī)的振動響應(yīng)頻率分量；文獻(xiàn)[8]利用相干分析方法，只保留氣缸燃燒過程中產(chǎn)生的振動信號，對燃燒過程特征點進(jìn)行識別，測試調(diào)整后的噴油器噴射參數(shù)和發(fā)動機(jī)參數(shù)，研究了氣缸缸內(nèi)壓力與缸體加速度的關(guān)系；文獻(xiàn)[9]對柴油機(jī)振動的機(jī)理研究，提出了對柴油機(jī)局部振動和噪聲的有效控制方法，減少柴油機(jī)因振動引起的故障發(fā)生概率；文獻(xiàn)[10]根據(jù)試驗得到汽油發(fā)動機(jī)振動加速度信號，研究振動產(chǎn)生的機(jī)理，提出了用2向(即y、z方向)總加速度評價發(fā)動機(jī)振級的方法；文獻(xiàn)[11]研究了某裝甲車柴油發(fā)動機(jī)不同彈性支撐下、不同工況的振動特性，結(jié)果表明機(jī)體振動隨轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的增大而增大，為選擇合適的隔振元件提供了依據(jù)。LMS公司在邊界條件分析方面取得了很多成果，采用軟件仿真得出的結(jié)果與實際系統(tǒng)具有很高的相似性。

本文中以某船用柴油機(jī)為研究對象，通過試驗測量發(fā)動機(jī)在空載穩(wěn)速和推進(jìn)工況時的缸體振動加速度信號，分析加速度信號的頻譜和傳遞函數(shù)，確定頻率范圍，得到不同轉(zhuǎn)速下各測點振動烈度級與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，為進(jìn)一步分析柴油機(jī)的振動提供參考。

1 船用柴油機(jī)振動評級

振動烈度是最大值、平均值、均方根或其他描述振動參數(shù)的一個或一組數(shù)據(jù)，涉及多個瞬態(tài)值或多個平均值[12]。振動烈度等級應(yīng)該從每臺機(jī)器主結(jié)構(gòu)上測點處測量的位移、速度、加速度的最大總均方根值得到，按照3個總均方根結(jié)果得到3個振動烈度級[13]。本測試試驗中選取加速度均方根作為評級標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，由頻率為2～10 Hz時得到的穩(wěn)定位移計算位移總振級，位移總振級均方根

(1)

式中：D(t)為振動位移隨時間變化的函數(shù)；T為測量周期，s。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，由頻率為10～250 Hz時得到的穩(wěn)定速度計算速度總振級，速度總振級均方根

(2)

式中：v(t)為振動速度隨時間變化的函數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，由頻率為250～1000 Hz時得到的穩(wěn)定加速度計算加速度總振級，加速度總振級均方根

(3)

式中：a(t)為振動加速度隨時間變化的函數(shù)。

本文中使用加速度傳感器測量加速度信號，用加速度均方根對柴油機(jī)振動烈度級進(jìn)行評價。

2 柴油機(jī)振動測試試驗

2.1 試驗測試設(shè)備

測試所需試驗儀器設(shè)備如表1所示。

表1 測試試驗儀器

振動測試試驗采用數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)SCANDAS動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀和LMS Test.lab數(shù)據(jù)采集分析軟件[14]，采集柴油機(jī)表面的振動加速度，分析其空載穩(wěn)速及推進(jìn)工況時的振動特性并評價其振動烈度級。SCANDAS動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀包括40通道振動噪聲信號輸入、2通道轉(zhuǎn)速輸入、2通道信號輸出，每個通道最大采樣頻率為204.8 kHz，測試系統(tǒng)配置振動噪聲工作中常用的高溫單向傳感器、振動加速度傳感器，能夠滿足絕大部分試驗測試任務(wù)。LMS Test.lab系統(tǒng)提供振動噪聲以及相關(guān)信號的測試、分析、評價等全方位的解決方案[14]。

2.2 測點布置

根據(jù)該型號柴油機(jī)測試需求，在機(jī)體表面布置測點測試評定該機(jī)振動烈度級，具體測點位置和測試方向如表2所示(x方向為橫向，y方向為軸向，z方向為垂向)，各測點的具體布置位置如圖1所示。

表2 空載穩(wěn)速工況測點位置和方向

圖1 缸體空載穩(wěn)速工況測點

2.3 測試工況

本次試驗測試的工況為空載穩(wěn)速，柴油機(jī)的測試轉(zhuǎn)速為400～1000 r/min，每間隔50 r/min遞增，根據(jù)企業(yè)提供資料，800～850 r/min為重點關(guān)注轉(zhuǎn)速，每間隔10 r/min遞增。轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后采集各測試位置的振動加速度，每個穩(wěn)速工況下測試2組數(shù)據(jù)。為滿足其他研究要求，設(shè)置數(shù)據(jù)測試帶寬為0～6400 Hz，設(shè)置頻率分辨率為0.25 Hz。通常采用振動加速度均方根評定振動烈度級，根據(jù)文獻(xiàn)[13]要求，其分析頻率范圍為250～1000 Hz。

3 測試數(shù)據(jù)處理與分析

按照文獻(xiàn)[13]規(guī)定的空載穩(wěn)速工況及測點(1#～6#測點)要求進(jìn)行測試，計算各測點250～1000 Hz的振動加速度，各測點在x、y、z方向的振動加速度如圖2所示，x、y、z不同方向各測點的振動加速度對比如圖3所示。

圖2 空載穩(wěn)速工況各測點在x、y、z方向的振動加速度

圖3 空載穩(wěn)速工況x、y、z方向各測點振動加速度

由圖2可知：x向(即橫向)加速度幅值最大，y向(即軸向)幅值最小，z向(即垂向)幅值接近x向，總體呈現(xiàn)總加速度隨轉(zhuǎn)速升高而增大的趨勢。由圖3可知：5#、6#測點在各個方向的振動加速度基本一致，2#測點x、y方向的幅值變化趨勢基本一致，但幅值不同；3#、5#、6#測點在轉(zhuǎn)速為700 r/min后基本穩(wěn)定，結(jié)合圖2、3分析，3#、5#、6#測點的z向加速度幅值最大，與其他測點相比，該位置處2#測點的幅值小于其他位置測點，原因可能是該測點距離燃燒室較遠(yuǎn)。

3.1 空載穩(wěn)速振動烈度評級

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，所有測點處的最大振動烈度級為該機(jī)器振動烈度級。由測試數(shù)據(jù)計算結(jié)果和參考文獻(xiàn)[13]振動烈度級，空載、穩(wěn)速工況各測點的最大振動加速度及振動烈度評級如表3所示。

表3 空載穩(wěn)速工況下各測點最大振動加速度及振動烈度評級

由表3可知：空載穩(wěn)速工況時各轉(zhuǎn)速最大振動加速度均為+x方向，轉(zhuǎn)速為700 r/min時缸體左前中測點最大振動加速度為13.87 m/s2，振動烈度級為11.0級；振動加速度基本隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，各轉(zhuǎn)速下最大加速度大部分出現(xiàn)在2#測點，今后應(yīng)進(jìn)一步探究該測點處振動加速度大的原因。

3.2 推進(jìn)工況振動烈度評級

由于空載穩(wěn)速工況下不足以得出有效的結(jié)論，因此在2#測點進(jìn)行缸體推進(jìn)試驗，推進(jìn)工況及振動評級如表4所示。由表4可知：柴油機(jī)在推進(jìn)工況下振動加速度隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增大而增大，最高速且滿載(1000 r/min、100%負(fù)載)時振動加速度最大，為14.967 m/s2，振動烈度級為11.0級。

表4 推進(jìn)工況測試參數(shù)及振動烈度評級

空載、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為700 r/min時，缸體2#測點的振動響應(yīng)頻譜和缸體傳遞函數(shù)如圖4、5所示。

a)頻率為0～3000 Hz b)頻率為0～1000 Hz

由圖4可知：頻率在1700 Hz附近的中頻振動有較大的能量分布，但在250～1000 Hz內(nèi)，最大振動加速度的頻率約為820.32 Hz，對應(yīng)該柴油機(jī)70倍頻處；在低頻區(qū)域，各頻率振幅變化不大，即在空載、轉(zhuǎn)速為700 r/min時，激起中頻振動，使這個頻段內(nèi)的振動加速度明顯增大。

由圖5可知：振動頻率為679～934 Hz時缸體存在寬頻固有頻率，空載、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為700 r/min時，柴油機(jī)異常振動激起了某些部件此頻段的固有頻率振動，引起較小的缸體共振，對應(yīng)振動加速度增大。

a)頻率為0～3000 Hz b)頻率為0～1000 Hz

4 結(jié)論

1)從穩(wěn)速工況的振動烈度測試數(shù)據(jù)可以看出，x向(即橫向)幅值最大，y向(即軸向)幅值最小，z向(即垂向)幅值接近x向。

2)根據(jù)傳遞函數(shù)可知，缸體在679～934 Hz存在寬頻固有頻率，空載發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為700 r/min時激起較小的缸體共振，對應(yīng)振動總值增大，振動烈度級為11級。

3)總振動加速度基本隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，缸體共振在特定轉(zhuǎn)速下必然存在，只要振動不超標(biāo)即可。該測試研究對改進(jìn)柴油機(jī)振動具有一定的參考意義。