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发动机缸盖螺栓拧紧力矩对机体振动的影响

2011-03-30

装备制造技术 2011年9期
关键词:方根值缸盖力矩

王 然

(淮阴工学院,江苏 淮安 223003)

发动机缸盖螺栓拧紧力矩对机体振动的影响

王 然

(淮阴工学院,江苏 淮安 223003)

针对缸盖螺栓拧紧力矩对发动机机体振动有直接影响的问题,借助必要的振动测试硬件,应用NILabVIEW开发了发动机振动数据采集与分析、数据拟合程序,以6135K-13型柴油机为研究对象,在给出振动测试方案的基础上,对采集到的振动数据进行了分析处理,研究了缸盖螺栓拧紧力矩与机体振动之间的定量关系,并对此关系进行了验证。

螺栓;拧紧力矩;发动机振动;LabVIEW

发动机作为独立工作的动力装置,在工程中应用很广泛。发动机产生异常振动时,不仅使机体本身振动加剧,而且会激励机内零部件及各种附属装置、车架等振动,从而引起各种冲击振动损坏。

引起发动机异常振动的因素有很多,缸盖螺栓拧紧力矩便是其中之一。本文以台式计算机为基础,配备必要的测试硬件,借助LabVIEW软件,开发了发动机振动测试与数据处理系统,研究了缸盖螺栓拧紧力矩与发动机机体振动之间的定量关系。

1 发动机振动测试系统的开发

图1 振动测试系统的构成

发动机振动测试系统如图1所示,根据传感器选用原则及实际测试条件,选用压电加速度传感器与电荷放大器集成在一起的LC0155型传感器,和朗斯公司专为LC01系列内装IC压电加速度传感器进行信号调理的LC0201-2信号调理器,数据采集卡则选用NI公司的DAQCARD-PCI-6014型插卡[1],其为一款基于台式计算机PCI插槽的采集卡。编程软件选用NILabVIEW。

1.1 数据采集与存储程序设计

数据采集提供了整个测试分析系统的数据来源,LabVIEW的DAQ程序包括模拟输入、输出、计数器操作以及数字输入、输出等[2],本试验所用到的主要是模拟量的输入。数据采集程序,集信号采集与频谱分析于一体,用于单通道或多通道信号的实时监测,其功能及实现方式如图2所示。

图2 数据采集程序流程图

该程序采用了Data Acquisition中AnalogInput功能下的AIWaveform NChan Samp模块进行采集的控制,信号分析中调用了Filter、FFT等现成的子VI模块。

采集数据前,应对采集通道数、采样点数、采样速率等参数进行设置,还需对滤波器、窗函数类型等进行选择。对各项参数设置好后,点击“数据采集与存储”按钮,即可进行信号的采集,可以利用前面板中的波形图(Waveform Chart)进行实时观测。

1.2 数据读取与分析程序设计

为了保证振动测试数据的准确性、可靠性,在发动机缸盖螺栓各测试拧紧力矩一定的前提下,每隔10 s就采样一组数据(即1帧),本次试验共测取15帧数据,在求得每帧振幅最大值或均方根值最大值基础上,计算15帧最大振幅值(或均方根值)的均值,以此作为缸盖螺栓在该拧紧力矩下的机体振动量。

在数据读取与分析程序设计中,共采用了两个For Loop循环结构、两个移位寄存器以及Signal Analysis下的Statistics子VI。数据读取与分析模块的程序流程图如图3所示。

图3 数据读取与分析程序流程图

1.3 数据拟合程序设计

从数据读取与分析程序中读取保存的文件,利用Signal Analysis功能下的Curve Fitting子VI对处理后的振动数据进行拟合。通过比较不同的数据拟合方式,对振动测试数据的拟合结果得出,采用5阶Polynomial Fit拟合方式对测试数据进行拟合时,均方误差MSE最小,即拟合效果最好,故本文采用这种数据拟合方式。数据拟合程序流程图如图4所示。

图4 数据拟合程序流程图

2 发动机缸盖振动测试

2.1 测试条件与方案

本试验以6135K-13型柴油机为测试对象,经理论计算知,该发动机缸盖螺栓预紧力范围为42734~86578 N,其对应的螺栓拧紧力矩为147~297.8 N·m,实际测试范围取 160~290 N·m[3]。测试时水温约为85℃,油温约为60℃,油压为0.25~0.35 MPa。

本次试验依据国家标准GB7184-87《中小功率柴油机振动测量方法》,将柴油机用螺栓刚性安装在试验台架上,并在机上布置3个测点,分别位于缸盖边沿、缸盖中间和机体侧面。

测试振动时,缸盖螺栓拧紧力矩从下限160N·m开始,采取螺栓拧紧力矩每增加5 N·m就测取一组数据,直至上限290N·m。测试过程中,将发动机设置3 种转速,即 780 r/min、1080 r/min、1200 r/min,分别采集发动机在不同转速下不同测点的振动量,为数据分析与拟合程序提供原始数据。

2.2 发动机缸盖振动测试

试验用发动机共有6缸,且两缸共用一缸盖,本次试验以5、6缸缸盖作为测试研究对象。测试时,振动传感器分别放置于5、6缸缸盖边沿、中间和发动机机体侧面靠近飞轮处[4],以测取发动机在3种不同转速下,这些位置的振动情况。发动机转速为1080 r/min、机体侧面位置振动数据采集界面如图5所示。表1为机体振动测试部分数据。

图5 振动数据采集界面

从表1可以看出:

(1)在发动机转速一定、缸盖螺栓拧紧力矩允许范围内,起初发动机机体振动随螺栓拧紧力矩增加而逐渐减小;但当振动减小到一定数值后,机体振动又随着螺栓拧紧力矩增加而逐渐增大,由此可以推断,螺栓在某一拧紧力矩范围内,可使发动机机体振动最小。

(2)在缸盖螺栓拧紧力矩一定条件下,随着发动机转速增高,机体振动幅度也有不同程度的增大。

(3)用振幅最大值和均方根值,作为特征参数分析机体振动时,两者分析的数据变化趋势一致。

3 发动机振动数据分析与拟合

对发动机振动数据分析方法有两种:一种是以一组数据中每帧数据最大值均值,作为分析参数,来进行分析;另一种是以一组数据中每帧数据均方根值均值,作为分析参数,来进行分析,限于篇幅,本文仅给出后一种方法分析结果。

表1 发动机振动测试部分数据

螺栓拧紧扭矩为175 N·m,发动机转速为1200 r/min,发动机5、6缸机体侧面位置振动测试数据分析结果,如图6所示。

图6 发动机振动数据分析图

从图6可以看出,虽然每帧数据的均方根值不同,但除个别点波动较大外,其余点变化均较小,且基本沿某一中心线上下变化,因此取多帧数据均方根值均值,作为分析参数是较科学的数据分析方法。

利用编制的拟合程序,对分析处理后的测试数据进行拟合,可得到发动机不同转速下,螺栓拧紧力矩与机体振动量间的拟合曲线,其中转速为1080 r/min、机体侧面的振动测试数据拟合曲线如图7所示。

图7 发动机振动数据拟合图

由图7可知,发动机转速为1080 r/min、机体侧面处的振动量与螺栓拧紧力矩的关系式为

式中,

y为机体振动量,V;

x为螺栓拧紧力矩,N·m。

为判断振动测试分析结论是否正确,需通过用任意螺栓拧紧力矩下,发动机的振动情况来加以验证。为使验证数据具有代表性,采集了在发动机转速为780 r/min、1080 r/min,螺栓拧紧力矩分别为182 N·m和253N·m情况下3个测点的振动数据,来进行验证,结果表明,螺栓在182N·m、253N·m拧紧力矩下的振动量,基本落在已拟合的曲线上,说明采用振动数据的均方根值均值作为拟合数据进行拟合的方法,是可行的。

4 结束语

试验研究表明,缸盖螺栓拧紧力矩对发动机机体振动影响较大。本文利用LabVIEW所开发的发动机振动测试系统,分析、研究并建立了6135K-13型柴油机缸盖螺栓拧紧力矩与机体振动之间的定量关系,这为发动机设计、生产及维修单位合理确定缸盖螺栓拧紧力矩、降低发动机振动幅度、提高发动机工作可靠性,提供了一种切实可行的研究方法与途径,也为研究其他机械振动问题,提供了有益的参考。

[1]NATIONAL INSTRUMENTSTM.The Measurement and Automation Catalog 2004[R].Austin:U.S.CORPORATE HEADQUARTERS,190-195.

[2]National Instruments Crop.LabVIEW Data Acquisition Basics Manual[M].Austin:Texas USA,January 2007,19-276.

[3]徐礼超.缸盖螺栓拧紧力矩对发动机机体振动影响的试验研究[D].上海:上海理工大学,2005.

[4]GB7184-87,中小功率柴油机振动测量方法[S].

Experimental Study on Influence of Engine Cylinder Head Bolts’Tightening Torque to Body Vibration

WANG Ran
(Huaiy in Institute of Technology,Huai’an Jiangsu 223003,China)

Cylinder head bolts’tightening torque had a direct impact on engine body vibration.With necessary vibration test hardware,we applied the software of NI Lab VIEW to develop engine vibration data acquisition and analysis,data fitting procedures,and took 6135K-13 diesel engine as a research object,on the basis of the given vibration test program,we analyzed a nd processed the sampled vibration data,studied and validated the quantitative relationship between cylinderhead bolts’tightening torque and enginebody vibration.

bolts;tightening torque;engine vibration;LabVIEW

U464.132

A

1672-545X(2011)09-0028-04

2011-06-19

王 然(1972—),男,江苏淮安人,助理实验师,研究方向:汽车性能检测与诊断。

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