柴油机激励载荷与结构振动信号特征关系研究*

杜宪峰　梁兴雨　李志勇（1-辽宁工业大学省汽车振动与噪声工程技术研究中心　辽宁　锦州　11001　-天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室　-东风朝阳朝柴动力有限公司国家工程技术研究中心）

柴油机激励载荷与结构振动信号特征关系研究*

杜宪峰1，2，3梁兴雨2李志勇3
（1-辽宁工业大学省汽车振动与噪声工程技术研究中心辽宁锦州1210012-天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室3-东风朝阳朝柴动力有限公司国家工程技术研究中心）

建立某六缸柴油机基于多体动力学与有限元联合仿真的虚拟平台，并结合试验测试与仿真计算数据结果验证该虚拟仿真平台的合理性。同时，基于虚拟仿真平台模拟计算柴油机在燃烧激励力、侧向力、主轴承力作用下各测点的振动响应，并通过振动速度来分析不同测点处各激励力作用下振动响应信号的差别，同时着重分析了一个工作循环内侧向力三个明显波峰体现出的活塞拍击冲击响应及产生机理，以及活塞侧向力的时频特征与能量大小。研究结果表明，虚拟仿真方法与时频技术的采用有效表征了各激励载荷与结构振动信号特征的影响关系，同时也有效避免了干扰激励源或干扰信号的影响，对于制定减振降噪措施具有一定指导价值。

激励载荷振动信号虚拟仿真柴油机

引言

柴油机振动噪声主要来源于内燃机燃烧作用下各部件所产生的振动、冲击及摩擦等激励，而结构表面振动信号包含丰富的与内燃机燃烧状态及各零部件运行状态相关的信息，通常这些信息与柴油机激励力及传播途径密切相关。因此，为了改善柴油机的振动噪声特性，通过探讨激励载荷与结构振动信号特征的关系是充分理解柴油机振动噪声产生机理的重要途径之一。

国内外关于柴油机激励力与振动信号特征的研究主要表现为柴油机运行状态的健康监测，并取得了很多的研究成果[1～3]。这些成果主要通过试验手段来完成，是因为振动传感器可直接安装于柴油机表面，通常利用时频分析技术对柴油机表面振动响应信号进行信号处理，再结合柴油机工作特性进行振动信号源的识别工作。

尽管试验分析方法具有很多的优势，但试验方法主要局限于试验测点及其传递函数的唯一性，无法有效确定单独激励力对结构振动的影响[4]。同时，试验研究需要物理样机的存在，无法实现在设计阶段对柴油机不同结构振动影响因素的定量分析。为了有效避免这些不足，本文结合试验手段与虚拟仿真方法对柴油机机体表面振动信号和主要激励力的关系开展相关研究。

图1　气缸内爆发压力曲线

图2　发动机多体动力学组装模型

1　柴油机虚拟仿真平台建立

激励载荷是虚拟仿真非常重要的因素，是动力学仿真的目的，也是后期机体振动响应分析的重要基础。气体爆发压力是动力性仿真的施加激励载荷，其气体压力与活塞行程和曲轴转角密切相关，通常可以通过实际试验测量得到，并根据发动机的示功图按发火规律在多体动力学模型的活塞上施加该爆发压力。该柴油机标定工况下的爆发压力如图1所示，组装的多体动力学模型如图2所示。

采用多体动力学模型模拟发动机工作过程，仿真分析获得发动机前3个工作循环，可着重考虑振动响应计算中的一个完整周期时间作为数据分析处理时间段。有限元分析频率上限设定为4500 Hz，仿真时间间隔应设置成小于或等于采样时间。为表述方便，在发动机上定义三个方向：活塞运动方向为纵向，曲轴长度方向为轴向，另一方向为侧向。图3为第一缸的活塞侧向力。

由图3可知，在活塞压缩行程中，次推力侧出现最大值，在巨大的爆发压力下，迅速转为对主推力侧的最大值，其最大值出现在活塞到达上止点附近，其大小和方向呈周期性变化，其它各缸气体爆发压力对第一缸活塞和机体的侧向力也有影响，但影响不大。此外，可计算获得主轴承的侧向和纵向载荷，其最大载荷值对应于该主轴承最近气缸的气体爆发点处。主轴承在横向与纵向上所受的载荷变化与各缸的发火顺序相对应。

机体激励力是影响机体振动响应计算准确性和可靠性的关键因素，直接决定了振动响应计算的真实性。其中，燃烧爆发压力主要作用在缸盖的燃烧室壁面和活塞上，并最终通过缸盖螺栓作用于机体顶面，主轴承振动通过主轴承连接的加强筋和腹板传递，从而引起机体裙部和油底壳的振动。因此，采用有限元动力响应分析方法，模拟机体在实际工况下的主轴承载荷、缸套的支承面负荷、缸盖螺栓载荷等因素，并充分考虑发动机部件接触的影响，为实现合理的机体振动预测提供了基础。柴油机机体各种激励力施加如图4所示。

图4　 整机激励力施加图

采用有限元方法对机体上的特征点在标定工况（120 kW，2300 r/min）下进行振动响应计算，为了得到运行稳定后的振动响应，取三个运行周期时间作为振动响应历程的计算时间。特征点为国家标准GB7184-1987《中小功率发动机振动评级》规定的机体上的五个测点。在振动等级分析中使用的当量振动烈度，机体系统响应的当量振动烈度为：式（1）中，Vx、Vy、Vz为X、Y、Z三个方向上各规定测点的振动速度均方根值，mm/s；Nx、Ny、Nz为X、Y、Z三个方向测点数。

依据柴油机机体的振动响应与振动烈度计算分析，获得机体五个特征点的振动速度与当量振动烈度值如表1所示。

表1　机体试验分析与仿真分析振动烈度值对比

由表1数据可知，基于试验与仿真计算的各特征点振动速度与当量振动烈度的结果比较吻合，但同时也存在一定的差异，主要原因是模型中约束及载荷边界条件同实际情况间的差异。这种差异满足允许的工程误差，验证了曲轴-机体动力学模型与机体振动预测方法的合理性。这种较为准确的曲轴-机体模型的建立与虚拟仿真分析对于指导机体的低振动改进设计具有重要意义。

2　柴油机振动响应信号特征分析

在柴油机结构虚拟仿真平台的基础上，采用振动速度来评价激励载荷沿不同传递路径引起的结构振动响应[5]。以柴油机缸盖为例，为了识别出缸内爆发压力状态特征参数和缸盖表面振动信号特征之间的关系，在缸盖侧面上布置了三个测点（测点1、3分别对应于第1、2缸盖，测点2布置于1缸和2缸中间），并通过振动速度来分析不同测点处燃烧激励振动响应信号的差别。在柴油机标定工况下，第3缸燃烧激励载荷单独作用下三个测点的振动速度对比结果如图5所示。

图5　第3缸燃烧激励载荷单独作用下不同测点的振动速度

由图5可知，柴油机在刚性约束条件下，燃烧激励载荷单独作用下的振动响应信号存在明显的分段特征，峰值压力前的振动速度变化比较平稳，与缸内压力存在近似线性特性。受机体系统特性影响，峰值压力后的振动速度表现为非线性特性。同时，由不同测点的对比结果可知，其振动响应速度具有很好的一致性，也说明在单一激励载荷作用下，相邻测点振动速度结果的差异很小。

图6为各缸燃烧激励载荷共同作用下三个测点的振动速度对比结果。

由图6可知，在各缸燃烧激励载荷共同作用下，测点3的振动速度幅值最大，测点1最小，测点2介于测点1、3之间，且与测点3的振动速度幅值相当。可见，各缸附近所测得的振动信号对燃烧激励载荷比较敏感，布置于两缸中间的测点可同时反映相邻两缸的燃烧状态信息。

比较敏感，布置于两缸中间的测点可同时反映相邻两缸的燃烧状态信息。

传统上研究柴油机活塞拍击作用下的振动信号特征，通常采用测功机拖动柴油机转动，柴油机停止供油不工作，测量其缸内压力与表面振动信号，该振动信号是由缸内无燃烧的压缩压力和活塞拍击所引起的。但是，由于燃烧工况和拖动工况下的缸内压力差别较大，就使得活塞拍击产生的振动信号差异不仅与活塞拍击密切相关，还与缸内压力有关，两种工况下所引起的振动噪声也就不相同。

为了避免燃烧激励对其它激励载荷的干扰，实现试验无法模拟的正常运转工况下的无燃烧激励研究。采用仿真平台分析正常工况与倒拖工况下振动速度的差异，柴油机不同测点对比结果如图7所示。

由图7分析结果可知，在无燃烧激励作用的倒拖工况下，仿真计算获得了缸盖测点、缸套-机体测点与主轴承-机体测点的振动速度，对于缸盖测点，其振动速度变化比较明显，而对于机体与裙部测点，其振动速度变化很小，说明燃烧激励对缸套-机体测点与主轴承-机体测点的作用很小。

图6　各缸燃烧激励载荷共同作用下不同测点的振动速度

图7　正常与倒拖工况下不同测点振动速度

柴油机在一个工作循环中，当活塞从气缸壁的一侧移向另一侧时，会造成活塞与气缸壁的碰撞，其工作原理如图8所示[6]。图9为活塞侧向力在柴油机整个工作循环中随时间的变化规律。

图8　曲柄连杆机构中往复力的产生

图9　活塞侧向力F的变化规律

由图8可知，往复力F和T由柴油机曲柄连杆机构产生，两者表现为有联系的惯性力。鉴于大型柴油机活塞的质量相当大，以及活塞与气缸之间存在的间隙，就使得活塞撞击成为柴油机主要的机械振动噪声源。气缸在上下运动过程中会产生一个侧向力F，使活塞作用在气缸壁的一侧。

由图9可知，侧向力F在一个工作循环中方向会产生八次改变，尤其以作功行程开始的上止点附近，由于气缸内高压的存在，d F/d t值最大，最严重的活塞撞击通常表现为该点，这也是柴油机机械振动噪声产生的主要根源。

在柴油机标定工况（220 kW，2300 r/min）下，仿真计算获得第六缸活塞侧向力波形如图10所示。

图10　第六缸活塞侧向力波形

由图10可以看出，一个工作循环内的侧向力包含三个明显的波峰，依据波峰分别定义区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。为了能够清晰地识别出各区域的时频特征，对区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的截取信号进行多阶段累加，其时频分析结果如图11所示。

由图11中区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ信号分析结果可知，相关波形能够清晰地体现出活塞拍击的冲击响应，同时还可以确定活塞侧向力的时频特征与能量大小[7]。区域Ⅰ与区域Ⅲ中的侧向力主要受到惯性力的影响，区域Ⅱ中的侧向力主要受到缸内压力的影响，表现为活塞换向撞击力，这种撞击在一个循环中发生多次，以燃烧上止点附近的撞击力最为强烈。

图11　活塞侧向力波形区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的信号时频分析结果

为了进一步分析各激励载荷作用下振动响应信号的相互关系，分别模拟计算柴油机燃烧激励力单独作用、侧向力单独作用、主轴承力单独作用、全部激励力作用下的振动响应速度，柴油机结构各测点的对比结果如图12、13、14所示。

图12　不同激励载荷作用下缸盖测点的振动速度

由图12可知，缸盖测点主要受到燃烧激励力与活塞侧向力的共同作用，在不同激励载荷的作用下，振动速度信号波形表现出很好的一致性，其中以全部激励力作用下的振动速度值最为显著，而主轴承力对缸盖测点振动速度的影响很小。

图13　不同激励载荷作用下机体上部测点的振动速度

图14　不同激励载荷作用下机体裙部测点的振动速度

由图14可知，裙部测点主要受到主轴承力的作用，使得主轴承力与全部激励力的作用效果基本一致，获得的振动速度值非常显著，侧向力对裙部测点也产生了一定的影响。

3　结论

1）在虚拟仿真平台的基础上，基于试验与仿真计算的各特征点振动速度与当量振动烈度的结果比较吻合，验证了多体动力学与有限元法在机体振动速度预测应用中的合理性，对于指导机体的低振动改进设计奠定了良好的基础。

2）依据活塞侧向力的区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ划分，采用时频技术能够清晰识别出活塞拍击的冲击响应，并确定活塞侧向力的时频特征与能量大小，从而分析获得各区域冲击响应的作用机理，对于改善柴油机活塞拍击现象具有一定的参考价值。

3）模拟计算柴油机在燃烧激励力、侧向力、主轴承力作用下各测点的振动响应，研究结果表明，虚拟仿真方法与时频技术的采用有效表征了各激励载荷与结构振动信号特征的影响关系，同时也有效避免了干扰激励源或干扰信号的影响，对于制定减振降噪措施具有一定指导价值。

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7Xianfeng Du，Zhijun Li，Fengrong Bi，et al.Vibrationbased feature extraction of determining dynamic characteristic forengineblock low vibration design[J].JournalofCentral South University，2012（8）：2238～2246

Research on the Relationship between the Excitation Loadsof Diesel Engine and Structural Vibration Signal Characteristics

Du Xianfeng1，2，3，Liang Xingyu2，LiZhiyong3
1-Automobile Vibration and Noise Engineering Technology Research Center of Liaoning Province，Liaoning University of Technology（Jinzhou，Liaoning，121001，China）；2-State Key
Laboratory of Engines，Tianjin University；3-NationalEngineering Research Centerof Dongfeng Chaoyang DieselCo.，Ltd

Establish the virtual simulation platform of six-cylinder diesel engine based on themulti-body dynamics and finite elementmethod，and verify the reasonableness of the virtual simulation platform through the comparison of the experimental test results and simulation data.Meanwhile，calculate each measured pointsvibration response under the roleof the fire excitation force，lateral force andmain bearing force，and analyze the difference of the vibration response signals of different measured points under differentexcitation forces，and analyze the responseand impactof themechanism ofpiston slap of the three distinct peaks in one work cycle，and the time-frequency characteristics and energy value of piston side force.The results show that virtual simulation method and time-frequency technology effectively characterize the affection relationship between the various loads and structural vibration excitation signal characteristics，and the results avoids the influence of signalor signalexcitation source，and have certain guiding value for the developmentofvibration and noise reductionmeasures.

Excitation loads，Vibration signal，Virtualsimulation，Dieselengine

TK413

A

2095-8234（2015）01-0025-06

辽宁省博士启动基金项目（20141200）。

杜宪峰（1984-），男，副教授，博士，主要研究方向为柴油机振动噪声与排放控制研究。

（2014-12-01）