再制造发动机磨合质量振动监测的测点位置选择

安相璧，郭　正，陈成法，白云川，吕志明，陈　磊

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161； 2.72489部队，济南 250022)



再制造发动机磨合质量振动监测的测点位置选择

安相璧1，郭正1，陈成法1，白云川1，吕志明2，陈磊1

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161； 2.72489部队，济南 250022)

利用振动信号监测再制造发动机磨合质量，测点的准确选择对于获取有效信号，降低信号处理难度至关重要。在分析发动机各激振源特性及振动传播途径的基础上，以康明斯6BT 5.9再制造发动机为对象，采集发动机缸盖、缸盖之间缸体、活塞上止点对应的缸体端面等处的振动信号，采用时域分析、时频分析、小波包分解子带能量等方法对磨合过程中采集的样本信号进行分析及特征提取。结果表明，在发动机缸盖、活塞上止点对应的缸壁、活塞上止点对应的缸体端面处采集的信号，能够获得反映磨合质量变化的振动信息，其中，缸盖位置获取的振动信息最敏感，在选择测点位置时应该优先考虑。

再制造发动机; 磨合质量；振动监测

为保证再制造发动机抽样验收工作安全、高效地进行，首先要对其进行台架磨合作业，由于再制造发动机产品构成的特殊性，传统的磨合质量监测方法存在成本高、效率低等缺点。利用振动信号监测发动机运行状态，具有安装方便、不影响设备运行、且对机器内部变化敏感等优点，成为相关领域的研究热点[1]。在实际应用中，测点位置的选择与布置大都凭经验或者其他相关研究的结论进行，不具有针对性。本文首先基于发动机激振源的特性和振动传播途径对测点位置进行了初步的选择，然后采集各测点位置处的振动信号进行时域和时频分析，对测点位置进一步筛选，最后通过对发动机磨合过程中各工况的振动信号进行分析处理和特征提取，确定最佳测点的位置。

1　测点位置的理论分析

发动机是一种高转速的往复式动力机械，在其往复运动与点火爆燃等过程中，内部各部件会产生不同程度、不同形式的振动，如燃烧激振、排气门开启时气体节流冲击、活塞换向对缸套的冲击等，这些内部激励响应的耦合、叠加是发动机表面振动信号的主要来源[2-3]。测点的选择基于两个原则：一是测点要能够充分反映被测对象的状态信息，且信号应具有稳定、信噪比高、对故障敏感等特点；二是测点位置要便于安装信号采集设备，尽可能不影响机器运行。

基于上述原则，按照各激振源振动响应的传递路径，将振动传感器布置在距离激振源近的位置。其中，燃烧激振主要的传递途径为活塞、连杆、曲轴、主轴承、机体，然而经过多个配合件的传递，其信号特征已经大大降低，因此不建议选择这条路径；另外燃烧引起的气体力直接作用于缸盖和缸套上，使其产生振动响应，同时进、排气门节流冲击及落座冲击都直接作用于缸盖系统，因此，在燃烧室上方的缸盖表面以及对应活塞上止点附近的发动机缸体侧壁处可以进行信号采集。惯性力激励与其类似，在发动机缸体表面对应气缸的侧壁处采集较为适宜，而且应该尽量对应活塞换向的位置[4-6]。 综上分析，将测点的位置初步选择为发动机缸盖、缸盖之间的缸体、活塞上止点对应的缸壁、活塞上止点对应的发动机缸体端面和发动机台架支撑座等5处[7]。

2　振动信号的采集与分析

以康明斯6BT 5.9型再制造发动机为研究对象，采用文献[5]介绍的振动信号采集装置进行测点的布置和信号的采集，采集过程由NI公司的虚拟仪器完成。图1所示为信号采集系统简图，图2所示为测点位置布置图。

图1　振动信号采集系统结构

图2　振动测点布置情况

选用ICP加速度传感器(如图3所示)，在转速1 600 r/min、转矩220 N·m的工况下进行信号的采集，得到如图4所示的5个测点的两个周期信号[5]。

图3　缸盖处的ICP加速度传感器

图4　各采集点两个周期信号时域波形

观察图4各信号的时域波形可以看出，经过多个部件的传递，图(e)中信号噪声十分明显，大大加大了信号处理的难度，故舍弃。相比之下，图(a)、(b)、(c)、(d)中信号的信噪比良好，但图(b)中测点由于位于两个缸盖中间，同时受两个气缸的激励影响，信号成分较复杂，主要的信号成分不突出，也需舍弃。图(a)、(c)、(d)中的信号周期性明显，从波形中能够看出发动机的4个工作冲程；在信号的每一个周期内，可以看到各个幅值不同的振动成分，分别对应着发动机内部各个激励源的振动响应。为进一步分析各激励响应的来源，对这3处测点的样本信号进行降噪处理和小波时频分析[8]。图5所示为3处测点样本信号降噪前后的小波时频分析结果。

可以看出，上述3处测点采集的振动信号的特征成分得到了保留和突显，图(a)中，1 000、2 000、 2 800 Hz等信号成分周期性出现，图(b)中，800、1 300、1 600、2 200、2 600 Hz等信号成分周期性出现，图(c)中，800、1 100～1 300 Hz和2 800～3 000 Hz等信号成分周期性出现。通过分析这些特征频段信号成分在磨合过程中的变化规律，可以对再制造发动机磨合过程进行监测。

图5　振动信号降噪前后小波时频分析等高线

3　磨合过程各测点信号分析与比较

3.1磨合过程的信号采集

对康明斯6BT 5.9再制造发动机，按照表1磨合规范[9]进行两个循环的磨合，经性能检验，两个循环后再制造发动机达到了出厂要求，因此，磨合过程中的振动信号具有分析价值。为保证采集信号的一致性，统一在怠速工况(转速800 r/min、负荷0)下采集缸盖、活塞上止点对应的缸体侧壁、活塞上止点对应的缸体端面等3处位置的振动信号，依次设定为测点1、2、3。在磨合循环中，为了采集相同转速、载荷下的振动信号，可在各个非怠速工况的间隙调整发动机至怠速工况，进行信号采集，每组信号连续采集3次。因为信号采集时间短且是连续的，所以对磨合过程影响不大。试验共采集了12个工况的信号，将其按时间顺序依次编号为A～L，与磨合工况的对应关系见表2。

表1　康明斯6BT5.9发动机验收磨合规范

表2　振动信号采集序号与磨合工况对应关系

3.2基于子带能量的信号特征提取

子带能量法是一种在频域中提取信号的分析方法，它能够真实地反映发动机内部各激励响应能量占总振动能量的百分比[10]。根据不同子带能量在再制造发动机磨合过程中的变化，能够判断发动机的磨合质量。同一稳定转速下，燃烧激励响应占总能量百分比越大，其他如气门开启和落座等激励响应占总能量的百分比越小，则证明发动机运转状况越好，反之则越差；随着磨合的进行，当各激励响应能量趋于稳定时，表明发动机运行状态良好，磨合质量较好，可以进行性能试验验证该机器是否达到出厂标准。

对上节采集的振动信号降噪处理后，采用dmey小波基进行4层小波包分解，得到16个子带成分，各子带序号及其所对应的振动频率范围见表3，计算各子带成分的能量，并进行归一化处理，结果以同一条件下采集的3组振动信号的平均值为准。

表3　各子带对应的频率范围

图6是测点1在800 r/min、0负荷的怠速工况下采集的12个振动信号的子带能量分布情况。

图6　测点1各工况子带能量分布情况

由图6可以看出，能量主要集中在前8个子带中，即大于3.2 kHz的激励响应较弱，故只需分析3.2 kHz(含)以下的信号成分。为更直观地掌握在磨合过程中不同频率能量的变化情况，将测点1信号提取的前8个子带在不同工况能量分布连线，结果如图7所示。

图7　测点1各子带能量比随磨合工况变化情况

可以看出，测点1采集的各振动信号能量比的峰值频率段为1.2～1.6 kHz，这是燃烧激励响应对应的频率段，说明在怠速工况下缸盖处振动的主要激励为燃烧激励。随着磨合的进行，各子带所占的能量比值逐渐变化。其中，燃烧激励响应对应的1.2～1.6 kHz子带呈上升趋势，并最终趋于稳定。具体能量比值由初始的29.12%增加为39.74%，表明随着磨合的进行，发动机运行状况越来越好；排气门开启和落座冲击响应分别对应2.0～2.4 kHz和2.4～2.8 kHz子带，都呈现下降趋势，具体能量比值从初始的14.56%和10.12%减小为9.92%和8.13%。另外，测点2和测点3处采集的振动信号各子带能量比在磨合过程的变化曲线如图8、9所示。

图8　测点2振动信号各子带能量比随磨合工况变化情况

图9　测点3振动信号子带能量比随磨合工况变化情况

由图8可知，测点2采集的振动信号，燃烧激励响应对应的1.2～1.6 kHz子带以及活塞上止点换向撞击响应对应的2.0～2.4 kHz子带较之别的子带所占能量比值要高，因此测点2位置振动的主要激励源为燃烧激励和活塞上止点换向撞击。具体能量比值方面，燃烧激励响应对应的1.2～1.6 kHz子带呈上升趋势，由23.42%增至25.64%，且变化幅度逐渐趋缓；活塞上止点位置换向撞击响应对应的2.0～2.4 kHz子带呈下降趋势，由26.94%降至20.55%。

由图9可知，测点3位置采集的振动信号，各子带成分分布比较平均，各子带能量变化幅度较小。燃烧激励响应对应的800～1 200 Hz子带所占能量比值呈现上升趋势，由初始的17.8%增至19.3%；曲轴惯性力响应及曲轴往复旋转力响应对应的2 400～2 800 Hz和0～400 Hz所占能量比值呈下降趋势，并最终分别由初始的15.96%和16.01%降至12.52%和13.31%。

3.3测点确定

通过上述分析知，发动机缸盖、活塞上止点对应缸体侧壁、活塞上止点对应缸体端面等3个测点处采集的振动信号均能找到表征发动机磨合状态变化的特征子带，并且3个测点的分析结果具有一定的一致性。这是因为，随着磨合过程的进行，发动机各摩擦副之间配合渐趋良好，机体内部各个激励响应振动更加稳定，与摩擦副相关的机械激励在机体表面的振动响应减弱，相应的燃烧激振响应所占比重增强。

从变化幅度上来看，缸盖处采集的信号中燃烧激励响应对应能量频带变化幅度较大，更适用于监测磨合质量的变化。因此，在实际应用过程中，可以采集上述3个测点的振动信息进行研究分析，但如果为了简化工序、提高效率，可以只对缸盖处的振动信息进行监测分析来判断发动机的磨合状态。

3　结　论

以康明斯6BT 5.9型再制造发动机为研究对象，采集并分析了发动机缸盖、缸盖之间缸体、活塞上止点对应的缸壁等5处测点的振动信号。通过比较磨合过程中不同测点信号的子带能量变化发现，在发动机缸盖、活塞上止点对应的缸壁、活塞上止点对应的发动机缸体端面3个测点处，能够获得反映再制造发动机磨合质量变化的振动信息，但缸盖位置获取的振动信息最敏感，变化最清晰，在测点位置选择中应该优先考虑。

[1]张晨彬,薛澄岐.发动机振动测试方法及分析[J].电子机械工程,2006(1):1-3.

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[3]赵勇.基于子带能量法的发动机振动信号分析研究[D].呼和浩特：内蒙古工业大学，2007：34-42．

[4]刘刚,刘财勇,刘文选.发动机磨合质量及工艺水平分析与研究[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2007(6):795-796.

[5]陈成法,张哲,王龙，等.基于LabVIEW的再制造发动机磨合过程振动信号监测与采集系统[J].四川兵工学报,2014(2):78-81.

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[7]徐方,邵宇鹰,金之俭,等.变压器振动测点位置选择试验研究[J].华东电力,2012(2):274-277.

[8]安相璧,张哲,陈磊，等.新阈值算法在再制造发动机振动信号降噪中的应用[J].装甲兵工程学院学报,2013，27(2)：29-32.

[9]姜大海,王虎,安相璧，等.车用再制造发动机验收检验台架磨合规范试验研究[J].装甲兵工程学院学报,2011,25(1):83-87.

[10]梁红波,司景萍,高志鹰，等.基于子带能量法的发动机振动信号分析研究[J].噪声与振动控制,2010,30(1):72-77.

(编辑：关立哲)

Measuring Position Selection of Running-in Quality Vibration Monitoring for Remanufactured Engine

AN Xiangbi1, GUO Zheng1, CHEN Chengfa1, BAI Yunchuan1, LYU Zhiming2, CHEN Lei1

(1. Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2. Unit 72489, Ji’nan 250022, China)

Accurate selection of measuring points is essential for obtaining effective signal and reducing signal processing difficulty while monitoring running-in quality of remanufactured engine with vibration signal. After analyzing the characteristics of excitation sources and vibration transmission route, the paper takes Cummins 6BT5.9 type remanufactured engine as the object and collects vibration signals from cylinder head, cylinder and cylinder section, and analyzes and extracts features of sample signals with time-domain analysis, time-frequency analysis and wavelet packet decomposition sub-band energy method. The result shows that all these signals can obtain vibration information that reflects the change of running-in quality, and the vibration information from cylinder head is most sensitive, which should be taken priority while selecting measuring position.

remanufactured engine; running-in quality; vibration monitoring

2015- 07-15；

2015- 09-01．

军队科研计划项目(40402020102).

安相璧(1963—)，男，博士，教授，硕士研究生导师.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.02.009

TK426

A

1674-2192(2016)02- 0033- 06

● 车辆工程Vehicle Engineering