基于阶次分析方法解决柴油机拍振问题

陈俊杰，李松林，张发雄，王海鹏

（广西玉柴机器股份有限公司，广西 玉林 537000）

基于阶次分析方法解决柴油机拍振问题

陈俊杰，李松林，张发雄，王海鹏

（广西玉柴机器股份有限公司，广西 玉林 537000）

运用阶次分析方法解决柴油机“拍振”问题。通过振动分析中阶次跟踪技术，对出现“拍振”问题的柴油机进行振动测试研究，在结果分析中发现该柴油机转速范围内出现1.09阶的异常阶次，经对柴油机系统排查，发现原因是由发动机曲轴齿轮与空压机齿轮的齿数比24:22所引起，修正齿数速比为1后，该型柴油机的“拍振”问题得到解决。本研究方法可以为其它机械类产品出现类似问题时提供参考。

振动与波；阶次分析；拍振；齿轮速比；柴油机

随着柴油机研究的不断向前发展，不可避免会出现一些因设计而导致柴油机工作时出现异常的情况。本文对装配玉柴某型6缸柴油发动机的轻型卡车驾驶室在柴油机怠速工况时出现明显的“拍振”现象进行研究。该现象表现为在柴油机怠速转速650 r/min时出现周期约为1秒钟左右有规律的持续抖动，随着柴油机转速的增加驾驶室的抖动频率加快，将柴油机转速提升到1 000 r/min以上后驾驶室的抖动现象消失。本文通过对该型柴油机进行台架振动测试，运用“阶次分析技术”分析柴油机整机振动测试结果［1-2］，得到该型柴油机产生“拍振”现象的原因，提出解决方案，为以后其它机械类产品同样问题提供了参考。以往研究此类“拍振”问题时，大多数采用仿真和理论分析相结合的方法［3-4］，运用阶次分析方法主要解决噪声问题。国外主要是分析仪器厂商根据不同的应用场景对阶次跟踪技术进行研究。如丹麦B&K公司在基于贝叶斯估计算法下成功实现了无转速信号下对噪声和振动阶次分量的提取。NI公司采用Gabor变换的阶次跟踪方法也在无转速计信号情况下成功提取了噪声和振动的阶次分量。

国内对阶次分析在振动噪声测试方面也有深入的研究。浙江大学的徐红梅等采用阶次分析方法以一台车用四缸发电机为研究对象分析了发电机转速对进气噪声的影响，从中分析出进气噪声的主要频率成分及相应的噪声源［5］。同济大学的周冠嵩，应用阶次分析方法对某五档客车自动变速器进行噪声测试，得到了不同档位下相应的车厢声压级情况［6］。浙江大学的孔庆鹏等针对发电机变速阶段的振动信号，通过Gabor变换以及满足信号时域重构的对偶数双正交条件，采用在时频域进行带通滤波的方法进行了阶次跟踪［7］。

1　拍振原理

柴油机在周期性运动时产生一个振动频率，这个振动频率跟柴油机的转速有一定的关系。这个频率在和其它柴油机附件的转动频率产生频率相接近时，就会发生耦合振动［8］，当这两个非常相近的振动频率叠加时，就会产生“拍振”现象［9-11］。

图1显示了两个频率很接近的合成函数的振幅随时间周期性的上升和下降。图中实线和虚线分别显示的是两种不同频率的函数。

图1　两个频率接近函数的合成图

当用两个不同频率的正弦函数重叠时，将会得到两个频率的和与差的合成。这个可以通过以下的三角函数的求和公式来表示

工程人员可以使用不同频率之间重叠产生的“拍振”频率来定义这种拍击现象。“拍振”频率可以用下面的公式给出

2　试验条件及测试用柴油机

本文研究试验用柴油机如图2所示。

图2　测试用柴油机

该柴油机基本参数为直列6缸柴油机，气缸缸径为108 mm，柴油机怠速转速为650 r/min，标定转速是2 300 r/min，额定功率为199 kW。

研究该柴油机出现异常振动现象的原因时，为得到准确的试验结果，试验在柴油机专用试验台架上进行，测试分为瞬态测试和稳态测试。瞬态工况为柴油机转速范围650 r/min～2 300 r/min内进行加速整机振动测试，稳态测试工况在柴油机转速为650 r/min时的整机振动信号［12-13］。

试验用测试设备分别为：B&K公司24通道PULSE3660C测试分析系统，传感器的基本信息为：PCB加速度传感器（3方向），灵敏度为10 mv/g，其质量为4 g。加速度传感器与测试点的连接方式采用胶粘接。柴油机整机振动的测点位置如图3所示。测点位置为柴油机的气缸盖前端。

图3　柴油机测试点位置

3　测试结果及分析

对柴油机气缸盖前端测点位置的振动信号进行阶次分析，为了得到更详细的阶次分析结果，采用分析频率400 Hz，频率分辨率0.625 Hz的分析设置。图4所示为柴油机在怠速时整机振动的阶次分析结果，从图中可以发现有2个振动幅值比较大的阶次，一个是柴油机正常的1阶次振动，另一个出现的1.088阶次整机振动不属于柴油机本身的正常发火阶次，且在1.088阶次柴油机的整机振动幅值大于其本身的1阶次振动幅值。由此推断，柴油机在怠速工况时产生的1.088阶次振动有可能是该机出现异常振动的原因。

图4　柴油机怠速工况下阶次分析图

为研究该型柴油机的异常振动是否在怠速这一特定测试工况情况下出现的单一现象，对柴油机在其整个转速范围内进行整机振动测试，通过阶次分析得到图5所示的柴油机在转速范围内整机振动的三维坎贝尔图。

图5　柴油机加速工况下测点位置坎贝尔图

从图5的气缸盖在柴油机整个转速范围内的振动测试分析结果发现，如图4一样在柴油机的气缸盖位置出现了1阶次和1.09阶两个比较大的振动阶次，并且其1.09阶次振动幅值比发动机的正常发火的1阶次振动幅值大。由此可以确定，柴油机的异常振动现象在整个转速范围内是普遍现象，这说明可能是由于柴油机本身系统出现问题导致产生的。

图6为柴油机稳态工况时，柴油机气缸盖位置的时域振动信号，通过对该信号进行研究，来确定该柴油机的异常振动是否为“拍振”现象，从图中得到该振动信号的周期为1s，而柴油机怠速工况时其1阶次频率为

图6　柴油机气缸盖前端位置振动时域图

1.088阶次频率为

当这两个非常接近的频率同时产生时会发生耦合现象，会产生一个合成波型，合成波形的频率为

波形周期为

这与图6中测试得到的柴油机气缸盖位置振动时域信号波形的周期相吻合。

由此可以确定柴油机出现的异常振动为“拍振”，是由柴油机某一系统与本身的1阶次发火频率接近，出现频率叠加而产生的现象。

4　对策

从图4和图5的振动分析结果得到是柴油机的某一运动旋转附件的1阶次振动频率与柴油机本身的1阶次振动频率接近，导致柴油机产生“拍振”现象。

与该型柴油机直接相连的运动旋转附件分别为喷油泵、凸轮轴、机油泵、空压机。这些附件通过齿轮与柴油机曲轴齿轮相连接带动转动，附件齿轮与曲轴齿轮的齿数比如表1所示。

表1　柴油机附件与曲轴齿轮比

在表1中，曲轴齿轮与的齿数比空压机系统齿轮为1.09与柴油机出现的异常1.088阶次基本一致，说明有可能是空压机系统的1阶频率与柴油机的1阶频率接近产生的“拍振”现象。

为了验证这一观点，将空压机系统拆除后重新对柴油机进行相同工况下的振动测试试验。图7为拆掉空压机系统前后在柴油机怠速工况下气缸盖位置振动的阶次对比图。通过对比可以发现拆掉空压机系统后，怠速工况时柴油机1.088阶次振动幅值基本降低为0，且此时柴油机的“拍振”现象也同时消失。

图7　拆掉空压机后怠速工况下柴油机阶次对比图

图8为在柴油机整个转速范围内气缸盖前端位置振动分析坎贝尔图发现拆掉空压机系统后在该机整个转速范围内都没有再出现1.09阶次振动，进一步确认在柴油机整个转速范围内是由于空压机系统导致该型柴油机产生“拍振”现象。

图8　加速工况下柴油机测点位置坎贝尔图

通过对图7和图8不同工况下振动测点试验结果分析得到柴油机“拍振”现象是由于柴油机曲轴齿轮与空压机齿轮的齿数比为1.09的原因引起的，解决方法是使空压机与曲轴齿轮数比为1或者使其远离1［14］。

选取的方案是将空压机与曲轴的齿数比改为1，整改后，运行柴油机，未发现在柴油机整个转速范围内再出现“拍振”现象，问题得到解决。

5　结语

针对柴油机“拍振”的问题，通过运用阶次分析的方法分析得到的柴油机在加速及怠速工况下的整机振动采集信号，得出以下结论：

（1）阶次分析方法可以将柴油机在瞬态及稳态工况下的整机振动结果直观表现出来。

（2）附件系统的1阶转动频率接近柴油机本身的1阶发火频率时会导致柴油机产生“拍振”问题。

（3）更改附件系统1阶转动频率与柴油机本身1阶发火频率相同后，有效地解决了柴油机“拍振”问题。这种方法为解决机械类产品出现类似问题时提供了参考。

［1］赵晓平，张令弥，郭勤涛.旋转机械阶比跟踪技术研究进展综述［J］.地震工程与工程振动，2008（6）：213-219.

［2］杜朝辉，李继猛，方作为，等.变速风力发电机振动信号的阶次分析［J］.振动与冲击，2012，31（S）：290-292.

［3］张宏杰.1400 m斜拉桥方案颤振临界状态拍振现象分析［J］.公路工程，2014，39（1）：145-149.

［4］钱征文，程礼，范家栋，等.某型航空发动机振动值摆动故障诊断［J］.振动、测试与诊断，2012，32（2）：208-213.

［5］徐红梅，郝志勇，郭磊.阶次分析在发动机进气噪声研究中的应用［J］.小型内燃机与摩托车，2008，37（1）：83-86.

［6］周冠嵩，吴光强.基于阶次分析的客车变速器噪声试验［J］.现代制造工程，2007，4（11）：85-88.

［7］孔庆鹏，宋开臣.发动机变速阶段振动信号时频分析阶比跟踪研究［J］.振动工程学报，2005，18（4）：448-451.

［8］郭翠翠，王波，张华兵.斜拉桥索-塔-梁耦合参数振动［J］.公路工程，2010，35（3）：52-57.

［9］ROY R CRAIG JR，著，常岭，李振邦，译.结构动力学［M］.北京：人民交通出版社，1996.

［10］陈茉莉，李舜酩，温卫东，等.多源拍振分析方法与试验［J］.振动、测试与诊断，2011，31（2）：202-206.

［11］高辉，徐龙祥.主动磁悬浮轴承系统的拍振现象分析［J］.机械工程学报，2011，47（13）：104-112.

［12］左曙光，段向雷，吴旭东.电动轮-悬架系统台架振动特性试验分析［J］.振动与冲击，2014，33（12）：165-170.

［13］朱茂桃，徐祥，田园.动力分流混合动力变速箱噪声源阶次分析研究［J］.机械设计与制造，2014，（3）：220-223.

［14］蒋亚军，胡军科，赵斌.泵-马达液压传动系统中的压力拍振分析［J］.噪声与振动控制，2015，35（4）：52-55.

The Method to Solve Beat Vibration Problem for Diesel Engines Based on OrderAnalysis

CHEN Jun-jie，LI Song-lin，ZHANG Fa-xiong，WANG Hai-peng
（Engineering Research Institute，Guang’xi Yuchai Machinery Co.Ltd.，Yuling 537005，Guang’xi China）

The purpose of this study is to use order analysis method to solve the diesel engine’s beat vibration problem.Through the order tracking technology in vibration analysis，the vibration test method for the diesel engines with beat vibration problem is studied.In the engine speed range，the abnormal order of 1.09 is found through the analysis of the results.After scanning the diesel engine system，the reason of beat vibration is found to be the ratio of the engine crankshaft gear’s tooth number to the air compressor gear’s tooth number，24：22.By correcting the gear’s tooth number ratio to be 1，the beat vibration of the diesel engine disappears.The methods proposed in this paper appear to provide a reference for solving similar problems for other mechanical products.

vibration and wave；order analysis；beat vibration；gear ratio；diesel engine

O422.6

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.018

1006-1355（2016）05-0086-04

2016-04-01

陈俊杰（1989-），男，河南省漯河市人，硕士研究生。E-mail:172981435@qq.com

李松林（1966-），男，中国香港人，本科，NVH技术总师，主要从事发动机NVH方向研究。E-mail:lisonglin@yuchai.cn