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一種檢測和診斷發(fā)動機(jī)異響的試驗(yàn)方法
2019-07-12 00:32:26· 來源：測控視界 作者：流光歲月
摘要：發(fā)動機(jī)異響判斷是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，本文詳述了一種采用發(fā)動機(jī)噪聲振動測量的試驗(yàn)手段，來檢測和診斷發(fā)動機(jī)異響的方法，并結(jié)合具體實(shí)例驗(yàn)證了這種方法的可行
摘要：發(fā)動機(jī)異響判斷是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，本文詳述了一種采用發(fā)動機(jī)噪聲振動測量的試驗(yàn)手段，來檢測和診斷發(fā)動機(jī)異響的方法，并結(jié)合具體實(shí)例驗(yàn)證了這種方法的可行性，對解決發(fā)動機(jī)部件異響故障有一定的指導(dǎo)和借鑒作用。
關(guān)鍵字：發(fā)動機(jī)；異響；檢測和診斷
發(fā)動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時，機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)出不正常的響聲多種多樣，往往把發(fā)動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的超過技術(shù)文件規(guī)定的不正常響聲，稱為發(fā)動機(jī)異響。由于發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時異響與正常響聲混雜在一起，異響的判斷比較困難，因此需要掌握發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理和組裝檢修工藝，弄清各種異響的特征和規(guī)律，制定一套檢測和診斷的規(guī)范流程，這樣就可較準(zhǔn)確地判斷出異響發(fā)生的部位和性質(zhì)。
1 檢測和診斷發(fā)動機(jī)異響的試驗(yàn)流程
傳統(tǒng)異響檢測和診斷方法主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)。通常是借助聽診器具、斷火試驗(yàn)、工況調(diào)整等，憑耳、眼、聽、察異響變化情況；在聽察過程中，及時觀察排氣管的煙色、煙量的變化和各種儀表工作情況等等。這些方法雖然簡便易行，但是沒有形成一套標(biāo)準(zhǔn)型的規(guī)范流程，且檢測和診斷過程主要依賴經(jīng)驗(yàn)，效率偏低。
本文根據(jù)發(fā)動機(jī)異響與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、及相關(guān)部件特性等因素的相關(guān)性，利用聲壓測量、聲源定位識別和振動測量方法，制定一種發(fā)動機(jī)異響檢測及診斷流程，如圖1所示。
圖1
發(fā)動機(jī)異響檢測和診斷流程
圖1所示的發(fā)動機(jī)異響檢測和診斷流程說明如下:
第一步
按照GB1859《往復(fù)內(nèi)燃機(jī) 輻射的空氣噪聲測量方法》對發(fā)動機(jī)進(jìn)行常規(guī)噪聲聲壓測量（側(cè)重在可能有異響的某些工況），對得到的各測點(diǎn)隨轉(zhuǎn)速變化的聲壓時域幅值圖、FFT變換頻域圖和階次分布圖等進(jìn)行分析，找到聲壓突變的測點(diǎn)，及對應(yīng)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、頻率和階次。
第二步
根據(jù)第一步測量和分析結(jié)果、確定可能造成異響的發(fā)動機(jī)方位（發(fā)動機(jī)前端面、左側(cè)面、右側(cè)面、頂面、后端面和地面），對相應(yīng)方位的發(fā)動機(jī)表面進(jìn)行噪聲源定位識別，分析測量得到的表面聲壓等高線分布圖、聲強(qiáng)和聲功率頻譜分布圖。
第三步
結(jié)合第一步和第二部的測量分析結(jié)果，找到可能造成發(fā)動機(jī)異響的部件；對影響發(fā)動機(jī)異響的相關(guān)進(jìn)行振動測量和分析，并更換可能造成發(fā)動機(jī)異響的相關(guān)部件，重復(fù)第一步至第二步的工作，直至異響消除。
2 檢測和診斷發(fā)動機(jī)異響試驗(yàn)流程的應(yīng)用案例
試驗(yàn)樣機(jī)為客戶反映有異響的某高壓共軌直噴柴油機(jī)。整個試驗(yàn)環(huán)境為全封閉半自由場消聲實(shí)驗(yàn)室，其空間尺寸為9.5m(長)×8.2m(寬)×5.75m(高) ，消聲室頂棚及四周的墻壁以消聲材料覆蓋，地面為平整水泥地面，柴油機(jī)試驗(yàn)臺架采用彈性支承與地面隔開。采用多通道噪聲測量、采集和分析系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。
01 異響發(fā)動機(jī)檢測和診斷過程
發(fā)動機(jī)常規(guī)噪聲試驗(yàn)
按照國標(biāo)GB1859準(zhǔn)工程法要求，應(yīng)用9點(diǎn)1m聲壓法對發(fā)動機(jī)進(jìn)行噪聲測量。為找到發(fā)動機(jī)異響的特征位置，試驗(yàn)工況為發(fā)動機(jī)各轉(zhuǎn)速下的100%負(fù)荷、50%負(fù)荷和空負(fù)荷。試驗(yàn)結(jié)果分析得到在發(fā)動機(jī)前端面測點(diǎn)的聲壓變化趨勢不正常，如圖2所示中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為聲壓級；按照理論分析可知在同一負(fù)荷下正常發(fā)動機(jī)的聲壓應(yīng)隨轉(zhuǎn)速提高而平穩(wěn)增大，但是圖2所示試驗(yàn)結(jié)果分析可得發(fā)動機(jī)前端面測點(diǎn)在轉(zhuǎn)速1500r/min附近聲壓值有突變，例如在轉(zhuǎn)速1300r/min～1550r/min的100%負(fù)荷時從75dB（A）增大到94dB（A）后，又減小到77dB（A），即相同負(fù)荷聲壓隨轉(zhuǎn)速提高聲壓波動都很大，而不是平穩(wěn)增大，這表明發(fā)動機(jī)前端面輻射的噪聲異常，有待進(jìn)一步研究。
圖2 發(fā)動機(jī)不同負(fù)荷下聲壓變化圖
圖3 發(fā)動機(jī)噪聲階次分布圖
圖3所示為發(fā)動機(jī)前端測點(diǎn)在全負(fù)荷加速過程中的噪聲分布階次圖，圖中橫坐標(biāo)為階次，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速。顏色深淺為聲壓為大小。
從圖3試驗(yàn)結(jié)果表明，在38階頻率處，無論轉(zhuǎn)速多大，噪聲都較大（圖中黃色區(qū)域，聲壓級都在80dB（A）以上）。
圖4 發(fā)動機(jī)前端齒輪系結(jié)構(gòu)圖
從前端齒輪系結(jié)構(gòu)圖4中也可以看出，發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時有三個惰輪（凸輪軸惰齒輪、燃油泵惰齒輪和機(jī)油泵惰齒輪）與曲軸齒輪嚙合；由于曲軸齒輪齒數(shù)為38齒，即不同轉(zhuǎn)速下，曲軸嚙合頻率總是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的38倍，結(jié)合圖3試驗(yàn)結(jié)果中38階頻率處產(chǎn)生了有大的噪聲，表明這最大噪聲可能是曲軸齒輪與三個惰輪嚙合時摩擦、碰撞和沖擊激振力，引起發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)振動，通過發(fā)動機(jī)表面?zhèn)鞑サ娇諝庵挟a(chǎn)生的，也就是曲軸齒輪嚙合頻率和最大噪聲頻率相同。
發(fā)動機(jī)表面噪聲源定位試驗(yàn)
試驗(yàn)中將傳聲器聲學(xué)陣列中心對準(zhǔn)曲軸的中心，并距離發(fā)動機(jī)前端面約1m，陣列上布置36個1/4’’麥克風(fēng)，陣列中心處有一個照相機(jī)，試驗(yàn)可以測量得到200Hz-6400Hz頻率范圍內(nèi)的發(fā)動機(jī)前端表面的噪聲輻射能量和聲壓分布特性（以聲壓等高線彩色云圖顯示）。
結(jié)合前文聲壓突變的轉(zhuǎn)速、工況和階次分析結(jié)果，試驗(yàn)對發(fā)動機(jī)1500r/min全負(fù)荷工況進(jìn)行研究；如圖5所示得到的發(fā)動機(jī)前端面噪聲聲壓分布特性，為便于從聲壓彩色等高線圖中找出噪聲輻射面的主要聲源位置，圖中彩色區(qū)域顯示的聲壓級動態(tài)范圍為5 dB(A)。
圖5 發(fā)動機(jī)前端聲壓分布圖
從圖5中可以分析出，發(fā)動機(jī)前端表面噪聲輻射最大的位置是齒輪室罩蓋表面，對應(yīng)齒輪室罩蓋內(nèi)部是曲軸齒輪與凸輪軸惰輪和燃油泵惰輪嚙合處，最大聲壓級幅值達(dá)到116 dB(A)；這可能是由兩方面原因造成，一是發(fā)動機(jī)燃燒沖擊力、慣性力和齒輪系嚙合產(chǎn)生較大激振力。二是齒輪室罩蓋經(jīng)過發(fā)動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)激振后的振動響應(yīng)很大，即激振力頻率與齒輪室罩蓋某階固有頻率接近，引起齒輪室罩蓋共振，結(jié)果振動放大，因此罩蓋表面輻射的噪聲也大，這個原因需要進(jìn)一步分析驗(yàn)證。
圖6 發(fā)動機(jī)前端聲功率頻譜分布圖
圖6所示為在發(fā)動機(jī)1500rpm全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下，得到的發(fā)動機(jī)前端面噪聲聲功率頻譜分布特性。圖中橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為聲功率級。從圖中分析表明發(fā)動機(jī)輻射的噪聲聲功率級在0～4000Hz范圍內(nèi)基本在80dB（A）以上；在1700Hz左右處有很大峰值，聲功率級達(dá)到90dB（A）左右，由于人耳對這種突變聲音特別敏感，聽起來感覺就是異響刺耳。
發(fā)動機(jī)部件振動試驗(yàn)
為進(jìn)一步研究發(fā)動機(jī)異響的原因，試驗(yàn)對發(fā)動機(jī)前端面最大噪聲輻射面即齒輪室罩蓋法線方向（與表面垂直方向）的振動進(jìn)行測量。振動能量的分布特性用功率譜密度函數(shù)（PSD）表示，單位為(m/s2)2/Hz，圖7所示為發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)速1500r/min全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下測得齒輪室罩蓋的振動功率譜圖，橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示對應(yīng)頻率下的振動能量。
圖7 發(fā)動機(jī)齒輪室罩蓋振動PDS圖
從圖7中可以分析出，齒輪室罩蓋振動能量主要分布在1700Hz左右，最大峰值達(dá)到240(m/s2)2/Hz，振動能量的分布頻率正好與圖6中的噪聲峰值頻率一致，這表明發(fā)動機(jī)產(chǎn)生激振力與齒輪室罩蓋薄壁件某階固有頻率接近，引起齒輪室罩蓋共振，因此齒輪室罩蓋部件振動能量譜和表面輻射的噪聲譜峰值頻率相一致。
發(fā)動機(jī)異響原因分析
前文試驗(yàn)結(jié)果表明造成發(fā)動機(jī)異響的原因是曲軸齒輪與三個隋輪嚙合時產(chǎn)生的較大激振力，且激振力頻率特性與齒輪室罩蓋的頻率接近，引起齒輪室罩蓋共振。而引起曲軸齒輪嚙合激振力較大原因可能有兩個，第一個是由于齒輪長期動載荷下磨損或破壞，齒側(cè)間隙增大，嚙合時摩擦撞擊加??；第二個是曲軸的扭振減振器器失效，曲軸系扭振很大，破壞曲軸齒輪的正常嚙合位置而激發(fā)出很大噪聲。由于檢測齒輪磨損或破壞工藝復(fù)雜（需先拆卸發(fā)動機(jī)整個前端面，再檢測齒輪），為使試驗(yàn)流程的簡單化，先只對扭振減振器進(jìn)行檢測。
圖8 發(fā)動機(jī)減振器扭振曲線圖
圖8所示為發(fā)動機(jī)各轉(zhuǎn)速全負(fù)荷下進(jìn)行的減振器扭振試驗(yàn)結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為扭振大小。綠線表示減振器扭振隨轉(zhuǎn)速變化的3階幅值曲線，由于此諧波振幅曲線的周期均勻性，因而對曲軸沒有損害；紅線表示減振器扭振隨轉(zhuǎn)速變化的4.5階幅值曲線，藍(lán)線表示減振器扭振隨轉(zhuǎn)速變化的6階幅值曲線，試驗(yàn)需要重點(diǎn)關(guān)注4.5階和6階扭振峰值是否超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范限值標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，曲軸減振器4.5階和6階扭振峰值分別為0.441º和0.391º，都遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求的0.17º限值，表明曲軸減振器失效引起曲軸系扭轉(zhuǎn)振動過大，造成嚙合齒輪或前或后的偏離于不發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動時的正常位置，齒間發(fā)生干涉后造成的很大撞擊及異響。
02 異響發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證
圖9為更換扭振狀態(tài)良好的新減振器，加固齒輪室罩蓋螺栓后，重新對發(fā)動機(jī)各轉(zhuǎn)速前端面進(jìn)行1m聲壓級測量結(jié)果。圖9中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為聲壓級。試驗(yàn)表明，雖然全負(fù)荷和空負(fù)荷在1500r/min時有少量波動，但整個變化趨勢都是聲壓級隨轉(zhuǎn)速提升逐漸增大，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析相一致。
圖9 發(fā)動機(jī)不同負(fù)荷下聲壓變化圖
圖10為發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)速1500r/min全負(fù)荷時聲源定位和識別得到的前端面噪聲聲壓分布特性結(jié)果，從圖10中可以分析出，噪聲最大位置還是在發(fā)動機(jī)前端面齒輪室罩蓋表面，但是聲壓級峰值減小至112dB(A)，比改進(jìn)前幅值減小4dB（A），效果明顯。
圖10 發(fā)動機(jī)前端聲壓分布圖
圖11為發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)速1500r/min全負(fù)荷時聲源定位和識別得到的前端面噪聲聲功率級分布特性結(jié)果，從圖中分析表明發(fā)動機(jī)輻射的噪聲聲功率級基本在80dB（A）以下，比改進(jìn)前有明顯降低；特別是在1700Hz左右沒有明顯峰值，且聲功率級從90dB（A）降到改進(jìn)后的80dB（A）左右。通過試驗(yàn)驗(yàn)證和客戶反饋，發(fā)動機(jī)異響消除，整個發(fā)動機(jī)異響檢測和診斷試驗(yàn)方法解決了實(shí)際工程問題。
圖11 發(fā)動機(jī)前端聲功率頻譜圖
3 結(jié)論
解決發(fā)動機(jī)異響是一個比較復(fù)雜的過程，因?yàn)榘l(fā)動機(jī)工作狀態(tài)千變?nèi)f化，異響原因錯綜復(fù)雜，現(xiàn)象多種多樣，只有形成一套規(guī)范的檢測和診斷的標(biāo)準(zhǔn)流程，才能判斷和查明原因，消除異響故障。本文詳述了一種通過試驗(yàn)手段檢測和診斷發(fā)動機(jī)異響的方法，并結(jié)合一個具體實(shí)例驗(yàn)證了這種方法的可行性，雖然案例中最后解決問題的措施較簡單，但這種檢測和診斷流程和分析方法對解決發(fā)動機(jī)其他部件異響有一定的指導(dǎo)和借鑒作用。
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