配氣機(jī)構(gòu)是柴油機(jī)的重要組成部分，控制著柴油機(jī)的換氣過程，其設(shè)計(jì)是否合理將直接影響柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放水平、噪聲水平、振動水平及工作可靠性等。其中，配氣機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性和振動特性直接決定了氣門的反跳特性、密封性、可靠性和氣門壽命，要深入研究氣門振動特性，就需要研究氣門加速度信號的具體組成和這些組成對氣門振動的影響，即實(shí)現(xiàn)氣門振動信號的解析。本期推文筆者重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)基于單通道盲源分離技術(shù)的氣門振動解析方法，并通過該排氣門的氣門振動解析結(jié)果分析發(fā)動機(jī)氣門振動的具體組成和影響規(guī)律。

圖片

01  氣門加速度測量

目標(biāo)柴油機(jī)在1 060 r/min 工況下排氣門振動最大，筆者具體研究了該工況下排氣門側(cè)的氣門振動解析特征。為了使分析結(jié)果更具代表性，進(jìn)行了100 循環(huán)加速度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。100 循環(huán)數(shù)據(jù)的分布如圖1所示。在100 循環(huán)加速度數(shù)據(jù)中，選取最能代表氣門振動總體特性的一個循環(huán)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行振動分析。（詳細(xì)信息請參閱原文[1]）


圖1 標(biāo)定工況下排氣門加速度信號

02  EMD、STFT和CWT介紹

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓‥MD）方法基于信號本身的局部時域特征，將復(fù)雜的信號序列分解成了有限個本征模態(tài)函數(shù)(IMF)與殘余分量之和。

短時傅里葉變換(STFT)是一種常用的時頻聯(lián)合分析工具，可將信號分段加時間窗口進(jìn)行傅里葉變換，獲得各個時間段內(nèi)信號頻譜的分布。

小波變換（CWT）將傅里葉變換中的基函數(shù)由無限長的三角函數(shù)基替換成有限長、會衰減的小波基，將小波基縮放再平移到某點(diǎn)對信號進(jìn)行內(nèi)積即可得這一尺寸小波對應(yīng)的頻率在該點(diǎn)的幅值。（詳細(xì)信息請參閱原文[1]）

03  STFT和CWT、CWT和EMD解析對比

表1 為基于SIFT 方法和CWT 方法的氣門振動解析結(jié)果對比?？芍?，CWT 方法解析出的燃燒振動、氣流振動、落座振動、相鄰氣門落座振動因?yàn)閯澐謺r頻區(qū)域與STFT 方法解析結(jié)果相比基本相同，所以信號提取結(jié)果也基本相同，但CWT方法時頻區(qū)域劃分更加精細(xì)和準(zhǔn)確。

表1 STFT和CWT分解結(jié)果對比


圖2 對比了CWT 和EMD 的分解結(jié)果?？芍狤MD 的IMF1、IMF2、IMF3 分別和CWT 的氣門落座高頻振動、氣門落座中頻振動、氣門搖臂碰撞振動非常相似。但是IMF1、IMF2 相比氣門落座中、高振動信號，明顯混疊了其他信號，由CWT 的時頻分布圖可知它們混疊了燃燒振動、凸輪振動、氣流振動和相鄰氣門振動；而IMF3 和氣門搖臂碰撞振動相似度非常高，因?yàn)镮MF3 的頻段內(nèi)基本只有氣門搖臂碰撞信號，沒有混疊其他信號。對氣門振動影響最大的兩個分振動為氣門落座振動、氣門搖臂碰撞振動。EMD 方法的前3 個模態(tài)分量恰好包含氣門落座振動(中頻和高頻)、氣門搖臂碰撞振動。說明在不考慮其他振動信號影響的情況下，EMD 方法可以將主要分振動信號提取出來。如果氣門搖臂碰撞這類振動信號在各自頻段內(nèi)沒有混疊其他振動信號，其分解結(jié)果和CWT 方法基本一致，并且比CWT 過程更簡單，計(jì)算量更小，無需人工劃分時頻域，能夠?qū)崿F(xiàn)振動信號的自適應(yīng)分解。


圖2 CWT和EMD部分分解結(jié)果對比

04  關(guān)鍵結(jié)論

(1) EMD 方法解析過程簡單、自適應(yīng)，但是不能解決頻率混疊問題；STFT 方法因?yàn)闀r間分辨率和頻率分辨率相互制約，解析精度低；CWT 方法雖然計(jì)算量大，解析過程復(fù)雜，但是解析精度最高，解析效果最好。

(2) 通過CWT 方法，原始?xì)忾T加速度信號可以分解為凸輪加速度、燃燒振動、氣門搖臂碰撞振動、凸輪振動、氣流振動、氣門落座振動和相鄰氣門振動等分信號，實(shí)現(xiàn)了氣門振動的來源分析。

(3) 氣門落座振動、氣門搖臂碰撞振動信號幅度較大，能譜較高，是氣門振動的最主要來源，主要需優(yōu)化這兩個分振動信號；凸輪振動、氣流振動使氣門在開啟期間出現(xiàn)高頻振動，但是能量較低，不會引起較大損壞，不是優(yōu)化的主要方向；燃燒振動和相鄰氣門振動不在氣門工作階段產(chǎn)生，且對氣門振動影響較小，不是優(yōu)化的主要方向。

05  參考文獻(xiàn)

[1]王兆文,覃國宇,郭 凱,等.內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)氣門振動解析方法研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2021,(02):176-185.