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一種檢測(cè)和診斷發(fā)動(dòng)機(jī)異響的試驗(yàn)方法
2019-07-12 00:32:26· 來(lái)源：測(cè)控視界 作者：流光歲月
摘要：發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)噪聲振動(dòng)測(cè)量的試驗(yàn)手段，來(lái)檢測(cè)和診斷發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)噪聲振動(dòng)測(cè)量的試驗(yàn)手段，來(lái)檢測(cè)和診斷發(fā)動(dòng)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(duì)解決發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)；異響；檢測(cè)和診斷
發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的超過(guò)技術(shù)文件規(guī)定的不正常響聲，稱為發(fā)動(dòng)機(jī)異響。由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)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(cè)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(cè)和診斷發(fā)動(dòng)機(jī)異響的試驗(yàn)流程
傳統(tǒng)異響檢測(cè)和診斷方法主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)。通常是借助聽(tīng)診器具、斷火試驗(yàn)、工況調(diào)整等，憑耳、眼、聽(tīng)、察異響變化情況；在聽(tīng)察過(guò)程中，及時(shí)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(jiǎn)便易行，但是沒(méi)有形成一套標(biāo)準(zhǔn)型的規(guī)范流程，且檢測(cè)和診斷過(guò)程主要依賴經(jīng)驗(yàn)，效率偏低。
本文根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)異響與發(fā)動(dòng)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(cè)量、聲源定位識(shí)別和振動(dòng)測(cè)量方法，制定一種發(fā)動(dòng)機(jī)異響檢測(cè)及診斷流程，如圖1所示。
圖1
發(fā)動(dòng)機(jī)異響檢測(cè)和診斷流程
圖1所示的發(fā)動(dòng)機(jī)異響檢測(cè)和診斷流程說(shuō)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(cè)量方法》對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行常規(guī)噪聲聲壓測(cè)量（側(cè)重在可能有異響的某些工況），對(duì)得到的各測(cè)點(diǎn)隨轉(zhuǎn)速變化的聲壓時(shí)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(cè)點(diǎn)，及對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、頻率和階次。
第二步
根據(jù)第一步測(cè)量和分析結(jié)果、確定可能造成異響的發(fā)動(dòng)機(jī)方位（發(fā)動(dòng)機(jī)前端面、左側(cè)面、右側(cè)面、頂面、后端面和地面），對(duì)相應(yīng)方位的發(fā)動(dòng)機(jī)表面進(jìn)行噪聲源定位識(shí)別，分析測(cè)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(cè)量分析結(jié)果，找到可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)異響的部件；對(duì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)異響的相關(guān)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量和分析，并更換可能造成發(fā)動(dòng)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(cè)和診斷發(fā)動(dòng)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(gè)試驗(yàn)環(huán)境為全封閉半自由場(chǎng)消聲實(shí)驗(yàn)室，其空間尺寸為9.5m(長(zhǎng))×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(tái)架采用彈性支承與地面隔開(kāi)。采用多通道噪聲測(cè)量、采集和分析系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。
01 異響發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)和診斷過(guò)程
發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)噪聲試驗(yàn)
按照國(guó)標(biāo)GB1859準(zhǔn)工程法要求，應(yīng)用9點(diǎn)1m聲壓法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行噪聲測(cè)量。為找到發(fā)動(dòng)機(jī)異響的特征位置，試驗(yàn)工況為發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)前端面測(cè)點(diǎn)的聲壓變化趨勢(shì)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(jí)；按照理論分析可知在同一負(fù)荷下正常發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)前端面測(cè)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(shí)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(dòng)都很大，而不是平穩(wěn)增大，這表明發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)不同負(fù)荷下聲壓變化圖
圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲階次分布圖
圖3所示為發(fā)動(dòng)機(jī)前端測(cè)點(diǎn)在全負(fù)荷加速過(guò)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(wú)論轉(zhuǎn)速多大，噪聲都較大（圖中黃色區(qū)域，聲壓級(jí)都在80dB（A）以上）。
圖4 發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有三個(gè)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(dòng)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(gè)惰輪嚙合時(shí)摩擦、碰撞和沖擊激振力，引起發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)，通過(guò)發(fā)動(dòng)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(dòng)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(duì)準(zhǔn)曲軸的中心，并距離發(fā)動(dòng)機(jī)前端面約1m，陣列上布置36個(gè)1/4’’麥克風(fēng)，陣列中心處有一個(gè)照相機(jī)，試驗(yàn)可以測(cè)量得到200Hz-6400Hz頻率范圍內(nèi)的發(fā)動(dòng)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(duì)發(fā)動(dòng)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(dòng)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(jí)動(dòng)態(tài)范圍為5 dB(A)。
圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)前端聲壓分布圖
從圖5中可以分析出，發(fā)動(dòng)機(jī)前端表面噪聲輻射最大的位置是齒輪室罩蓋表面，對(duì)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(jí)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(dòng)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(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)激振后的振動(dòng)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(dòng)放大，因此罩蓋表面輻射的噪聲也大，這個(gè)原因需要進(jìn)一步分析驗(yàn)證。
圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)前端聲功率頻譜分布圖
圖6所示為在發(fā)動(dòng)機(jī)1500rpm全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下，得到的發(fā)動(dòng)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(jí)。從圖中分析表明發(fā)動(dòng)機(jī)輻射的噪聲聲功率級(jí)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(jí)達(dá)到90dB（A）左右，由于人耳對(duì)這種突變聲音特別敏感，聽(tīng)起來(lái)感覺(jué)就是異響刺耳。
發(fā)動(dòng)機(jī)部件振動(dòng)試驗(yàn)
為進(jìn)一步研究發(fā)動(dòng)機(jī)異響的原因，試驗(yàn)對(duì)發(fā)動(dòng)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(dòng)進(jìn)行測(cè)量。振動(dòng)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(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1500r/min全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下測(cè)得齒輪室罩蓋的振動(dòng)功率譜圖，橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示對(duì)應(yīng)頻率下的振動(dòng)能量。
圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪室罩蓋振動(dòng)PDS圖
從圖7中可以分析出，齒輪室罩蓋振動(dòng)能量主要分布在1700Hz左右，最大峰值達(dá)到240(m/s2)2/Hz，振動(dòng)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(dòng)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(dòng)能量譜和表面輻射的噪聲譜峰值頻率相一致。
發(fā)動(dòng)機(jī)異響原因分析
前文試驗(yàn)結(jié)果表明造成發(fā)動(dòng)機(jī)異響的原因是曲軸齒輪與三個(gè)隋輪嚙合時(shí)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(gè)，第一個(gè)是由于齒輪長(zhǎng)期動(dòng)載荷下磨損或破壞，齒側(cè)間隙增大，嚙合時(shí)摩擦撞擊加??；第二個(gè)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(cè)齒輪磨損或破壞工藝復(fù)雜（需先拆卸發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)前端面，再檢測(cè)齒輪），為使試驗(yàn)流程的簡(jiǎn)單化，先只對(duì)扭振減振器進(jìn)行檢測(cè)。
圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)減振器扭振曲線圖
圖8所示為發(fā)動(dòng)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(duì)曲軸沒(méi)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(guò)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(dòng)過(guò)大，造成嚙合齒輪或前或后的偏離于不發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)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(dòng)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速前端面進(jìn)行1m聲壓級(jí)測(cè)量結(jié)果。圖9中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為聲壓級(jí)。試驗(yàn)表明，雖然全負(fù)荷和空負(fù)荷在1500r/min時(shí)有少量波動(dòng)，但整個(gè)變化趨勢(shì)都是聲壓級(jí)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(dòng)機(jī)不同負(fù)荷下聲壓變化圖
圖10為發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1500r/min全負(fù)荷時(shí)聲源定位和識(shí)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(dòng)機(jī)前端面齒輪室罩蓋表面，但是聲壓級(jí)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(dòng)機(jī)前端聲壓分布圖
圖11為發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1500r/min全負(fù)荷時(shí)聲源定位和識(shí)別得到的前端面噪聲聲功率級(jí)分布特性結(jié)果，從圖中分析表明發(fā)動(dòng)機(jī)輻射的噪聲聲功率級(jí)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(méi)有明顯峰值，且聲功率級(jí)從90dB（A）降到改進(jìn)后的80dB（A）左右。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證和客戶反饋，發(fā)動(dòng)機(jī)異響消除，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)異響檢測(cè)和診斷試驗(yàn)方法解決了實(shí)際工程問(wèn)題。
圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)前端聲功率頻譜圖
3 結(jié)論
解決發(fā)動(dòng)機(jī)異響是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)千變?nèi)f化，異響原因錯(cuò)綜復(fù)雜，現(xiàn)象多種多樣，只有形成一套規(guī)范的檢測(cè)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(guò)試驗(yàn)手段檢測(cè)和診斷發(fā)動(dòng)機(jī)異響的方法，并結(jié)合一個(gè)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(wèn)題的措施較簡(jiǎn)單，但這種檢測(cè)和診斷流程和分析方法對(duì)解決發(fā)動(dòng)機(jī)其他部件異響有一定的指導(dǎo)和借鑒作用。
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