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(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放水平、噪聲水平、振動(dòng)水平及工作可靠性等。其中，配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性和振動(dòng)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(dòng)特性，就需要研究氣門加速度信號(hào)的具體組成和這些組成對(duì)氣門振動(dòng)的影響，即實(shí)現(xiàn)氣門振動(dòng)信號(hào)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(dòng)解析方法，并通過該排氣門的氣門振動(dòng)解析結(jié)果分析發(fā)動(dòng)機(jī)氣門振動(dòng)的具體組成和影響規(guī)律。

圖片

01  氣門加速度測(cè)量

目標(biāo)柴油機(jī)在1 060 r/min 工況下排氣門振動(dòng)最大，筆者具體研究了該工況下排氣門側(cè)的氣門振動(dòng)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(dòng)總體特性的一個(gè)循環(huán)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行振動(dòng)分析。（詳細(xì)信息請(qǐng)參閱原文[1]）


圖1 標(biāo)定工況下排氣門加速度信號(hào)

02  EMD、STFT和CWT介紹

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

短時(shí)傅里葉變換(STFT)是一種常用的時(shí)頻聯(lián)合分析工具，可將信號(hào)分段加時(shí)間窗口進(jìn)行傅里葉變換，獲得各個(gè)時(shí)間段內(nèi)信號(hào)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(zhǎng)的三角函數(shù)基替換成有限長(zhǎng)、會(huì)衰減的小波基，將小波基縮放再平移到某點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行內(nèi)積即可得這一尺寸小波對(duì)應(yīng)的頻率在該點(diǎn)的幅值。（詳細(xì)信息請(qǐng)參閱原文[1]）

03  STFT和CWT、CWT和EMD解析對(duì)比

表1 為基于SIFT 方法和CWT 方法的氣門振動(dòng)解析結(jié)果對(duì)比?？芍珻WT 方法解析出的燃燒振動(dòng)、氣流振動(dòng)、落座振動(dòng)、相鄰氣門落座振動(dòng)因?yàn)閯澐謺r(shí)頻區(qū)域與STFT 方法解析結(jié)果相比基本相同，所以信號(hào)提取結(jié)果也基本相同，但CWT方法時(shí)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(duì)比


圖2 對(duì)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(dòng)、氣門落座中頻振動(dòng)、氣門搖臂碰撞振動(dòng)非常相似。但是IMF1、IMF2 相比氣門落座中、高振動(dòng)信號(hào)，明顯混疊了其他信號(hào)，由CWT 的時(shí)頻分布圖可知它們混疊了燃燒振動(dòng)、凸輪振動(dòng)、氣流振動(dòng)和相鄰氣門振動(dòng)；而IMF3 和氣門搖臂碰撞振動(dòng)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(hào)，沒有混疊其他信號(hào)。對(duì)氣門振動(dòng)影響最大的兩個(gè)分振動(dòng)為氣門落座振動(dòng)、氣門搖臂碰撞振動(dòng)。EMD 方法的前3 個(gè)模態(tài)分量恰好包含氣門落座振動(dòng)(中頻和高頻)、氣門搖臂碰撞振動(dòng)。說明在不考慮其他振動(dòng)信號(hào)影響的情況下，EMD 方法可以將主要分振動(dòng)信號(hào)提取出來。如果氣門搖臂碰撞這類振動(dòng)信號(hào)在各自頻段內(nèi)沒有混疊其他振動(dòng)信號(hào)，其分解結(jié)果和CWT 方法基本一致，并且比CWT 過程更簡(jiǎn)單，計(jì)算量更小，無需人工劃分時(shí)頻域，能夠?qū)崿F(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的自適應(yīng)分解。


圖2 CWT和EMD部分分解結(jié)果對(duì)比

04  關(guān)鍵結(jié)論

(1) EMD 方法解析過程簡(jiǎn)單、自適應(yīng)，但是不能解決頻率混疊問題；STFT 方法因?yàn)闀r(shí)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(hào)可以分解為凸輪加速度、燃燒振動(dòng)、氣門搖臂碰撞振動(dòng)、凸輪振動(dòng)、氣流振動(dòng)、氣門落座振動(dòng)和相鄰氣門振動(dòng)等分信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了氣門振動(dòng)的來源分析。

(3) 氣門落座振動(dòng)、氣門搖臂碰撞振動(dòng)信號(hào)幅度較大，能譜較高，是氣門振動(dòng)的最主要來源，主要需優(yōu)化這兩個(gè)分振動(dòng)信號(hào)；凸輪振動(dòng)、氣流振動(dòng)使氣門在開啟期間出現(xiàn)高頻振動(dòng)，但是能量較低，不會(huì)引起較大損壞，不是優(yōu)化的主要方向；燃燒振動(dòng)和相鄰氣門振動(dòng)不在氣門工作階段產(chǎn)生，且對(duì)氣門振動(dòng)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(guó)宇,郭 凱,等.內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)氣門振動(dòng)解析方法研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2021,(02):176-185.