通過振動分析提高發(fā)動機(jī)測試臺架運行效率

邱國生

(北京福田康明斯發(fā)動機(jī)有限公司,北京 102206)

0 前言

在發(fā)動機(jī)研發(fā)及生產(chǎn)制造過程中,發(fā)動機(jī)的臺架試驗是一個非常重要的環(huán)節(jié),是檢測發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)和可靠性的重要工藝流程,福田康明斯發(fā)動機(jī)測試線引進(jìn)AVL集裝箱式臺架(圖1),核心硬件系統(tǒng)包括電力測功機(jī)控制系統(tǒng)、燃油控制系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、冷卻液控制系統(tǒng)、機(jī)油控制系統(tǒng)、通風(fēng)冷卻系統(tǒng)及油耗儀與其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備等,具備高度準(zhǔn)確性和可靠性。同時使用Puma系統(tǒng)完成測試過程執(zhí)行、測試結(jié)果判斷、數(shù)據(jù)采集分析及發(fā)動機(jī)保護(hù)等。

在生產(chǎn)過程中,發(fā)動機(jī)通過試驗托盤自動與臺架通過輥道進(jìn)行對接,將發(fā)動機(jī)各個系統(tǒng)與臺架通過托盤連接,同時發(fā)動機(jī)的工藝飛輪花鍵軸通過連接盤的母花鍵、連接法蘭、帶緩沖橡膠的聯(lián)軸器及連接軸與測功機(jī)直接連接起來。

1 故障現(xiàn)象

在利用發(fā)動機(jī)臺架進(jìn)行試驗時,在測試循環(huán)工況過程中偶爾會發(fā)生振動瞬間異常增大,測功機(jī)水平方向振動速度達(dá)10 mm/s,臺架振動自動監(jiān)控系統(tǒng)報警停機(jī),嚴(yán)重影響到生產(chǎn)線的運行效率。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)有前端聯(lián)軸器緩沖橡膠塊與保護(hù)罩干涉產(chǎn)生磨損痕跡,存在橡膠塊磨損斷裂的風(fēng)險(圖2)。

2 原因分析

故障樹[1]分析是描述事故因果關(guān)系的有效方法,是系統(tǒng)安全工程中重要的分析方法之一,能對各種系統(tǒng)的危險性進(jìn)行識別評價,既適用于定性分析,又能進(jìn)行定量分析。它是1種從系統(tǒng)到部件,再到零件,按“下降形”分析的方法。也可以用來分析零件、部件或子系統(tǒng)故障對系統(tǒng)故障的影響。圖3示出了采用故障樹分析法對測功機(jī)振動超標(biāo)故障的分析。

試驗臺架測功機(jī)振動大的原因理論上有很多,經(jīng)過系統(tǒng)分析,總結(jié)出如下幾個可能原因：(1)發(fā)動機(jī)扭振過大;(2)托盤與測功機(jī)不對中;(3)測功機(jī)存在機(jī)械松動;(4)軸承故障;(5)測功機(jī)定子故障;(6)測功機(jī)轉(zhuǎn)子故障;(7)發(fā)動機(jī)運動部件導(dǎo)致振動大;(8)發(fā)動機(jī)標(biāo)定導(dǎo)致振動大[2]。

圖3 測功機(jī)振動超標(biāo)故障分析

需要對振動分析及對比試驗進(jìn)行一一驗證,找出試驗臺架振動異常的原因。

3 原因驗證

3.1 發(fā)動機(jī)扭振試驗

發(fā)動機(jī)扭振的主要貢獻(xiàn)源是發(fā)動機(jī)的周期燃燒引起曲軸扭轉(zhuǎn)振動。對發(fā)動機(jī)而言,產(chǎn)生的扭矩主要有機(jī)械運動產(chǎn)生的扭矩、不平衡慣性力產(chǎn)生的扭矩及周期燃燒氣體壓力產(chǎn)生的扭矩,作用在發(fā)動機(jī)上的總扭矩是壓力產(chǎn)生的扭矩和慣性扭矩的總和。周期變化的不平衡扭矩導(dǎo)致傳動軸轉(zhuǎn)速的瞬態(tài)波動及不規(guī)則動態(tài)扭轉(zhuǎn)。

在發(fā)動機(jī)前端曲軸皮帶輪處進(jìn)行了碼盤的布置(圖4),每轉(zhuǎn)120個脈沖,可以分析到60階的振動階次,完全滿足分析要求。

圖4 布置碼盤

通過數(shù)據(jù)采集后處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得出扭振角隨轉(zhuǎn)速的變化階次曲線(圖5)。由結(jié)果可以看出,曲軸的扭振角最大為3階點火頻率,且不超過標(biāo)準(zhǔn),滿足設(shè)計要求。

圖5 測功機(jī)振動超標(biāo)故障分析

3.2 頻譜分析

對進(jìn)行試驗的發(fā)動機(jī)及測功機(jī)進(jìn)行振動監(jiān)測[3],試驗儀器如表1所示。圖6示出了傳感器布置圖。

表1 試驗儀器

圖6 傳感器布置位置

使用激光對中儀對托盤測功機(jī)進(jìn)行對中檢驗,水平與角度對中允差均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),水平公差小于0.03 mm,角度公差每100 mm小于0.05 mm,測試轉(zhuǎn)速在800～2 100 r/min范圍內(nèi),傳感器C振動速度的總體水平,如圖7所示,頻譜瀑布圖如圖8所示。

圖7 發(fā)動機(jī)(標(biāo)定1)振動速度總體水平

圖8 振動速度瀑布圖

由此可以看出,在振動速度總體水平上,振動超標(biāo)發(fā)生在轉(zhuǎn)速1 700 r/min附近,且頻譜成分為點火頻率;在頻譜上未發(fā)現(xiàn)明顯的基頻二倍頻的高幅值,托盤與測功機(jī)對中狀態(tài)正常;在統(tǒng)計量中,從加速度峰值(均小于5 m/s2),峭度值(3左右),歪度值(0左右)可以看出,測功機(jī)軸承處于正常狀態(tài);在頻譜中,未發(fā)現(xiàn)測功機(jī)定子故障(繞組故障)頻率,轉(zhuǎn)子故障(豎條斷裂)的頻率,測功機(jī)正常。

至此,可排除托盤與測功機(jī)不對中,測功機(jī)存在機(jī)械松動、軸承故障、測功機(jī)定子故障和測功機(jī)轉(zhuǎn)子故障。

更換發(fā)動機(jī)標(biāo)定,由標(biāo)定1切換至標(biāo)定2,在總體水平值上沒有明顯不同(圖9),可以排除標(biāo)定對振動異常的影響。

圖9 發(fā)動機(jī)(標(biāo)定2)振動速度總體水平

4 結(jié)論

根據(jù)扭振試驗及頻譜對比試驗,得出以下結(jié)論：

(1)振動瞬間增大的轉(zhuǎn)速為1 700～1 800 r/min之間,且除此區(qū)間外,測功機(jī)振動一切正常。

(2)振動增大原因為不同發(fā)動機(jī)間的硬件差別,如工程機(jī)械和公路用車的發(fā)動機(jī)在硬件上有很大不同。

根據(jù)發(fā)動機(jī)測試程序,高低怠速及功率點、額定點的試驗轉(zhuǎn)速,振動值均在正常范圍,轉(zhuǎn)速1 700～1 800 r/min區(qū)間不是重點關(guān)注工況,可以采用緊急拉升或降低的方法,讓測試程序迅速通過此轉(zhuǎn)速區(qū)間,避免設(shè)備報警停機(jī),提升試驗臺架運行效率。