通過振動分析提高發動機測試臺架運行效率

邱國生

(北京福田康明斯發動機有限公司,北京 102206)

0 前言

在發動機研發及生產制造過程中,發動機的臺架試驗是一個非常重要的環節,是檢測發動機性能指標和可靠性的重要工藝流程,福田康明斯發動機測試線引進AVL集裝箱式臺架(圖1),核心硬件系統包括電力測功機控制系統、燃油控制系統、進排氣系統、冷卻液控制系統、機油控制系統、通風冷卻系統及油耗儀與其他數據采集設備等,具備高度準確性和可靠性。同時使用Puma系統完成測試過程執行、測試結果判斷、數據采集分析及發動機保護等。

在生產過程中,發動機通過試驗托盤自動與臺架通過輥道進行對接,將發動機各個系統與臺架通過托盤連接,同時發動機的工藝飛輪花鍵軸通過連接盤的母花鍵、連接法蘭、帶緩沖橡膠的聯軸器及連接軸與測功機直接連接起來。

1 故障現象

在利用發動機臺架進行試驗時,在測試循環工況過程中偶爾會發生振動瞬間異常增大,測功機水平方向振動速度達10 mm/s,臺架振動自動監控系統報警停機,嚴重影響到生產線的運行效率。停機檢查發現有前端聯軸器緩沖橡膠塊與保護罩干涉產生磨損痕跡,存在橡膠塊磨損斷裂的風險(圖2)。

2 原因分析

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

試驗臺架測功機振動大的原因理論上有很多,經過系統分析,總結出如下幾個可能原因：(1)發動機扭振過大;(2)托盤與測功機不對中;(3)測功機存在機械松動;(4)軸承故障;(5)測功機定子故障;(6)測功機轉子故障;(7)發動機運動部件導致振動大;(8)發動機標定導致振動大[2]。

圖3 測功機振動超標故障分析

需要對振動分析及對比試驗進行一一驗證,找出試驗臺架振動異常的原因。

3 原因驗證

3.1 發動機扭振試驗

發動機扭振的主要貢獻源是發動機的周期燃燒引起曲軸扭轉振動。對發動機而言,產生的扭矩主要有機械運動產生的扭矩、不平衡慣性力產生的扭矩及周期燃燒氣體壓力產生的扭矩,作用在發動機上的總扭矩是壓力產生的扭矩和慣性扭矩的總和。周期變化的不平衡扭矩導致傳動軸轉速的瞬態波動及不規則動態扭轉。

在發動機前端曲軸皮帶輪處進行了碼盤的布置(圖4),每轉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

通過數據采集后處理軟件進行數據分析,得出扭振角隨轉速的變化階次曲線(圖5)。由結果可以看出,曲軸的扭振角最大為3階點火頻率,且不超過標準,滿足設計要求。

圖5 測功機振動超標故障分析

3.2 頻譜分析

對進行試驗的發動機及測功機進行振動監測[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進行對中檢驗,水平與角度對中允差均在標準范圍內,水平公差小于0.03 mm,角度公差每100 mm小于0.05 mm,測試轉速在800～2 100 r/min范圍內,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 發動機(標定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,振動超標發生在轉速1 700 r/min附近,且頻譜成分為點火頻率;在頻譜上未發現明顯的基頻二倍頻的高幅值,托盤與測功機對中狀態正常;在統計量中,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,測功機軸承處于正常狀態;在頻譜中,未發現測功機定子故障(繞組故障)頻率,轉子故障(豎條斷裂)的頻率,測功機正常。

至此,可排除托盤與測功機不對中,測功機存在機械松動、軸承故障、測功機定子故障和測功機轉子故障。

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

圖9 發動機(標定2)振動速度總體水平

4 結論

根據扭振試驗及頻譜對比試驗,得出以下結論：

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

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

根據發動機測試程序,高低怠速及功率點、額定點的試驗轉速,振動值均在正常范圍,轉速1 700～1 800 r/min區間不是重點關注工況,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速區間,避免設備報警停機,提升試驗臺架運行效率。