柴油机活塞敲击及其振动响应机理研究

李晓磊，刘建敏，乔新勇，李晓伟，张 杰

（1.装甲兵工程学院机械工程系，北京 100072；2.解放军77160部队，四川 犍 为 614400；3.上海福伊特水电设备有限公司，上海 200240；4.中国人民解放军驻318厂军事代表室，北京 100053）

柴油机表面振动信号蕴含了丰富的工作状态信息，振动检测具有无损性、在线性等优点，因此人们通常将振动监测诊断作为机械设备故障诊断的首选方法［1］。目前，基于振动的故障诊断大多集中于特征提取方法和模式识别方法的研究，例如人工神经网络、经验模式分解以及支持向量机等。同时，振动分析法逐渐向多方法融合发展。林瑞霖等运用EMD方法对柴油机缸盖振动信号进行分析，求得各基本模态函数的能量百分比，将能量百分比作为神经网络的输入进行网络训练和故障识别，实现了气阀机构的故障诊断［2］。文献［3］中将经验模式分解、自回归模型以及支持向量机相结合对柴油机失火故障进行了诊断。文献［4］和文献［5］中研究者利用小波分析、希尔伯特－黄以及神经网络等一系列方法进行了基于机体振动信号的柴油机故障诊断。柴油机表面振动信号的激励源众多，其变化规律受工况及结构参数的影响较大，研究激励源特性及其影响因素可从源头把握振动信号的变化规律，对指导振动特征提取与状态监测具有重要意义。

本研究以某150柴油机为研究对象，围绕活塞敲击振动信号建立了活塞敲击动力学模型，分析了柴油机转速、负荷及温度场对活塞敲击的影响，并通过调整活塞缸套间隙，研究了活塞敲击时刻、活塞敲击动能随间隙的变化规律，为利用振动信号诊断活塞缸套磨损状况提供了理论基础。

1 动力学模型的建立

在对活塞受力分析的基础上，利用动力学软件AVL建立了活塞敲击模型，并通过与缸盖振动信号对比，验证了模型的准确性。

1.1 活塞受力分析

图1示出活塞的受力模型。以活塞销孔中心为坐标原点，活塞轴向向上为x轴正向，活塞径向由副推力面指向主推力面方向为y轴正向，以此分别建立活塞运动平衡方程（见式（1）至式（3））。该组平衡方程是分析活塞运动的依据，也是各类动力学软件仿真的理论基础。

活塞轴向运动方向：

径向运动方向：

绕销轴转动方向：

式中：m为活塞质量；Θ为活塞绕销轴的转动惯量；Fg为重力；Fgas为气体作用力；Fr为活塞环与活塞的接触力；Fc，i为接触区域i处的主推力面和副推力面接触力；Fpin为活塞销处的力；Mc为活塞缸套接触力产生的力矩；Mg为重力力矩；Mp为活塞销摩擦力产生的力矩。

1.2 动力学模型的建立

1.2.1 工况选择及缸压测量

为了便于仿真结果和实测振动信号对比，首先选择倒拖工况进行计算。倒拖转速为150r／min，同步采集缸内压力及振动数据。图2示出实测的压缩压力曲线。另外，为了研究转速变化对活塞敲击的影响，本研究同步采集了空载工况下800，1 000，1 200，1 400，1 800，2 000r／min时的振动及缸压数据。

1.2.2 活塞刚度及型线

采用Ansys计算活塞的刚度矩阵。图3示出活塞应变云图。按照软件规定的刚度矩阵格式要求，输入加载下各位置的形变，得到刚度矩阵文件。

首先研究冷态倒拖下的机体振动，加载活塞型线采用冷态型线（见图4），名义直径为149.82mm，其中0°型线与180°对称，仅列出一个。

1.2.3 温度场计算

为确保模型的准确性，除冷态倒拖工况外，其余工况计算时均需要加载相应的热边界条件。柴油机稳定工作后，其缸内燃气温度呈周期性变化，但活塞和缸壁的热交换相对来说比较缓慢，因此通常都将活塞和缸壁的温度场近似认为是稳定的温度场。将活塞有限元模型和缸套有限元模型导入Ansys workbench稳态热模块，设置平均燃气温度、对流换热系数等边界条件，进行稳态热分析，计算活塞及缸套的温度场分布，图5和图6分别示出标定工况下的活塞及缸套温度场分布。

1.3 模型的验证

由于实测活塞敲击时刻及能量比较困难，本研究通过机体振动信号的响应时刻间接验证模型的准确性。图7示出实测的右1缸机体振动信号，对其进行短时傅里叶变换，得到的时频分布见图8。

图7中L段振动出现在上止点后5°曲轴转角附近，其频率成分比较丰富，且含有2kHz以上高频成分。由于压缩压力对缸盖的作用主要为低频响应［6］，所以信号中L段高频振动不是压缩压力引起的。设定右1缸上止点为0°，绘制12150柴油机各激励的作用时刻（见表1）。右1缸爆发后的20°内，本缸及邻缸均没有其他激励的作用，因此可以断定L段高频响应来自本缸的活塞主敲击。

表1 12150柴油机工作过程中各激励作用时刻

根据实际测量的装配间隙设置模型参数，对活塞敲击进行了仿真计算，图9示出动画模拟的截图。图中所示为上止点后的主敲击，可以看出该敲击发生在4.99°曲轴转角，与振动响应时刻基本一致。因此从敲击时刻来看，该模型是基本正确的。

2 活塞敲击影响因素研究

通过仿真分析与试验数据对比，对活塞敲击时刻、敲击能量及其影响因素进行深入研究，为利用活塞敲击振动评价柴油机技术状况奠定基础。

2.1 转速变化对活塞敲击状况的影响

保持模型的间隙不变，设置不同转速并加载相应的缸内压力进行计算。活塞敲击动能见图10。

1 200r／min之前，转速越高，上止点附近的活塞主敲击越剧烈，且敲击时刻逐渐后移；1 400r／min以上，上止点附近的活塞主敲击开始减弱，到2 000r／min时活塞敲击行为基本消失。此外，在280°，380°以及460°曲轴转角位置，活塞敲击动能随着转速的升高逐渐增大。

在仿真计算的基础上，对比分析实测左1缸缸盖测点振动信号的能量分布情况。活塞敲击行为的发生主要体现为高频振动信号能量变化。由倒拖振动信号时频分析可知，活塞敲击振动的频率主要集中在20kHz以上，本研究利用高通滤波剔除20kHz以下的低频成分，并计算滤波后信号的Teager能量算子。Teager能量算子（TEO）是由Kaiser提出的一种非线性算子，它能有效提取信号的能量［7］。在连续时间信号中，TEO定义为

对于离散时间信号，式（4）可以近似表达为

利用式（5）计算了滤波后振动信号的TEO能量算子，重点对上止点附近的主敲击振动响应进行研究，各转速下的能量算子见图11至图16。800～1 200r／min时，随着转速的增大，能量算子出现增大趋势，且逐渐后移；1 400r／min时能量算子开始减弱，1 600r／min，1 800r／min时针阀落座激励和燃烧激励的响应已经延续到20°附近，无法分辨活塞主敲击的振动响应。该分析结果与计算的活塞主敲击能量变化规律基本一致，也进一步证明了模型的准确性。

综上所述，利用振动信号检测活塞敲击状况应选择15°附近振动信号，该段信号是活塞主敲击的响应，从柴油机工作时序来看干扰最小；而转速应在1 400r／min以下，对比以上分析结果，1 200r／min最好，此时活塞主敲击能量最大，振动响应最明显。

2.2 负荷变化对活塞敲击状况的影响

选择1 200r／min转速下100%负荷，50%负荷及20%负荷研究负荷变化对活塞敲击的影响。图17示出不同负荷下的实测缸内压力曲线，可以看出，随着负荷的增加，燃烧始点提前，最大燃烧压力逐渐增大。将该组缸内压力曲线加载到模型中分别进行仿真，得到不同负荷下活塞敲击动能（见图18）。随着负荷增加，缸内压力升高，而转速恒定时，惯性力基本不变，使得活塞侧向力逐渐增大，活塞主敲击明显增强，同时燃烧始点的提前，也使得活塞主敲击时刻逐渐前移。由于负荷工况时实测振动信号受燃烧激励响应的干扰较为严重，很难准确提取活塞敲击振动响应，故未对不同负荷下实测活塞敲击振动信号进行对比。

2.3 温度场对活塞敲击的影响

通过输入活塞冷态型线、材料线膨胀系数以及活塞和缸套的温度场，可以根据经验公式进行热膨胀量的计算。图19示出主推力侧活塞冷态与热态型线对比。图20示出缸套热膨胀量的轴向分布。由于铝合金材料的线膨胀系数较大，活塞裙部变形量大于缸套的变形量，使得配合间隙减小。

图21示出计算得到的冷态倒拖与热态倒拖活塞敲击能量，由于间隙减小，热态倒拖时活塞敲击动能整体出现下降趋势，尤其是上止点附近的主敲击明显减弱，整体的敲击相位变化不大。进一步对比实测倒拖振动信号的TEO能量算子，热态倒拖时的活塞主敲击缸盖振动响应非常微弱，与活塞敲击动能的变化趋势一致（见图22）。因此采用倒拖振动信号检测时最好选在发动机预热之前，此时振动响应更加清晰，且在环境温度相同的情况下，基本可以保证前后试验条件的一致性。

2.4 活塞主敲击随装配间隙的变化

由于试验条件限制，无法进行不同装配间隙下的振动检测试验，本研究主要通过仿真计算的方法研究活塞主敲击随装配间隙的变化情况。所研究柴油机的标准活塞装配间隙为0.18mm，加载1 200r／min空载工况下的缸内压力，并假设缸内压力保持不变，分别设置模型间隙为0.18mm，0.20mm，0.22mm，计算活塞敲击状况。图23示出不同间隙下活塞敲击动能的分布情况，可以看出，随着间隙增加，活塞敲击能量呈现上升趋势。

活塞敲击行为来自于两方面，首先是活塞的横向运动，其次是活塞绕销轴的旋转运动。随着间隙的增加，活塞径向位移逐渐增大，横向加速时间变长，导致活塞敲击时刻后移，径向速度增大；另一方面，随着间隙的增加，活塞绕销轴的旋转角度增大，在转动力矩的作用下，活塞敲击时刻后移，旋转速度增加。在两者综合作用下，活塞敲击动能升高，且敲击时刻后移。由此不难推断得出，随着磨损间隙的增加，振动响应的能量将会逐渐增加，且振动响应的能量分布将会后移。实车试验时可尝试利用活塞敲击振动检测活塞缸套状况。

3 结论

利用动力学仿真软件建立了活塞敲击动力学模型，并加载不同载荷及边界条件，对活塞敲击行为进行了仿真计算，通过与实测振动信号对比，研究了活塞敲击行为的影响因素。

a）空载工况下，随着转速升高，往复惯性力增强，活塞主敲击动能呈现先增加后减小的变化趋势，并在1 200r／min时达到最大值，实测振动响应也出现了相同的变化趋势；随着转速的升高，活塞敲击振动受燃烧激励及针阀落座激励的干扰逐渐加重，不利于敲击振动响应特征的提取，因此利用空载振动信号检测活塞敲击行为时应选择在1 200r／min；

b）转速恒定、负荷增加时，燃烧始点提前，燃烧压力升高，活塞主敲击时刻及动能也出现了相同的变化趋势；

c）热膨胀引起配合间隙减小，使得活塞敲击动能有所减弱，通过对比冷态与热态倒拖工况下的振动能量验证了该结论的正确性；

d）相同工况下，随着配合间隙的增加，活塞主敲击动能逐渐增大，该结论为利用振动信号检测缸套磨损提供了理论支撑。

［1］ 黄伟力，黄伟建，王 飞，等.机械设备故障诊断技术及其发展趋势［J］.矿山机械，2005（1）：66－68.

［2］ 林瑞霖，周 平.基于EMD和神经网络的气阀机构故障诊断研究［J］.海军工程大学学报，2008（2）：48－51.

［3］ 吴虎胜，吕建新.基于EMD和AR奇异值的柴油机故障诊断［J］.机械设计与制造，2011（4）：230－232.

［4］ 舒苗淼，刘广璞，潘红侠.基于振动信号的柴油机小波神经网络故障诊断研究［D］.太原：中北大学，2009.

［5］ 翟光瑞，潘红侠.基于瞬时转速和振动信号的柴油机故障诊断研究［D］.太原：中北大学，2009.

［6］ 唐 娟，程 勇.基于振动信号评价柴油机缸内燃烧状态的研究［D］.济南：山东大学，2010.

［7］ James F K.On a simple algorithm to calculate the energy of a signal［C］／／Proceedings of IEEE International Conference on Acoustics，Speech and Signal Processing.Albuquerque：IEEE，1990：381－384.