刮伤故障对发动机振动影响研究

魏丽青

（乐山职业技术学院 814000)

发动机是汽车组成及正常运行的核心部件，其性能的好坏将直接关乎到汽车能否正常运行。活塞作为内燃机的主要部件之一，其工作环境常伴随着很高的热负荷及机械负荷，由于这种复杂的工作环境，使得活塞在工作过程中存在很大的失效可能性[1]。在发动机运行过程中，活塞的主要故障由部件磨损、烧灼、结胶与积炭等引起，其中部件磨损是导致活塞故障的主要形式[2]。发动机的磨损主要有3种，分别为腐蚀、磨损和粘着，磨损主要发生在发动机磨合期。

磨料磨损是由于在界面上，捕获较硬表面或硬颗粒的运动引起的部件表面损伤[3]，磨料磨损包括2种类型，即两体磨损和三体磨损。本文以汽油4缸发动机为例，分别在发动机活塞正常及磨损条件下收集发动机振动信号，通过傅里叶变换及连续小波变换方法，对振动信号进行处理分析，并对比结果得出活塞划伤对发动机振动特性的影响。

1 基本原理

设信号x(t)能量有限，存在x(t)∈L2(R)，则连续小波变换定义为信号与小波的内积。小波族是不同子小波ga,b(t)波的集合，而子小波由母小波g(t)通过伸缩和平移变换获得，其中a为尺度参数，b为位移参数，二者之间关系为公式（1）。

小波变换的表达式为公式（2）。

其中Wg(a,b)为变换后的系数，为子小波g(t)的复共轭。

对于有限能量的信号x(t)，由于小波变换的等距特性，使得信号x(t)在小波变换前后的能量守恒，因此有公式（3）成立。

其中Cg为小波变换的容许条件，Wg(a,b)表示信号x(t)的小波变换。式中∣Wg(a,b)∣2/Cga2可以看作(a,b)平面上的能量密度函数，而∣Wg(a,b)∣2ΔaΔb/Cga2则给出以尺度a和时间b为中心，间隔分别为Δa和Δb的能量。因此信号x(t)在尺度为a时的能量临界密度函数E(a)（为尺度能量谱）表达为公式（4）。

2 实验步骤

实验采用4缸发动机，发动机参数如表1所示。为了能控制发动机的速度及载荷，配合使用190 kW的电涡流测功机。连接速度传感器、扭矩传感器、温度传感器和压力传感器，使得发动机各个参数在实验中都是可提取并可控的。

表1 发动机参数

为了收集振动信号，在发动机气缸前部安装一个型号为357B11的PCB加速计。加速计参数如表2所示。所有的信号通过MATLAB进行记录并处理。

表2 信号加速计参数

发动机从空转到额定转速加速度时间小于15 s。在实验过程中测得发动机信号及振动信号。实验前通过检查发动机的不同组建，来确定发动机的健康状况，重点检查活塞跟气缸2部分。第1次实验用于确认发动机的健康状况，其所得到的所有数据作为进一步实验的参考。

在发动机进行第一次实验后，人为制造活塞划痕（图1）。用机床在活塞裙部的侧推力面刻一道深度为0.15 mm的划痕，该数值为发动机活塞真实运行磨损统计值。如果能有效检测这一阶段的磨损，将有可能采取措施防止进一步的故障。

因此，本研究对预防发动机表面磨损故障有着重要意义。通过以上步骤，将准备好的有划痕的活塞组装在发动机中进行实验。实验步骤与具体参数如表3所示，实验过程中收集相应的振动信号及发动机参数。

3 结果与讨论

分析波形可知，发动机振动信号会受到活塞磨损的影响。通过傅里叶变换对信号进行进一步分析，信号谱中one（红色）表示发动机刮伤信号，two（蓝色）表示发动机正常振动信号（图2）。

图3为发动机正常及故障状况下的振动信号，根据傅里叶变换，并通过MATALAB中的海明窗显示的结果。通过分析可知，活塞刮痕的频段大约在2～6 kHz。为了能够对比正常及故障情况的振动信号，将振动频率最大值、平均值、能量特征值及平均值进行提取比较。

表3 实验过程及参数设置

图1 活塞划痕图

分析图4可知在频段2～6 kHz中，活塞磨损振动频率最大值（Maximum）比正常频率高约93%，平均值（Mean）高约73%，能量特征值（Energy）高约239%，最小值（RMS）高约91%。

图5是振动信号通过cwt分析得到的正常及磨损情况的频谱及时谱。通过比较时谱可知，磨损能使频率提升大约3.5 kHz。因此，磨损使得发动机的振动频率提升大约3.5 kHz。为了获取频率准确的分布，统计计算cwt分析中256个尺度的磨损能量特征值。因为损伤会增加振动信号的能量值，意味着划痕信号出现在能量更多的尺度上。

分析可知发动机正常及磨损情况状况能量差异最大的尺度为第10尺度，其对应的频率为3.3 kHz。将对比范围扩大到最大值的60%，7～11的尺度所对应的频率为3～4.7 kHz。此结果表明活塞划痕信号在发动机振动信号的3～4.7 kHz片段中体现。

4 结束语

通过对比正常运转发动机振动信号及活塞磨损发动机振动信号，利用傅里叶转换及小波变换对信号进行处理，得出以下结论。

（1）活塞划痕信号在发动机振动信号的3～4.7 kHz片段中所体现。

（2）磨损造成振动信号在发动机振动信号频段3～4.7 kHz频段中频率最大值增加了143%，平均值增加162%，RMS值增加106%，相对尖锐度增加113%。

发动机故障的准确检测将会为后续修复争取时间，大大提升发动机的使用寿命及工作稳定性。本文通过实验的方式将发动机磨损故障对振动频率的影响进行分析，为发动机故障检测及检修提供了科学的参考依据。

图2 发动机正常及磨损振动信号对比图

图3 发动机磨损振动信号傅里叶变换

图4 振动频率比较图

图5 发动机正常运转cwt分析结果