耦合故障下增程器不对中故障诊断特征变化研究

吴 强

(武汉交通职业学院 湖北 武汉：430065)

在能源危机和环境保护的大背景下，各汽车企业都在研究和开发新能源汽车，而增程式电动汽车就是其中一个重要研究方向。增程式电动汽车依靠增程器和动力电池组作为能量来源，但高度电气化和不断改进的动力系统使得增程器控制系统复杂程度不断提升[1]，故障发生的可能性增大。同时，其发动机只有在电池电量不足时才会启动，通常不需要提供车辆所有的动力需求[2]，因而较少在额定工况下运行，因此一旦出现故障不容易被察觉。增程器的发动机与发电机间是多转子系统的旋转机械的组合，旋转机械系统在高速运转下容易出现多种故障，进而影响汽车的可靠性和安全性。发动机失火和转子不对中就是发动机和转子系统常见的故障类型。

因此，探索和研究增程器失火和转子不对中故障诊断特征及其规律，对增程式电动汽车安全行驶至关重要。然而，增程器实际工作过程中某一部件的故障可能诱发其他部件故障的发生，如失火故障会导致轴系不正常旋转，从而诱发不对中故障，而不对中故障使得配气机构不正常运转，又可能诱发失火故障，故增程器的单一故障往往会发展为多故障[3-4]。增程器在耦合故障下的动力学特性比单一故障下的动力学特性更加繁琐，且表现出许多独特的动力学特性。因此，对增程器进行耦合故障下的诊断特征变化研究非常重要。

以往的耦合故障特征研究主要集中在转子系统的耦合故障研究。刘毅利用发动机转子系统实验台，对单跨转子-轴承系统的耦合碰摩故障进行了研究，提出了基于EMD的故障特征提取方法和BP神经网络、BP Adaboost的特征识别方法[5]。车凯凯等采用StribecK摩擦模型,建立了轴承分布支承下的摩擦激励轴系动力学模型，结果发现轴承倾斜故障更容易触发自激失稳，从而影响了故障特征[6]。而目前关于失火-不对中耦合故障特征研究却较少。

本文在耦合工况下对已得到的不对中故障诊断特征进行仿真分析，研究不对中故障诊断特征变化规律，同时结合机理研究，对不对中故障诊断特征的变化进行了原理分析，由此为增程器在失火-不对中耦合故障工况下的诊断研究提供了有力的参考。

1 增程器不对中故障诊断特征

1.1 增程器轴系系统数字样机刚柔混合多体动力学模型建立

本文研究的增程器是一款额定功率为24kW的特定型号增程器，根据内燃机和发电机设计标准，设计计算得到了增程器各零部件的基本尺寸。统筹使用三维CAD软件CATIA、有限元软件ANSYS和虚拟样机软件ADAMS，得到增程器轴系系统虚拟样机刚柔混合模型如图1所示。

图1 增程器轴系系统虚拟样机刚柔混合模型

1.2 不对中故障诊断特征

通过虚拟样机仿真、多体动力学分析和小波分析的验证获得了增程器轴系系统不对中故障诊断特征：

从增程器发电机转轴(以下称为“转子”)轴向转动角加速度振动频率分量中提取1.0倍转频和2.0倍转频分量作为不对中故障的诊断特征，随着不对中值的增大，1.0倍转频和2.0倍转频分量振动加剧，其可以表征不对中故障的发生。

2 耦合故障下不对中故障特征变化研究

发动机在正常工况下能达到100%的燃油爆发压力，失火故障下不能达到100%的爆发压力。因而可以通过改变发动机的爆发压力的百分比来模拟失火故障的发生。本文主要研究模拟了第一气缸失火，且模拟了失火因子K分别为1.0(正常)、0.8(爆发压力为正常的80%)、0.6(爆发压力为正常的60%)和0.4(爆发压力为正常的40%)的4组工况。考虑多不对中工况研究，本文模拟了4组工况：不对中Δ0为0mm的正常工况和不对中Δ1为0.5mm、不对中Δ2为1mm以及不对中Δ3为2mm的不对中故障工况。

为全面研究失火-不对中耦合故障下不对中故障特征的变化规律，做出在K=1.0,K=0.8、K=0.6和K=0.4三种失火工况下的多转速、多不对中值转子振动频谱三维瀑布图，如图2至图5所示。

图2 K=1.0失火工况下多转速、多不对中值转子振动频谱瀑布图

图3 K=0.8失火工况下多转速、多不对中值转子振动频谱瀑布图

图4 K=0.6失火工况下多转速、多不对中值转子振动频谱瀑布图

图5 K=0.4失火工况下多转速、多不对中值转子振动频谱瀑布图

通过对图2至图5的分析观察，发现如下规律：

(1)在任意失火系数、转速工况下，图2～图5各瀑布图中，Δ0工况下的频谱图只历经了1.0倍转频的瀑布帘，即只有1.0倍转频特性；Δ1、Δ2和Δ3工况下频谱图则历经了多条瀑布帘，即表现了多种转频成分的组合，且随着不对中值的增大，1.0倍转频和2.0倍转频瀑布帘不断上流，即不对中值越大，1.0倍转频和2.0倍转频分量振动越明显。

(2)在任意失火系数、转速工况下，图2～图5各瀑布图的频谱特性除表现出1.0倍转频、2.0倍转频等高阶倍转频(因对图形清晰程度考虑，各图中未标出3.0倍转频等高阶倍频)成分外，还表现出了0.5倍转频、1.5倍转频和2.5倍转频等含有分数倍频的频率成分，且这种分数倍频的频谱成分随失火程度加深、不对中值的增大而表现得更加明显。

为对图2至图5所呈现出的倍频值规律进行具体量化，列出转速分别为1000rpm、1500rpm、2000rpm和2500rpm下各工况的特定倍数转频分量如表1所示。

表1 多转速、多失火系数、多不对中值工况下特定倍频分量幅值表

结合表1的具体量化数值可以发现：尽管存在失火故障，但不对中故障的1.0倍转频和2.0倍转频分量的故障特征，仍表现着与单独不对中故障下的相同规律，即随不对中故障程度的加深，1.0倍转频和2.0倍转频分量都有提升。由此可知，在失火-不对中耦合故障下，不对中转频特性中的1.0倍转频分量和2.0倍转频分量仍可作为不对中故障的诊断特征。但与此同时，频谱中出现了分数倍转频成分，且随着不对中值的增加表现更为明显。

3 耦合故障机理分析

当联轴器转子间出现平行不对中时，转子的轴线间会有了平行偏移，会在转子上产生径向力和轴向力。图6为联轴器失火-平行不对中时的受力图，两半联轴器的平行不对中量为Δ，结合在P点，主动转子和被动转子的旋转中心为O1和O2，转子的角速度为ω，由于失火故障的发生，ω为变量，联轴器上P点的转角为ωt。

图6 联轴器平行不对中受力图

转子系统在旋转运动时，不同心的两转子的轴心因受到螺栓力作用，两轴会往中心靠拢。因结合点P到两转子中心的距离为被动轴大于主动轴，即PO2>PO1，故在主动轴上产生压力，被动轴上产生拉力[7]。在PO2上取一点A，且有PO1=PA。通常情况，可以近似地认为O1A垂直于PO2，则有：

AO2=PO2-PO1=Δcos(ωt)

(1)

可近似认为两半联轴器变形相等，即有

(2)

设主动轴的刚度为K，则主动轴上的压缩力和被动轴上的拉伸力为:

(3)

将轴上力F沿水平方向和竖直方向分解为FX和FY:

由对其动力学分析得到的表达式(4)可知，不对中故障会诱发振动激励力，FX和FY都是随角速度ω变化的激励力。而失火故障下，转子的角速度ω不再是一个固定值，是一个变化量，从而产生的振动激励力不再是单一的整倍数于转速变化，激励力振动产生了不确定性，故激励力表现出了分数倍转频成分，且随着不对中值Δ增大，分数倍转频分量振动加剧。故在耦合故障下，频谱中出现了分数倍转频成分，且随着不对中值的增加表现更为明显。

4 结论

在虚拟样机中搭建了增程器轴系系统多体动力学刚柔混合模型，并由此获得了不对中故障的诊断特征，在耦合工况下对已得到的不对中故障诊断特征进行仿真分析，结合故障机理研究，得到以下结论：

1)失火-不对中耦合工况下，不对中故障诊断特征仍能表征不对中故障的发生，仍能诊断不对中故障。

2)失火-不对中耦合工况下，转子振动频谱图中除了1.0倍转频和2.0倍转频等高阶倍转频成分外，还出现了分数倍转频成分，这是诱发激励力振动的频率变化所致，在耦合故障下，转子的振动频谱发生了变化。