內(nèi)燃機(jī)曲軸角振動模態(tài)識別方法的研究及應(yīng)用.pdf

1、曲軸是內(nèi)燃機(jī)最重要的構(gòu)件之一，曲軸承受復(fù)雜交變的沖擊載荷而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動。軸系的扭轉(zhuǎn)振動不僅會影響軸系扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度，而且與內(nèi)燃機(jī)許多其它的故障和性能惡化有關(guān)。因此，軸系扭轉(zhuǎn)振動已經(jīng)成為內(nèi)燃機(jī)及其動力裝置設(shè)計運(yùn)用必須重視的問題之一。內(nèi)燃機(jī)軸系角振動的模態(tài)決定了曲軸的扭轉(zhuǎn)振動特性，對內(nèi)燃機(jī)曲軸角振動進(jìn)行模態(tài)分析不僅能給曲軸動力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)，而且所識別的曲軸角振動模態(tài)參數(shù)還可用于內(nèi)燃機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷以及扭振評價和校核。本

2、文針對目前曲軸角振動模態(tài)參數(shù)識別中存在的問題，發(fā)展了一套內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下曲軸角振動模態(tài)參數(shù)(固有頻率、振型、阻尼比)識別方法，并在此基礎(chǔ)上對內(nèi)燃機(jī)軸系阻尼系數(shù)的識別、基于曲軸角振動模態(tài)特性的內(nèi)燃機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等問題進(jìn)行了深入研究。研究工作不僅完善了內(nèi)燃機(jī)曲軸角振動模態(tài)參數(shù)識別技術(shù)，而且豐富了基于曲軸角振動的內(nèi)燃機(jī)故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)。主要研究內(nèi)容包括：
　　 ⑴提出了內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下曲軸角振動模態(tài)參數(shù)的實驗識別方法。推導(dǎo)

3、了考慮各角振動模態(tài)間相互影響的多缸內(nèi)燃機(jī)任意測點簡諧角振動與任意缸簡諧力矩的函數(shù)關(guān)系式；采用正交分量法消除曲軸角振動滾振和其他階模態(tài)的影響，以提高曲軸角振動模態(tài)參數(shù)的識別精度；提出利用停缸法識別內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下曲軸角振動振型。該方法所得曲軸角振動模態(tài)既符合內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下曲軸角振動實際情況，又不需要復(fù)雜的試驗設(shè)備和大量試驗工作。同時分析了功率不均衡狀況對曲軸角振動振型識別精度的影響及解決方法。
　　 ⑵根據(jù)系統(tǒng)振動能量相等的原理

4、提出了一種利用曲軸角振動模態(tài)阻尼比識別內(nèi)燃機(jī)軸系阻尼系數(shù)的方法。推導(dǎo)了曲軸角振動模態(tài)阻尼比與軸系各阻尼系數(shù)之間的關(guān)系，并建立了曲軸角振動模態(tài)阻尼比與氣缸外阻尼系數(shù)、彈聯(lián)阻尼系數(shù)以及減振器阻尼系數(shù)之間的關(guān)系式。在識別軸系阻尼系數(shù)時，通過分析內(nèi)燃機(jī)軸系阻尼特性確定對該內(nèi)燃機(jī)起主要作用的阻尼，并選擇合適的曲軸角振動振型，即可識別對內(nèi)燃機(jī)起主要作用的阻尼。該方法不需要大量實驗，精度較高。
　　 ⑶針對目前基于曲軸單諧次“準(zhǔn)剛體”模型和“

5、準(zhǔn)梯形”模型的內(nèi)燃機(jī)故障缸診斷方法的局限，提出了一種基于曲軸角振動振型特性的單缸故障缸矢量診斷方法。即在轉(zhuǎn)速一定時，如果曲軸的某諧次角振動振型在曲軸內(nèi)無結(jié)點，則通過對各缸正常工況和任意單缸故障工況下的測點該諧次角振動位移進(jìn)行矢量差計算，利用矢量差的相位就可以實現(xiàn)故障缸的準(zhǔn)確診斷。該方法不需要建立曲軸簡諧角振動診斷動力學(xué)模型，也不需要軸系結(jié)構(gòu)參數(shù)和先驗知識以及大量實驗，同時可適用于各缸發(fā)火間隔角在曲柄圓內(nèi)非對稱分布的情況。
　　

6、⑷提出一種基于曲軸角振動響應(yīng)實現(xiàn)在線監(jiān)測內(nèi)燃機(jī)功率的新方法。推導(dǎo)了內(nèi)燃機(jī)軸系測點的單諧次角振動位移與內(nèi)燃機(jī)功率的關(guān)系式；并推導(dǎo)了一定轉(zhuǎn)速下，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)各缸做功均勻，軸系測點的某諧次角振動位移幅值與內(nèi)燃機(jī)功率呈三次多項式關(guān)系；通過擬合該轉(zhuǎn)速下軸系測點的該諧次角振動位移幅值隨內(nèi)燃機(jī)功率的變化規(guī)律曲線，即可利用該諧次角振動位移幅值在線監(jiān)測內(nèi)燃機(jī)功率。該方法測試簡單，無需專用儀器，成本低，能滿足工程應(yīng)用需要。
　　 ⑸對所提出的新方法、公