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东北大学硕士学位论文摘要 柴油机配气机构和轴系的动力学特性研究 摘要 配气机构是柴油机中的一个重要部件，其性能的好坏将直接影响到整机的工作性 能，因此配气机构动力学模型的研究是当前柴油机研究的主要方向之一。柴油机配气机 构特别是气门，经常处在高温、高压下工作，因此气门机构是柴油机最容易发生故障的 零部件之一。其中，气门间隙异常是最常见的一种故障，其后果将影响气缸内的换气质 量，严重时会导致燃烧恶化。因此，对气门间隙异常的早期发现和诊断是非常必要的。 曲轴作为柴油机最大的部件，它的扭转振动特性对整机的可靠性、经济性、动力特性及 噪声都有十分重要的影响，因此柴油机轴系系统的扭转振动成为柴油机设计工作者必须 认真解决的一个问题。 本文主要以柴油机配气机构和轴系系统为研究对象，研究配气机构的动力学特性、 轴系的扭转振动特性以及由气门间隙异常引起的气门故障。在柴油机原理和柴油机故障 诊断技术的指导下，采用理论分析，数值模拟与试验测试结果相对比的研究模式，重点 对柴油机配气机构的动力学建模、变惯量引起的轴系的扭转振动以及由气门间隙异常引 起的气门故障诊断机理，哉障特征等内容进行了研究，主要的工作有： ( 1 ) 在已有配气机构单质量模型的基础上，本文采用数值积分法对柴油机配气机构 的动力学进行了计算结果表明：当凸轮处于缓冲段时，气门振动较小；当凸轮处于基 本段时，气门的位移、速度和加速度急剧增大，振动较大。 ( 2 ) 针对目前对配气机构研究的不足，在目前已有的单质量模型的基础上进行改进， 建立了配气机构更加切合实际的四质量动力学模型。然后利用直接数值积分法进行计 算，并与单质量模型和试验测试数据进行了对比，验证了该模型建立的正确性。 ( 3 ) 从时域和频域两个方面对配气机构常见的故障进行了研究，并与试验测试结果 进行了对比分析。结果表明：当气门间隙较小时，气门提前开启，气缸内压缩压力下降， 功率下降；当气门间隙较大时，气门滞后打开，提高了气缸内气体的压力，振动较大。 ( 4 ) 对具有变惯量的柴油机轴系系统的扭转振动问题进行了研究，建立了直列四缸 柴油机轴系系统的非线性动力学模型，然后利用直接数值积分法进行了计算。绘制了柴 油机轴系系统响应的时域波形图、幅值谱图、相轨迹图、p o i n c a r e 截面图等。从这些图 中发现：随着参数的变化，轴系出现拟周期、混沌等复杂的非线性动力学现象。 关键词：柴油机；配气机构：动力特性；气门间隙；轴系系统；干摩擦：扭振 一 东北大学硕士学位论文 s t u d y o nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f d i e s e le n g i n ev a l v et r a i n s h a f ts y s t e m a b s t r a c t a so n ei m p o r t a n tp a r to ft h ed i e s e le n g i n e , t h ep e r f o r m a n c eo fv a l v et r a i nd e c i d e st h e p e r f o r m a n c eo fd i e s e le n g i n e t h es t u d yo nt h ev a l v et r a i nd y n a 幽m o d e li so n em a i n q u e s t i o nf o rs t u d yo rt h ed i e s e le n g i n e b e c a u s et h et r a i no fd i e s e le n g i n e s u c ha st h ev a l v e , a l w a y sw o r k si nt h ec o n d i t i o no fh i 曲t e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r e ，i ti s o n eo ft h e v u l n e r a b l ep a r t si nt h ed i e s e l t h ev a l u ei n t e r v a lu n c o n v e n t i o n a l i t yi ssu s u a lm a l f u n c t i o n , w h i c h d i r e c t l ya f f e c tt h eq u a l i t yo fa t m o s p h e r ei nt h ec y l i n d e r , a n dd e t e r l a r a t et h ec o m b u s t i o n s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt of i n do u ta n dd i a g n o s et h i sp h e n o m e n o n c r a n ki st h em a x i m a lp a r t o ft h ed i e s e le n g i n e t o r s i o n a lv i b r a t i o no ft h ec r a n ki n f l u e n c e st h er e l i a b i l i t y , t h ee c o n o m y , t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n dt h en o i s eo ft h ed i e s e le n g i n e s ot h et o r s i o n a lv i b r a t i o no ft h e c r a n kb e c o m e so n ep r o b l e mw h i c hn e e d st or e s o l v eb yt h ed e v i s e ro f t h ed i e s e le n g i n e t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e so nt h ev a l v et r a i na n ds h a f ts y s t e m ，e s p e c i a l l yi t sd y n a m i c c h a r a c t e ra n dt h ef a u l tf r o mi t t h i sp a p e ra d o p t st h et h e o r e t i c a la n s l y s i s , n o m e r a l l ys i m u l a t e a n de x p e r i m e n t a la n a l y s i ss e p a r a t e l y t h i sp a p e ri st h ed y n a m i cm o d e l ，t h et o r s i o n a l v i b r a t i o n o fs h a f ts y s t e m , a n dt h em e c h a n i s ma n dc h a r a c t e ro fv a l v ef a u l ta r o s i n gf r o mt h ei n t c r v a l u n c o n v e n t i o n a l i t y t h ef o l l o w i n gf o u rp a r t si sm ym a i nw o r k ： ( 1 ) b a s e d0 1 1o n em a s sd y n a m i cm o d e lo ft h ev a l v et r a i n , t h i sp a p e ra n a l y s e st h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co ft h ev a l v et r a i n t h er e s u l ti n d i c a t e s ：w h e nt h ec r a i uu n d e rt h ec u s h i o np h a s e ， t h ev i b r a t i o no ft h ev a l v ei ss m a l l w h e nt h ec l a mu n d e rt h ea s c e n dp h a s e , t h ev i b r a t i o no ft h e v a l v ei ss t r o n g ( 2 ) b a s e do no n em a s sd y n a m i cm o d e lo ft h ev a l v et r a i n , f o u rm a s sd y n a m i cm o d e lo f t h ev a l v et r a i ni ss e tu pa n da n a l y z e d t h en u m e r i c a ls o l u t i o n si sc o m p a r e dw i t hf o r m e ro n e m a s sm o d e l ，a n dv a l i d a t et h ed y n a m i cm o d e li sr i g h t ( 3 ) t h eu s u a lf a u l to fv a l v ei sa n a l y s e db yt i m e r e s p o n s ea n df r e q u e n c y - r e s p o n s e ，a n d c o m p a r e dw i t ht h et e s t e dv a l u e so ft h ee x p e r i m e n t t h er e s u l ti n d i c a t e s ：w h e nt h ei n t e r v a lo f v a l v eb e c o m e ss m a l l ，t h ev a l v et a mo na h e a d t h ep r e s s u r eo f c y l i n d e rd e c l i n e s t h ep o w e ro f t h ed i e s e le n g i n ed e c l i n e s w h e nt h ei n t e r v a lo fv a l v eb e c o m e sg r e a t , t h ev a l v et u n lo nl a g g e d i i i 东北大学硕士学位论文 t h ep r e s s u r eo fc y l i n d e rr i s e s t h ev i b r a t i o no ft h ev a l v ei ss t r o n g ( 4 ) s t u d yo nt h et o r s i o n a lv i b r a t i o n 。sp r o b l e mo fs h a f ts y s t e ma n dt h ef o u rc y l i n d e r s d y n a m i cm o d e lo fs h a f ts y s t e mi s s e tu pa n da n a l y z e d d i a g r a m s & r ed r a w ns u c ha s t i m e - r e s p o n s ed i a g r a m , f r e q u e n c y - r e s p o n s ed j a 伊锄，t h ep h a s ep o r t r a i td i a g r a ma n dt h e p o i n c a r em a p p m gd i a g r a m f r o mt h e s ed i a g r a m s , w e , d i s c o v e r ：t h es h a f ts y s t e mo fd i e s e l e n g i n ea p p e a r sn o n l i n e a rd y n a m i c sp h e n o m e n o no fc y c l ea n dc h a o s c k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；v a l v et r a i n ；d y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c ；i n t e r v a lo f v a l v e ； s h a f ts y s t e m ；f r i c t i o n ；t o r s i o n a lv i b r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研 究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 祝滇锌 e t 期：2 0 0 7 弓岁 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定；即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。 学位论文作者签名：视洱锌 签字日期： 触1 3 弓 黧：兹弛 签字日期 叫 渺7 ，多多 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 柴油机是目前热效率最高的热力发动机，广泛应用于国民经济的各个领域和国防 部门，它所发出的功率占全世界所有动力装置总功率的9 0 ，预计在今后相当长的时 期内，柴油机因其特有的优点仍将处于不可代替的地位。随着柴油机向高速、大功率 方向的发展，其振动问题也日趋严重，促使人们对柴油机振动问题的研究给予更多的 关注。柴油机的振动主要包括：配气机构振动、轴系扭转振动和整机振动。 配气机构是柴油机中的一个重要部件，它的功能是实现换气过程，根据气缸的工 作次序，定时地开启和关闭进、排气门，以保证气缸吸入新鲜空气和排出燃烧废气， 使换气过程最佳。好的配气机构应使柴油机在各种工况下工作时都能获得最佳的进气 量，以保证柴油机在各种工况下工作时能发挥出最好的性能。 配气机构动力学计算的任务是在考虑构件弹性变形的情况下，计算气门及其传动 构件的真实受力和运动情况。所谓动力学计算，就是根据作用在弹性系统中各构件上 的力的平衡关系，并考虑系统中的阻尼、间隙、脱离、落座等各种因素，建立气门运 动的微分方程来求解各种转速下气门真实运动的一种计算方法。一台柴油机的经济性 能是否优越，工作是否可靠，噪音和振动能否控制在较低的限度，常常与其配气机构 的设计是否合理有密切关系。特别是随着高速、大功率柴油机的出现和应用，人们对 其性能和排放要求的不断提高，并且要保证它在恶劣的条件下仍能平稳可靠地的工作， 这就给配气机构的设计以及动力学计算增加了难度，给我们提出了许多新的研究课题。 曲轴是柴油机中最大的零部件，其功能是输出力矩，是柴油机的动力源，因而轴 系的振动是影响柴油机工作可靠性和使用寿命的主要因素之一。柴油机的轴系振动系 统包括曲轴，以及连于曲轴上的活塞、连杆、飞轮等旋转部件。由于轴系并不是一个 绝对的刚体，因此，如同其他弹性系统一样，曲轴在周期性交化的载荷作用下将产生 振动。在这个振动系统中主要是由于气缸内燃气爆发力、运动件质量产生的惯性力和 扭矩的变化使系统产生振动，这种振动形态大致可分为两种情况：其一是曲轴的弯曲 振动。该振动是由垂壹于曲轴中心线的周期性变化的作用力和曲柄的偏心质量所引起 的，由于曲轴是一个很粗的轴，曲柄比起瞌轴的质量远远小的多，曲轴的弯曲振动频 率相当高，其共振转速比柴油机的常用转速高得多，因此在计算中，曲轴的弯曲振动 常常不予考虑；再一个就是曲轴的扭转振动，简称扭振。该振动是由作用在曲轴上的 1 东北大学硕士学位论文 第1 幸绪论 周期性变化的扭矩所引起的。由于曲轴系统的弹性和各缸输出扭矩的不均匀性，可以 说任何柴油机都是在扭转振动下工作的。实践证明，轴系的扭转振动，常常对柴油机 的工作造成严重的危害，是影响柴油机使用寿命的主要因素之一。因此柴油机的轴系 扭转振动越来越受到人们的重视。 随着当今社会工业化水平的迅速发展，柴油机作为一种往复动力机械，目前已广 泛应用于石油开采、固定发电、铁路牵引、工程机械以及特种船舶等领域，日益朝着 大型化、高速化、精密化方向发展，工作性能不断改善，自动化程度越来越高。一方 面它将大大提高劳动生产率，提高产品质量，降低生产成本和能耗；但另一方面柴油 机本身结构复杂。工作条件恶劣，发生故障的可能性大，一旦发生故障不仅会影响整 个设备的正常工作，直接或间接地造成巨大的损失，而且可能危及人身安全，造成极 为严重的后果。 由于柴油机结构的复杂化，影响因素和环节也越来越多，表现出来的行为也随之 复杂多变，这就给如何正确提取故障特征、精确故障定位带来很大的困难。如何从带 有故障的柴油机复杂状态中提取故障特征，及时准确地找出故障源，避免重大事故的 发生，是柴油机领域中一个急待解决的问题，也是机械故障诊断技术继续深入发展所 面临的重大课题之一。 随着柴油机转速和载荷的不断提高，气门的工作条件更加恶劣，使得配气机构故 障成为柴油机常见的故障，多数表现为气门间隙异常和气门漏气两种故障。一旦气门 发生故障，不仅会影响整机的正常工作，而且还会影响整机的寿命。严重的情况下还 会导致整机的报废，直接或间接地造成巨大的经济损失，造成极为严重的后果。所以 开展柴油机故障诊断技术研究，不仅能够帮助我们发现故障，防止事故发生，同时能 够带来潜在的巨大的经济效益和社会效益。柴油机故障诊断已成为内燃机行业新兴的 课题之一，越来越受到企业的重视。 1 2 国内外对配气机构的研究情况 对柴油机配气机构的研究离不开对配气机构凸轮的研究，在传统的配气凸轮机构的 设计中，人们较多地采用外形简单的圆弧凸轮和切线凸轮等。由于这些凸轮存在高速平 稳性差等缺点，因此在很多场合已被性能更为优越的各种函数凸轮所代替。过去在进行 气门运动规律的计算时，是将配气机构的传动链当作完全刚性的，因而就只需进行动力 学计算，从而在本质上只是一个纯几何问题。但对于高速或高柔度的配气机构来说，其 传动链的变形往往不能忽略，这一点已为大家所普遍接受。因此就需要建立新的计算模 型和计算方法。这就是配气机构的动力学计算。龙连春 1 1 1 、李迎f 2 j 、付光琦【3 l 等人分剔 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 对x 6 v 型柴油机和1 9 0 系列柴油杌进行了配气机构的动力学计算。随着设计要求的提高， 在设计中需要考虑的因素越来越多，例如配气相位、平稳性( 包括气门速度、加速度、 有无飞脱、落座反跳等) 、充气性能、润滑性能、凸轮与挺柱间的接触应力等等，都需 要考虑。这样，为了选取一个最优的设计方案，往往需要很大的工作量。目前国内外均 已开展优化设计和计算机辅助设计( c a d ) 的研究。为了设计一台新型发动机，常常需 要参考某些成功机型的经验，或在其基础上进行改进。为此，在设计配气机构时也经常 需要对某种发动机配气机构的特性进行分析。比如，根据一张实测的凸轮升程表及其他 一些有关的实测数据，能否对该配气凸轮机构的各方面特性作出判断。由于配气凸轮设 计方法的改进，很多工厂面临试制新型函数凸轮的任务，有时还希望同时试制几种方案 的凸轮来进行对比试验，这就给凸轮制造工艺提出了新的要求，能否提高凸轮加工精度、 缩短加工周期等问题，已引起人们的关注。 在上述柴油机配气机构的研究中，数理方法和电子计算机技术是十分有力的工具。 例如配气机构动力学计算和凸轮新型线的提出，以及后来进行的凸轮机构优化设计和动 力学响应形态的研究等等。随着电子计算机的推广和应用，运用数学工具进行配气机构 研究的工作也日益增多。魏勇、高文志、黄叶舟等f 4 j 人应用计算机对配气机构迸行了动 力学计算。 1 2 1 国内外对配气机构动力学特性研究现状 对于专门用于柴油机的配气凸轮机构的研究，一直是该领域的研究前沿。研究内容 也从最初的单纯的凸轮经验设计，拓展到整个配气机构的运动学与动力学的综合研究 国外自2 0 世纪6 0 年代起就有许多学者开始进行这方面的深入研究。相比较而言，国内 则起步较迟，大约从1 9 7 3 年起某些科研院所才开始全面研究凸轮设计与动力学计算等 课题。此间复旦大学尚汉冀教授 5 1 对凸轮型线设计、程序设计、凸轮可靠性计算等多领 域进行了深入的研究，而吉林工业大学袁兆成、王建华【6 】则在多质量动力学方面取得了 一定的研究成果。随着国际上各种配气凸轮设计软件的出现，国内也出现了一些类似的 软件。这些软件无疑在提高设计速度与计算精度上有所提高。但这些程序并没有引入优 化设计理论和方法。另一方面，他们仅从配气机构本身去优化，只在动力学特性满足的 情况下，考虑到丰满系数而不能从整个换气过程的流动损失入手，用充气效率等整机性 能参数去直观评价一台柴油机换气性能的好坏。因此，近年来国际和国内已开始运用柴 油机循环工作过程的计算机模拟程序与单纯的配气凸轮设计程序纳入柴油机整机循环 工作过程模拟软件中，形成机构参数设计与柴油机性能指标优化的全面模拟软件包。显 然，这些软件已经成熟，必将成为柴油机配气机构设计乃至整机性能优化设计的极为有 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 用和有效的工具。整机工作过程的全面模拟显然在柴油机的设计与改进、多种性能的预 测、设计参数的优化、寿命与可靠性的预测等方面显示出巨大的优越性。同时，也将大 大减少柴油机实验研究的次数，并且节省人力、物力和综合成本，从而大大提高设计效 率和整机性能水平。 最先在进行气门运动规律的计算时，是将配气机构的一长串传动链当作完全刚性来 进行的，因而就只需要进行气门运动学计算，这在本质上只是一个纯几何问题。但是随 着柴油机转速的提高和负荷的增加，传动链的变形影响则越来越明显，这就需要建立新 的计算模型和计算方法，因此便产生了配气机构的动力学计算。 研究过程中为了能用数学方程式描述机构的运动，需要把实际结构简化为动力学模 型。最早建立的动力学模型是单质量模型，是由w m d u m e y l 7 】等人对运行的柴油机配 气机构作气门试验时提出来的，并在。多项式动力凸轮实际”中被采用。由于它结构简 单，易于计算，且大量实践表明：根据该模型，采用实测值参数进行模拟计算的结果与 试验结果相当吻合，所以这种模型得到广泛的应用。 通过单质量模型的动力学计算，可以在考虑弹性变形的情况下计算出气门的运动规 律，这比刚性假设下的运动学计算前进了一大步。但是，单质量模型毕竟是一种大大简 化了的模型，与实际情况仍有较大的出入，而且只能从总体上反映气门运动的大致规律。 人们要进一步了解配气机构各零件的真实运动情况，气门弹簧的振动和高次振型时配气 机构的异常振动，从而明确机构中的薄弱环节，单质量模型则无能为力，因而随后出现 了多质量模型。根据使用者目的的不同，有二质量、多质量模型。多质量动力学模型的 建立、参数的确定、方程的求解等比较困难，但它可以分析传动链中的各零件的真实的 运动规律以及对整个机构的影响。故近年来多质量模型的应用也越来越广泛。 为了进一步提高配气机构动力学模拟精度，曹卫彬、梁安波、李江全【8 l 等人采用液 压挺柱、变刚度、变摇臂比进行多质量模型的模拟计算。当然其模拟精度又有一定程度 的提高，多质量动力学模型也得到了进一步的发展和完善。 随着有限元技术的日益成熟，自上世纪8 0 年代以来，国外便逐渐采用有限元方法 来研究配气机构，它除具有单质量、多质量动力学模型的功能外，还能很好地模拟气门 弹簧的真实运动情况。乐俊秉、李慧珍【9 】等人采用有限元法对配气机构进行动力学分析， 得出了配气机构的振型、自振频率和气门弹簧的振动，以及整个配气机构的动力学特性， 但这种方法不仅复杂，而且还不够成熟，故在应用方面还有待进一步研究和推广。所以 发展和完善配气机构模型的模拟计算仍然是近期研究的重点，其他的研究者在这方面做 了大量工作【l 恻。 d 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 国内外对柴油机故障诊断技术的研究现状 上世纪7 0 年代后期，国外f j e s p a d a f o ：2 7 l 、j g y 锄g 【姐1 等人开始用振动诊断技术 来研究柴油机的故障诊断，目前已取得突破性进展。1 9 8 0 年，r h l y o n 2 9 1 3 0 l 教授和美 国麻省理工学院( m ) 的一些学者开始在发动机上做实验并把结果与理论相结合来开 发新的处理方法。美国1 9 8 5 年研制出机车柴油机故障诊断专家系统，其功能包括状态 监测、故障诊断、性能优化、性能监测和预报维修。1 9 8 7 年研制出柴油机状态评价系统 n e u c e ，n e u v e 系统应用高级信号处理方法，从气缸外部机体上的加速度传感器采集 的振动信号中提取信息，从而得到接近于振源发出的信号，该系统使用了快速傅立叶变 换( f f t ) 技术，能够分析燃烧压力和柴油机其他零件的冲击。1 9 9 2 年，g e 公司运输 系统部开始开发使用d e u c e 技术的专家系统，该系统把温度、压力、转速、等传感器 技术与d e u c e 的振动信号处理技术结合在一起。目前，已经能够诊断气阀与阀座冲击、 燃油喷射故障以及活塞环断裂或过度磨损。c o m m i n s 发动机公司的工程师主要在应用灭 缸实验法以及应用测功器来检测发动机的工作状态。法国的f m o l i n a r a 、f c a s t a n t i e 和 a d d c n j c a n l 3 1 j 根据发动机敲缸产生的振动信号进行发动机故障诊断。目前国外的研究动 向主要有：通过机体表面振动信号来识别柴油机气缸内的压力示功图；用瞬时转速推算 缸内压力变化；利用时频分析、小波分析等新的信号分析与处理方法来处理柴油机表面 振动信号。 我国从2 0 世纪8 0 年代初开始对往复式柴油机故障诊断进行探索性研究，工作比较 突出的是武汉交通科技大学周轶尘【3 2 】教授等，大约是从1 9 8 5 年开始研究的。他们主要 研究了小型柴油机缸套传递特征，柴油机气缸套振动特性及激励分析，在不考虑相邻气 缸间振动信号影响的情况下，对柴油机气缸套、机体等的振动特性进行了研究，达到利 用表面振动信号诊断柴油机气缸的技术状态，提出了若干判断柴油机气缸套磨损由于间 隙过小造成的拉缸的方法。如利用振动加速度总振级或时域信号的均值、方差、四阶矩 等特征来判断柴油机工作状态的变化；利用频域信号如功率谱密度函数某些频率上幅值 的变化，来判断机器的工作状态。另外还对柴油机其他零部件如气阀、主轴承、主轴颈 的状态判别做了研究。以上都是建立在柴油机表面振动信号为平稳随机过程的假设基础 上的，用f o u r i e r 变换方法对其振动信号进行处理的。西南交通大学谭达明【3 3 i 等对柴油 机工作过程故障的振动诊断进行了基础研究工作，讨论了柴油机缸盖振动信号的时间特 征和循环波动性，提出从缸盖振动信号中提取燃烧激振力及排气门落座响应的频率特 征，认为将综合性故障诊断与零部件故障诊断相结合是可行的方法。山东工业大学的耿 遵敏阻】等在他们对1 9 0 系列柴油机振动诊断实践的基础上，从信号处理、非平稳分析方 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 法，故障分类等进行了讨论，提出了a r s t p 短时谱分析方法和基于a r 模型的w i n g e r 时频分析方法对配气、供油等机械系统及相关的工作过程故障进行诊断。 2 0 0 0 年天津大学陈怡然、金萍等证明了柴油机表面振动信号是非平稳随机过程，这 些为柴油机的振动诊断探索了一条新途径。在上述理论的基础上华中理工大学杨叔子、 刘世元阁等用小波包改进算法对2 1 0 5 柴油机缸盖振动信号进行了分析；时频分析方法 是柴油机故障诊断中较为常用的一种方法，其中小波及小波包分析是目前研究较多的方 法。一方面它作为一种通用方法实现了对实测信号的降噪处理：另一方面它作为独立的 方法对柴油机进行故障诊断。程永康p 6 l 等人利用小波对柴油机配气机构的故障特征进行 了分析，何正嘉【3 7 】教授等人利用基因小波有效的从振动信号中提取到了气阀漏气的信 息；上海交通大学伍学奎【3 8 】等人用小波包变换对1 3 5 系列柴油机气阀漏气进行诊断；大 连理工大学邹和斌、李志敏【捌用正交小波变换对柴油机主轴承振动监测。 总之，利用振动信号进行柴油机故障诊断尚属前期研究。几十年来，经过同行们的 不懈努力，柴油机的振动诊断研究已经取得了很大的成就，但利用振动信号进行柴油机 故障诊断，基本上还是处在实验室研究或中间实验研究阶段，虽然发展很快，但距实际 应用还有一定距离。 1 4 国内外对柴油机轴系扭转振动的研究现状 早期的曲轴扭转振动研究主要是采用离散化的方法，并将曲轴振动作为纯扭转振动 来处理。霍尔兹法是柴油机轴系扭振计算的经典方法，1 9 2 1 年德国学者h o k 赋【6 2 噌先 发表文章提出用一种表格法( 通称霍尔兹法) 来分析离散化曲轴无阻尼状态下扭转振动 的固有频率和振型，并可用于强迫振动。这种方法在设计初期用来估算低阶扭振固有振 型、固有频率时较为有效，算法简单，使用方便，在工程实际中被广泛应用。s p a e t g e n s 、 v a n e o u r e r 6 3 等人采用霍尔兹表对柴油机曲轴进行了强迫振动的计算。后来许多学者如 t h n o s h e n k o 、1 、l p l i n 畔肄人相继运用偏微分方程和波动方程在霍尔兹表格法的基础上进 一步发展了扭转振动分析方法，将曲轴简化为质量圆盘系统，并用等效当量阻尼，因而 更接近实际。在国内，马万福【6 5 l 等人采用霍尔兹法对4 1 0 2 b z 0 柴油机曲轴的扭振、自 振频率和振型进行了计算，并把计算结果与柴油机的扭振试验结果进行对比，证明了理 论分析方法的正确性和精确性。田吲碉等人也采用霍尔兹表对柴油机曲轴进行过计算。 2 0 世纪6 0 年代，国外学者大量采用传递矩阵和场传递矩阵来研究曲轴这类具有链 状结构物体的振动，通常称为传递矩阵法。用传递矩阵法进行振动计算的优点是不会因 单元的增加而影响传递矩阵的阶次，即矩阵的维数不随系统自由度的增加而增加，且各 阶振型的计算方法完全楣同。因而计算简单、编程方便，计算时所需的内存少、耗用机 6 东北大擘硕士学位论文 第1 幸绪论 时短，被广泛地应用于曲轴振动问题的分析与研究中。但这种方法在分析自由度较多的 复杂轴系时，由于传递矩阵的误差积累，使计算精度下降，因此高阶频率的计算精度较 低。2 0 世纪7 0 年代，d o u g h t y 明采用了传递矩阵来分析有阻尼曲轴振动，并用 n e w t o n p a p h s o n 迭代法求解复数固有频率。w u ，j s i 醅】等学者在基本的传递矩阵法的基 础上进行了相应的改进和综合，使其更适合复杂轴系的扭转振动计算。由于传递矩阵法 已经较为成熟，国内许多学者选择了这种方法对柴油机轴系的自由振动和强迫振动进行 了计算。应启光i 叫等人采用传递矩阵法对船舶复杂轴系的扭转振动进行了研究，该研究 成果也适用于一般轴系的扭振计算。张洪田等人应用r i c c a t i c 传递矩阵法改进了传统 的m y k e s t e d 1 r o h l 的传递矩阵法，提高了分析计算的精度和稳定性，降低了计算的累积 误差，而计算量小于系统矩阵法。 随着计算机仿真技术的迅速发展，各种仿真软件，比如a d m a m s 、n a s t r a n 、 a n s y s 等的相继诞生和日趋完善，有限元方法也开始广泛应用在曲轴的扭转振动的研 究中。上海交通大学张国庆【7 1 l 等人，在对某型六缸汽车发动机曲轴系统动态仿真和对曲 轴进行静态有限元分析基础上对曲轴的疲劳寿命进行了计算。浙江大学郝志勇阎等人以 曲轴有限元模型为基础，对曲轴系统在发动机工作状态下的柔性多体动力学进行了仿真 计算，求出了柴油机在不同工况下的扭矩输出特性和各主轴承在一个工作循环内的载荷 变化情况，并将计算与实测结果进行了比较。 1 5 本文研究的主要内容 本文主要以柴油机配气机构和轴系系统为研究对象，研究配气机构的动力学特性、 轴系的扭转振动特性以及由气门问隙引起的气门故障。在柴油机原理和柴油机故障诊断 技术的指导下，采用模型分析，理论计算与试验测试相结合的研究模式，重点对柴油机 配气机构的动力学建模、变惯量引起的轴系的扭转振动以及由气门间隙异常引起的气门 故障诊断机理、故障特征等内容进行了研究，主要的工作表现在以下几个方面； ( 1 ) 在已有配气机构单质量模型的基础上，本文采用四阶r u n g k u t t a 数值方法对柴 油机配气机构的动力学进行了计算，得出了气门在正常工作状况下的位移、速度和加速 度曲线，用这些图示从不同侧面描述和揭示了配气机构运动的动力学特性。当凸轮处于 缓冲段时，气门振动较小；当凸轮处于基本段时，气门的位移、速度和加速度急剧增大， 振动较大。 ( 2 ) 针对目前对配气机构研究的不足，在目前已有的配气机构单质量模型的基础上 进行改进，建立了配气机构更加切合实际的四质量动力学模型。该模型把传动链分离出 来，简化为三个单独的集中质量，然后利用直接数值积分的方法对配气机构进行了动力 叮 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 学计算，并与单质量模型和试验测试数据进行了对比分析研究，验证了该模型建立的正 确性。 ( 3 ) 对本文第二章和第三章配气机构的动力学计算的结果进行分析，得出了气门振 动的主要根源，提出了柴油机气门间隙异常振动的诊断机理。用时域和频域两个方面对 配气机构常见的故障进行了研究，并与试验测试结果进行了对比。结果表明：当气门间 隙较小时，气门提前开启，气缸内压缩压力和燃烧压力下降，柴油机工作平衡受到破坏， 功率下降；当气门间隙较大时，气门滞后打开，提高了气缸内气体的压力，振动较大。 ( 4 ) 对具有变惯量的柴油机轴系系统的扭转振动问题进行了研究，考虑到活塞与气 缸间的非线性干摩擦和非线性弹性恢复力对轴系扭转振动的影响，建立了直列四缸的柴 油机轴系系统的非线性动力学模型，然后利用直接数值积分法进行了计算。绘制了柴油 机轴系系统响应的时域波形图、幅值谱图、相轨迹图、p o i n c a r e 截面图等，利用这些图 示表现手段从不同侧面描述和揭示了轴系系统的非线性动力学特性。 ( 5 ) 讨论了各个参数对柴油机轴系系统响应的影响。结果表明：随着参数的变化， 四个气缸的运动呈现周期、拟周期、混沌等复杂的非线性动力学现象。 一8 东北大学硕士学位论文 第2 章配气机构单质量动力学模型的研究 第2 章配气机构单质量动力学模型的研究 2 1 引言 对于现代高速柴油机来说，传统的配气机构动力学计算往往不足以准确地描述配 气机构各传动零部件的运动规律，因而在进行配气机构的动力学计算时，必须考虑到 传动链的弹性变形。由于配气机构的整个传动链是由一系列几何形状和刚度、质量各 不相同的零部件组成的，而且各零件部件之间在运动过程中还可以产生脱开现象，因 此要精确描述它们的运动比较困难，一般需要建立一定的简化计算模型。本章主要介 绍一种最简单的模型：单质量弹簧振动模型。 2 2 配气机构单质量动力学模型的建立 大部分柴油机配气机构都采用顶置式气门机构，这种配气机构主要由凸轮、挺柱、 推杆、摇臂、气门和气门弹簧组成，如图2 1 所示。 4 - 摇膏 气门问隙 门弹簧 仃 圈2 1 顶置式配气机构 f i g 2 1t h et o pt y p eo fv a l v et r a i n 这种配气机构是通过凸轮来控制气门的运动，进而达到进气和排气的要求。如图 2 1 所示，气门在一端，凸轮在另一端。如果不考虑推杆等传动链的弹性和变形，则气 门的升程曲线可以用凸轮外形所决定的挺柱升程曲线来代替。如果凸轮的形状确定了， 9 东北大学硕士学位论文第2 章配气机构单质量动力学模型的研究 那么就可以算出凸轮的位移、速度、加速度，进而得到气门的位移、速度和加速度。 但实际上，配气机构的各个零件都不是完全刚性的，当受力作用时会产生一定的弹性 变形，因而气门的实际升程曲线与挺柱的升程曲线是有一定的差别的。当柴油机转速 较低时，这种差别不是很明显，可以忽略不计。而当转速提高、负荷增大时，差别就 变得明显起来，尤其是加速度曲线的畸变更为明显。所以仅用挺桂的升程曲线来代替 气门的升程曲线是不可取的。 由于配气机构是由若干几何形状和刚度各不相同的零部件一起组成的，各个零件 之间的传动过程中还会产生脱落等现象。因此配气机构的真实运动情况是相当复杂的， 要进行精确计算一般都要建立一定的简化模型。如图2 2 所示： 图2 2 配气机构单质量模型 f i g 2 2o n em a q $ d y n a m i cm o d e lo f v a l v et r a i n 其中x 为当量凸轮升程，y 为气门的升程。该模型是把气门的运动用一个集中质 量m 的运动来描述( 这里肘包含有气门质量以及其他传动零件换算到气门处的当量 质量) 。m 的一端通过刚度为毛的气门弹簧和c 1 的阻尼器与气缸盖联结，而另一端则 通过一假想的刚度为k 的“硬弹簧”与由“当量凸轮”所直接控制的质量v n 相联结。 这个硬弹簧实际上就代表着整个传动链的弹性，刚度k ，可由实测得到。 1 0 易勘 东北大学硕士学位论文第2 章配气机构单质量动力学模型的研究 2 3 配气机构运动微分方程的建立 当量凸轮是将配气凸轮换算到气门端，由当量凸轮控制的质量m 的运动规律与假 定配气机构为刚性时气门的运动规律是一样的。即： x - x ( a ) k s ( 口) 一而 ( 2 1 ) 式中： 石一当量凸轮升程；气门间隙； 七摇臂比；s ) 一凸轮升程； 口一凸轮的转角。 如果假定配气机构整个传动链是完全刚性的，那么就可以用x ( a ) 近似表示气门的 升程函数。但实际上配气机构的各个零件都不是完全刚性的，当受力作用时会产生一 定的变形，因而气门的实际升程函数y - ) ， ) 与x ( a ) 有一定的差别。对配气机构计算 的目的就是要确定气门的升程函数，也就是建立集中质量i f 的位移与凸轮转角口的关 系表达式y - ) ， ) 。为此，首先建立) ，缸) 满足的微分方程。假定作用在集中质量m 上 的外力之和为f ，根据牛顿第二定律则显然有： f 。m a m 唼。m 脚2 宴 ( 2 - 2 ) 缸d 口 即： 黟- 如( x y l ) + c 2 ( 圣一夕) 一七l y q y f ( 2 - 3 ) 式中：m 集中质量；工气门间隙； 屯 一y d 配气机构的弹性恢复力； 毛) ，气门弹簧的弹力； c 2 一夕) 一内阻尼力：c 夕 阻尼力； f 气缸内气体压力对气门的作用力c 和气门弹簧的预紧e ； 街一凸轮旋转的角速度； 将以上各个力代入到上式( 2 3 ) 中我们就可以得到气门运动的微分方程： 彤m 2 骞一乞。- y - l + c 2 舞一参由一谤一磊一 ( 2 4 ) 化简为： 骞一嘉 - y - l n 嘉寺磬一嘉y 一嘉老一丝m w 2 即： 磐+ 彘生+ 尝y c 2d x + 玉。- l ) d amd am 0 3m o jd am o ) 2 一警 ( 2 - 5 ) 。 n 2 。 、 膨2 1 1 东北大学硕士学位论文第2 章配气机构单质量动力学模型的研究 上式( 2 5 ) 就是气门运动微分方程的最终结果，它是一个关于未知函数y ( a ) 的 二阶常微分方程，有无穷多个解。为了得到确定的气门升程函数) ，缸) ，还需要补充给 出以下初始条件，即对应气门打开瞬间口- a o ，有： ，i尘一。ol 7a - a o d a l 。q ( 2 6 ) 只要解出微分方程( 2 5 ) 满足条件( 2 6 ) 的解y ( a ) ，就可求得气门的运动规律， 它包含气门的位移、速度、加速度。对式( 2 - 5 ) 进行求解，本文采用四阶龙格一库塔 法求其数值解。 2 4 配气机构运动微分方程求解 由本文前面2 3 节，建立了配气机构的单自由度模型，并列出了气门运动的微分 方程，即式( 2 5 ) 。从式( 2 - 5 ) 中可以看出，气门的运动除了与气门弹簧的刚度和阻 尼有关外，还与当量凸轮的升程函数x 位) 有关。众所周知，凸轮旋转一周，气门开关 一次，到下一次开启前，气门的运动完全停止。根据方程( 2 - 5 ) ，我们可以计算出气 门在凸轮工作段的运动规律，即气门的位移、速度和加速度。在气门的运动中，既有 运动起始条件的响应，又有x ( a r ) 、d x ( 口) d 口等凸轮激励的响应。为了求得气门的运 动规律，首先要给出气门运动的初始条件，并计算凸轮的运动规律，得出 x 位) 、d x ( a ) d a ，然后再求气门的运动规律。 2 4 1 配气机构凸轮的设计 柴油机配气机构是由配气凸轮驱动的，因此凸轮的设计对整个配气机构的性能起 着决定性的作用。目前柴油机配气机构中采用的凸轮主要有；等加速凸轮、f b 2 型、 m f b 2 型以及高次方凸轮。 本文以柴油机中最常见的f b 2 型凸轮为例来进行计算。f b 2 型凸轮是综合等加速 度、复合正弦、复合摆线等以上几种凸轮的优点并加以改进，设计出来的一种新型凸 轮。f b 2 型凸轮所对应的挺柱加速度曲线，可以认为是由复合正弦凸