（车辆工程专业论文）内燃机曲轴轴系扭振数字化测试系统.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 内燃机研究与制造行业层出不穷的新技术在逐渐满足了低能耗、低排放目标 的同时，也对内燃机结构可靠性设计和振动噪声控制提出了更商的要求，其中曲 轴轴系的扭转振动问题尤为突出。而在销售市场日益注重n v h ( n o i s e ，v i b r a t i o n a n dh a r s h n e s s ) 标准的今天，追求扭振理论的进一步完善，寻求新的扭振解决方 法势在必行。高精度高可信度的扭振测试仪器是完成这一目标的基础和有效工 具。基于此本文结合现有传感器技术、单片机开发以及信号处理技术，充分利 用微机的高效处理能力，采用硬件高频计数测时原理，开发研制了内燃枫曲轴轴 系高精度扭振数字化测试系统。 本文研制的扭振数字化测试系统由硬件和软件两部分组成。硬件包括信号齿 轮、传感器和采集卡，主要实现携带扭振信息的信号产生、拾取、滤波、调理整 形、传输和对方波脉冲进行占空比计数等功能。硬件合理选型或设计是提高测试 系统精度和工作可靠性的基础和保障。对其研制的宗旨为：提高各元件的抗干扰 能力，使最终的时间序列尽量少地携带干扰信息。为此进行了如下优化工作：确 定信号齿轮合理的齿数范围；选用带信号调理功能的磁电传感器；在采集卡设计 中，选用数字温控高频晶振器、高速处理器m c u 和带有大容量缓冲区的锁存器， 采用u s b 接口与微机通讯，并且通过工作流程的合理设计，使对多周期轮齿脉 冲进行占空比计数的锁存独立于m c u 的时序。 软件主要实现的功能为：读取采集卡缓冲区中的时间序列，并对时间序列进 行各种变换处理，实现瞬时转速测量及其波形显示、数字信号中畸点处理和数字 滤波、扭振角振幅的计算及各稳态转速下扭振时域波形的绘制、频谱分析及频谱 图绘制、各谐次幅值提取及扭振幅频特性曲线拟舍、实验报告编辑打印等功能。 软件研发的宗旨为：各种变换处理的科学性和高精度性：执行速度的高效性；软 件使用的方便性；功能的可扩充性和软件维护的便利性。为此进行了如下优化工 作：采用c + + 语言在v c + + 6 0 编译环境下进行模块化设计；按合硬件特点进行 了畸点处理算法的研究：对某些精度影响因素采用数字算法进行了抑制；在频谱 分析和各谐次幅值提取中，利用较先进的算法进行了幅值校正；实现了软件与 m i c r o s o f tw o r d 2 0 0 3 的数据通讯；制作了c h m 格式的帮助文件。 系统开发过程中，利用自制的简易试验台，对系统的信号感应、传输、采集、 分析处理等功能进行了初步检验。系统集成后，在芨动机实验台架上进行了试验， 结果证明本次开发的系统基本达到了预期的要求。 关键词：内燃机扭振测试技术单片机信号处理 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t e n d l e s s l ye m e r g i n go fn e wt e c h n o l o g yg r a d u a l l yf u l f i l l e dl o we n e r g y w a s t ea n de x h a u s t t a r g e ti ni n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n er e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r ei n d u s t r y , a tt h es a m et i m e ，t h es t r i c t r e q u e s tw a sb r o u g h tf o r w a r da ts t r u c t u r er e l i a b i l i t yd e s i g n ，v i b r a t i o na n dn o i s er e d u c t i o no f i n t e m a l - c o m b u s t i o ne n g i n e ，o n eo fa l lt h ep r o b l e m s ，t h ec r a n f l s h a f tt o r s i o n a lv i b r a t i o np r o b l e m w a sv e r yo u t s t a n d i n g ，a n dn o wn v h ( n o i s e ，v i b r a t i o na n dh o r s h n e s s ) h a sb e e np a i da t t e n t i o nt oi n d i s t r i b u t i o nm a r k e t p u r s u i n gp e r f e c tt o r s i o n a lv i b r a t i o nt h e o r e t i c sa n ds e e k i n gm e t h o d st os o l v e t o r s i o n a lv i b r a t i o ni se m e r g e n t h i 曲a rp r e c i s i o na n dh i g h a rr e l i a b i l i t yt e s te q u i p m e n ti se f f e c t i v e t o o lt oa c h i e v et h i st a r g e t o nt h eb a s eo f t h e s er e a s o n s ，c o n s i d e r i n gt e c h n o l o g yo fs e n s o r ，s c m ( s i n g l ec h i pm i c y o c o ) a n dd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) ，a d e q u a t e l yu t i l i z i n gc a p a b i l i t yo f m i c r o c o m p u t e r , a d o p t i n gt h et e c h n o l o g yt om o a s u r et i m et h r o u g hh i g hf r e q u e n c yc o u n t e r ah i g h e f p r e c i s i o nd i g i t a lt e s ts y s t e mf o ri n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n et o r s i o n a lv i b r a t i o nh a sb e e ns t u d i e d a n dd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h es y s t e mi sc o m p r i s e do fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e h a r d w a r ei sc o m p r i s e do fs i g n a lg e a r , s e n s o ra n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r d s o m ef u n c t i o n sa r ec a r r i e do u tb yh a r d w a r e ，s u c ha s ，e r e a t i o n ， a c q u i s i t i o n ，f i l t e r , r e g u l a t i o n , t r a n s m i s s i o no f s i g n a la n dt h ec o u n to f r e c t a n g l e w a v e t h ep r i n c i p l e o fd e v e l o p i n gh a r d w a r ei st or e d u c ei n t e r f e r i n gs i g n a l s o m ew o r k c o m p l e t e da sf o l l o w s ：s e l e c t i o n o fh i g hf r e q u e n c yc r y s t a lo s c i l l a t o r , h i g hs p e e dp r o c e s s o rm c ua n db i gb u f f e rf l i p - l a t c h u s b i n t e r f a c e ，t h ef l i p - l a t c ho ft h ec o u n to fs e v e r a lg e a r - t o o t hp u l s ei si n d e p e n d e n to fm c u t i m e - s e q u e n c eb yr e a s o n a b l ew o r k i n g - f l o wd e s i g n f o l l o w i n gf u n c t i o n sa r ec o m p l e t e db ys o f t w a r e ：r e a d i n gt i m e - s e q u e n c ef r o mb u f f e ro fd a t a a c q u i s i t i o nc a r d ，v a r i o u s l yt r a n s f o r m i n go f t i m e s e q u e n c e ，d i s p o s i n ga b n o r m a lp o i n ta n df i l t e r i n g o fd i g i t a ls i g n a l ，c o u n t i n go ft o r s i o n a lv i b r a t i o na m p l i t u d e ，p r o t r a c t i n gt o r s i o n a lv i b r a t i o nw a v e u n d e rt h e s t e a d yr o t a t i n g - s p e e d , s p e c t r u ma n a l y s i s ，p r o t r a c t i n g t o r s i o n a lv i b r a t i o n a m p l i t u d e r o t a t i n gs p e e dc u r v e a n dp r i n t i n gt e s t r e p o r t 。e t c t h ep r i n c i p l eo fd e v e l o p i n g s o l c t 3 h a r e ts c i e n t i f i c i t ya n dv a r a c i t yo ft r a n s f o r md i s p o s a l ，h i g he f f i c i e n c yo fr u n n i n gs p e e d ，h i g h c o n v e n i a n c yo fs o r w a r eu s a g e ，s o f t w a r ef u n c t i o ni se x p a n d a b l ea n ds o r w a r em a i n t e n a n c ei s c o n v e n i e n t ，e t c s o m ew o r kh a sb e e nc o m p l e t e d ，s u c h ，s o f t w a r em o d u l eh a sb e e nd e s i g n e di n v c + + 6 0e n v i r o n m e n t ，t h ea r i t h m e t i co fa b n o r m a lp o i n td i s p o s a lh a sb e e ns t u d i e db a s e do n h a r d w a r ec h a r a c t e r i s t i c ，s o n l ei n f l u e n c e so ft o r s i o n a lv i b r a t i o nm e a s u r i n ga c c u r a c yh a v eb e e n r e s t r a i n e d ，t r o s i o n a lv i b r a t i o na m p l i t u d eh a sb e e nr e v i s e di ns p e c t r u ma n a l y s i sa n dd i s t i l l i n g h a r m o n i ca m p l i t u d e ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h i ss o f t w a r ea n dm i e r o s o f lw o r d 2 0 0 3h a sb e e n r e a l i z e d ，c h m h e l pd o c u m e n th a sb o o nm o d e ，e r e i nt h ec o l l r s eo fd e v e l o p i n gt h et e s ts y s t e m ，s i g n a li n d u c t i o n ，s i g n a lt r a n s m i s s i o n ，d a t a a c q u i s i t i o na n dd a t aa n a l y s i sd i s p o s a lo ft h i ss y s t e mh a v eb e e nv e r i f i e do nas i m p l i f i e dt e s tb e n c h a f t e rs y s t e mi n t e g r a t i o n ，t e s t sh a v e sb e e nm a d eo nd i e s e le n g i n ee x p e r i m e n t a lb e n c h ，r e s u l t s t e s t i f i e ds y s t e ma n t i c i p a t i v ed e s i r eh a db e e na c h i e v e db a s i c a l l y d s p k e y w o r d ：i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ；t o r s i o n a lv i b r a t i o n ；m e a s u r e m e n tt e c h n i q u e ；s c m ； 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 源于扭振的危害性，人类开始认识扭振、研究扭振。早在十九世纪末，在工 业发达国家，随着内燃机在海陆运输部门的广泛使用，断轴事故频繁发生【1 ， 研究人员从实践中初步认识了扭振。此后，为解决扭振问题，人们付出了艰辛的 努力，在扭振理论研究、实际测试和扭振预防等方面取得了丰硕的成果。通过多 年的努力，不少问题已获突破【2 】。 近几十年来，内燃机行业面临的挑战不断：2 0 世纪7 0 年代能源危机、2 0 世纪8 0 年代温室效应、2 0 世纪9 0 年代排放控制，高效洁净代用能源燃料 电池 3 1 1 n 1 世，如此等等。挑战是技术发展进步的动力，问题的解决标志着新技 术的诞生与成熟。内燃机研究与制造行业层出不穷的新技术逐渐满足了低能耗、 低排放这两个目标。这些新技术包含两个方向：一是性能提高技术，如内燃机高 强化、内燃机电子管理系统、增压中冷技术、可变相位系统、高压与超高压喷射 系统等。其中有些技术的采用会大大提高内燃机的爆发压力和缸内压力升高率， 使得机械负荷和燃烧噪声急剧增加。另一方面是制造新技术。为了使车辆的耗能 水平降低而采用等强度、薄壁化设计，大量采用轻金属材料如铝合金、镁合金、 注塑材料等。特别是内燃机的铸造铝合金缸体、缸盖成为潮流。这些新材料的使 用相对降低了内燃机承受载荷的能力。上述两方面的因素对内燃机结构可靠性设 计和振动噪声控制提出了更高的要求。 内燃机曲轴轴系的扭转振动在上述影响中尤为突出，原有的扭振解决方法有 时已显得无能为力，内燃机因扭振而断轴事故仍时有发生。而在销售市场日益注 重n v h ( n o i s e ，v i b r a t i o na n d h a r s h n e s s ) 【4 】标准的今天，一些品牌的内燃机对照 n v h 标准仍差距甚远。人们深深的意识到，内燃机的扭振问题并未完全攻克， 追求扭振理论的进一步完善，寻求新的扭振解决方法势在必行。高精度高可信度 的扭振测试仪器是上述目标完成的基础和有效工具。基于这一现实问题，结合现 有的扭振研究与测试技术现状，本课题着重开展了内燃机曲轴扭振测试技术的研 究与开发工作。 1 2 曲轴轴系扭振研究工作现状 1 2 1 概述 内燃机曲轴轴系的振动是整机激励源中最重要的因素，它主要包括曲轴弯曲 振动、扭转振动和纵向振动 5 【6 。内燃机曲轴一般均采用全支承结构，弯曲刚 度较大，所以其弯曲振动的自然频率较高，在内燃机工作转速范围内，弯曲振动 浙江大学硕士学位论文 不会产生共振。对扭转振动而言，由于曲轴较长，扭转刚度较小，而且曲轴轴系 的转动惯量又较大，故曲轴扭振的频率较低，在内燃机工作转速范围内容易产生 共振 7 1 8 1 。工作转速范围内的扭振共振会引起过大的扭振振幅和附加扭转应力， 如不加以控制，轻则引起较大噪声，加剧其它零件的磨损，重则是发生曲轴断裂 的恶性事故。剧烈的纵向振动也会产生一系列危害 3 ：纵向加速度过大会使 得缸体纵向振动剧烈，与曲轴相配合的零件产生冲击噪声，使整个内燃机的声压 级升高；曲轴的纵向窜动，使活塞偏磨并导致活塞侧击敲缸；破坏与曲轴相 接触的零部件；剧烈的纵向振动，改变了配气相位和供油正时从而使内燃机燃 烧恶化，缸内压力震荡和循环变动加剧。 不难看出，抑制曲轴轴系的振动对提高内燃机工作的可靠性和使用寿命，降 低整机噪声具有重要的意义，而其工作的重点应放在在内燃机工作转速范围内能 引起共振的扭振的处理上。 扭转振动是旋转机械轴系一种特殊的振动形式，它本质上是由于轴系并非绝 对刚体，面存在弹性，因而在以平均速度进行的旋转过程中，各弹性部件间会因 各种原因而产生不同大小、不同相位的瞬时速度的起伏，形成沿旋转方向的来回 扭动 1 7 【9 1 0 】。杜极生在 9 】文中形象地将其喻为“来回扭麻花”。滕勤在 1 1 】 一文中准确地将其定义为：旋转轴在旋转过程中沿旋转方向扭转角的来回摆动。 一九一六年，德国人盖格尔发表用振动仪测量轴系扭转振动的方法，使扭转振动 的研究开始了实测和试验阶段 1 1 1 2 1 。i ! i - 十世纪五十年代，扭转振动的研究逐 渐成熟，并成为内燃机动力装置中主要研究内容之- 1 1 。目前，人们对内燃机 扭振的特点、危害等已经有了比较透彻的了解，在曲轴轴系扭转振动的理论分析、 计算和数值解法等方面，已经有比较完整的方法，在扭振的减振和避振方面也已 经有了一些成熟的技术。 一、扭转振动的特点 ( 1 ) 必然性 扭转振动的产生必须具备两个条件：振动体为弹性体；振动体承受变化 的激振力矩。内燃机曲轴是一个结构复杂的金属构件，它不但具有转动惯量，而 且具有弹性。曲轴轴系惯量与弹性的适当组合使得轴系具有固有的扭转振动特 性。而内燃机工作的周期性使得作用于曲轴轴系的扭矩为一周期性的复谐扭矩。 内燃机周期性的复谐扭矩的来源有；气缸内气体压力周期性变化形成的周期性 扭矩；运动部件的重力和往复惯性力引起的扭矩；接受功率部件吸收扭矩不 均匀而形成的周期性反扭矩。 曲轴的弹性和作用于轴系的原理性存在的周期性复谐扭矩使内燃机扭转振 动成为必然。 ( 2 ) 潜伏性 6 浙江大学硕士学位论文 内燃机工作过程中，尽管扭转振动时刻存在，但它并不像弯曲振动、纵向振 动那么直观可见。在没有专门的扭振监测仪器时，扭转振动一般是不易觉察的。 此外，扭转振动引发的纵向振动也表象地掩盖了它的存在。正是由于扭振的潜伏 性，内燃机投入使用的早期，它的存在被人忽视、不理解、不承认。 ( 3 ) 事故的突发性 扭振破坏机理是疲劳积累 9 。扭振中，曲轴轴系承受交变的扭振应力，疲 劳积累一次次地加强，形成裂纹、切口，并逐渐扩散，终有一刻将造成轴系的 突然断裂崩溃，而在此之前，内燃机并不一定表现出故障症状。扭振事故的突发 性也使得事故的后果是毁灭性的，往往损失惨重。 二、扭转振动的危害 内燃机工作过程中产生的曲轴扭转振动，一方面会使曲轴及其相关运动体产 生附加应力( 扭转振动引起的附加应力往往超过工作应力的好几倍【7 1 ) ，同时 也对配套设备产生不利影响。当扭振振幅超过正时齿轮的齿侧间隙或是扭振的附 加扭矩超过齿轮的平均扭矩时，就会造成齿轮牙齿的反复敲击现象，这将加速齿 轮的磨损和疲劳损坏，并影响到内燃机的配气和点火正时，同时也会激发齿轮系 的噪声。此外，扭振的高次谐波还可能使某些发动机出现特高噪声峰 1 3 】。据薛 冬新等在【1 4 文中论述，扭转振动也会引起内燃机机械噪声增大。当激振力矩的 频率与内燃机曲轴轴系固有扭转振动频率相同时，还会产生“共振”现象，这将 使扭转振动得到巨大的动态放大，从而大大增加了轴系中所受到的扭转应力，导 致轴系发生各种事故，或造成其他附件的工作状况异常，严重时，会出现曲轴断 裂等恶性机损事故。内燃机常见的扭振损坏表现有； ( 1 ) 曲轴发生扭转性疲劳断裂： ( 2 ) 轴系中的连接部件如离合器、弹性联轴器、减振器、连接法兰等损坏； ( 3 ) 各附件如水泵、油泵等的连接轴产生多发性的扭转疲劳断裂，以致水泵、 油泵等部件本身产生多发性的叶片断裂； ( 4 ) 轴系中局部发生过热现象； ( 5 ) 齿轮传动部位发生齿击、点蚀、噪声以致轮齿折断； ( 6 ) 动力装置运转不稳定，产生严重的动态失稳现象： ( 7 ) 凸轮轴凸轮咬毛，高压油泵栓塞产生多发性发热咬死，以至致凸轮轴发 生扭转性疲劳断裂； ( 8 ) 整套曲轴发生严重松动、错位现象 ( 9 ) 机组发生纵向和横向振动。 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 扭振预防策略 往复活塞式内燃机的扭转振动必然存在，而基于扭振的严重危害，工程中一 切对扭振的研究，最终目的都在于预防扭振，尽最大可能地减小由于扭振带来的 损失。实际设计研究中，预防扭振是一件十分困难繁杂的工作，要全面预防扭振 的危害，必须深入进行扭振基础理论的研究，在此基础上探讨预防策略。现行预 防策略可归纳如下： 一、重视设计阶段的避振和减振，精确计算曲轴轴系的振动特性 在设计阶段能对轴系扭振特性做出更加切合实际的精确计算，并能预测曲轴 轴系的动态特性，是预防曲轴轴系扭振危害的关键。为此，应全面考虑以下几点。 ( 1 ) 精确合理地简化模型 内燃机曲轴系统是由曲轴及与其相连接的运动部件所组成，系统结构和受力 情况都比较复杂，无法直接计算扭振特性。因此，在计算曲轴轴系的振动特性( 振 型固有频率等) 之前，一般都要将轴系简化为比较简单的力学模型，以便于求 解。精确合理地简化模型，是精确计算曲轴轴系的扭振特性的基础。从已有的研 究来看，用作振动计算的曲轴轴系的模型可分为两大类：一类是轴系质量经离散 化后集总到许多集中点的集总参数模型，另一类是轴系质量沿轴线连续分布的分 布参数模型。 集总参数模型：该模型是轴系扭振计算中最早使用的力学模型，它将曲轴轴 系离散成具有集中转动惯量的圆盘、无质量的弹性轴以及内部阻尼窥外部阻尼。 这种模型物理概念清晰，使用简单，计算方便，但由于模型过于简化，对曲轴计 算精度有限。 分布参数模型：在分布参数模型中，轴系的质量沿轴线连续分布，因而比集 总参数模型更接近实际。目前使用较为成熟的分布参数模型有实体直接削分的有 限元计算模型、框架模型和阶梯轴模型。分布参数模型保持了轴系原有的基本形 状，具有较高的计算精度。 ( 2 ) 选_ 甩精确的计算方法 对于轴系进行简化的不同力学模型，目前可采用的计算方法主要有：h o l z e r 法( 轴系扭振计算的经典方法 1 6 1 7 1 8 】) 、传递矩阵法( t r a n s f e rm a t r i x m e t h o d , t m m ) 、有限元法( f i n i t ee t e m e r t tm e t h o d ，f e m ) 1 9 、模态分析法( m o d e l a n a l y s i sm e t h o d ，m a m ) 2 0 】、弹性波传播法( e l a s t i cw a v e p r o p a g a t i o n m e t h o d ，e w p m ) 2 1 等。各种计算方法有其自身优势的同时，也有其不足。计算 时应根据对象的具体情况选择。 ( 3 ) 综合考虑多种因素 浙江大学硕士学位论文 曲轴主轴颈轴心位置的持续变化将会导致轴承油膜刚度和阻尼系数的变化， 从而影响曲轴的振动，反过来，曲轴的振动也会对轴承上作用的载荷以及油膜厚 度产生影响。两者之间的关系是一个强耦合的非线性问题，对这一耦合问题的研 究，将使曲轴振动的研究更加符合实际。 张勇等人在 2 2 1 文中研究得出：旋转轴系中弯曲振动引起的扭转振动及扭转 振动引起的弯曲振动一般都比较弱，对旋转轴系的安全性构成威胁的可能性很 小。但弯扭振动耦合具体到内燃机上情况如何，国内外目前还没有这方面的报道， 值得深入研究。 目前的扭振计算中，阻尼系数的确定还在沿用半个世纪前的古老的经验公 式，这已成为提高曲轴振动计算精度的一个制约因素。此外，实际的阻尼系数并 非常量，人为地线性化必将导致过大的计算偏差。因此合理确定非线性阻尼是一 个有待研究的课题。 非线性部件、变转动惯薰以及其它非线性因素是曲轴轴系振动精确分析时必 须考虑的问题，但目前有关研究多为考虑单一因素的单自由度非线性振动问题， 这显然不能满足曲轴振动精确计算的需要，因而有必要进一步考虑具有多项非线 性因素、多自由度乃至连续质量分布的曲轴轴系振动问题 8 】。 滚振是内燃机轴系的零频响扭转振动，它表现为轴系上各质量以相同的角速 度绕轴系做同相运动，因而对轴段不产生附加应力，对轴系本身无害，所以在扭 转振动应力计算时，应把滚振成分去除。另外，应当注意到，当零频响应较大时， 则可能对轴系以外的分支附件系统产生极为不利的影响 2 3 】。 二、研制新型的扭振减振器 目前控制扭振最普遍的方法是安装扭振减振器。减振器的设计对其频率参数 和阻尼参数有严格的要求，这两个参数是根据所谓最优条件确定的，但由于减振 器设计制造和使用材料等方面的原因，很难保证实际使用的减振器参数处于最佳 2 4 】。另外，目前使用减振器的减振性能不能根据激振频率的变化自动调节，而 只能依靠确定一组所谓最佳的设计参数，使减振器在内燃机整个工作频率范围内 折中地满足主系统扭振幅值在一个允许的范围内，因而效果不理想。为此，应考 虑研制新型高效扭振减振器。目前，郝志勇等人在 2 5 1 对主动式扭振减振器进行 了研究，并取得了一定成果。 三、加强扭振测试技术的研究 扭振测试技术是扭振理论发展和完善的基础，扭振理论的完善有利于在设计 中对扭振问题的解决。目前，扭振测试设备普遍存在测试操作困难、精度低、稳 定性差和耗时长等不足。因此，应进一步完善和发展扭振测试技术，是防治扭振 的有效而且必须的途径。这也正是本文研究的重点所在。 9 浙江大学硕士学位论文 1 2 3 扭振预防措施 根据上述预防策略，现行的扭振避振和减振措施可归纳如下。 一、调整系统的固有频率 改变扭转振动系统的固有频率，从而使整个系统的共振转速得到改变的方 法，称为频率调整法，其着眼点在于使轴系扭转振动固有频率避开激振频率，从 而使工作转速内不出现共振点，使系统的扭振振幅和扭振应力达到允许范围。调 整系统的固有频率，是现代内燃机设计必须进行的重要工作，是扭转振动预防措 施中应用最广的措施之一，这不仅是由于它的措施比较简易可行，还在于当达到 调频要求以后，它的工作将是有效的与可靠的【1 5 】。 内燃机轴系多质量系统扭振的固有自振频率，完全取决于系统中各个部件的 惯量和弹性的数值及其分布状况。系统中任何一个部件的惯性值或弹性值的变动 ( 包括它们分布位置的变动) 都可以引起整个系统固有频率的变化。因此，改变系 统中各个部件的惯量和弹性的数值及其分布状况，可显著地改变系统固有频率， 从而有效避免强烈振动。调频的具体方法有：调整平衡熏的数量及质量；改变吸 收功率的部件：改变曲轴的直径或长度；改变飞轮的惯量；改变曲轴的材质；在 系统中加装大柔度的弹性联轴节或各种动力型减振器等。系统固有频率究竟是提 高还是降低，这要根据内燃机的临界转速图进行具体分析，不能一概而论。对中 高速柴油机来说，轴系的临界转速往往接近工作转速的上界。所以要采用减小部 件惯量和增大刚度的措施，以提高系统的固有频率，将临界转速移出上界。 二、减小激振能量 激励力矩输入系统的能量( 以下称激振能量) 是扭转振动得以维持的源泉， 维持持续的扭转振动需要不断地向系统输入能量，没有能量输入，振动就会逐濒 衰减。反知，减小这个激振能量就能有效地减小扭振振幅。理论分析知，内燃机 激振力矩对系统作功的影响因素有共振振幅、某次简谐力矩、相对振幅矢量和等。 共振振幅减小是改善扭振特性的结果，不能作为减振手段来考虑，而对某次简谐 力矩来说，是由内燃机示功图决定的。因此，减小激振能量主要是从减小曲轴系 统相对振幅矢量和着手【1 】。影响相对振幅矢量和的主要因素有发火顺序、扭振 系统的振型、v 型夹角等。 三、增加阻尼消耗能量 阻尼具有消耗系统振动能量的特性，能使自由振动迅速衰减，能够降低强迫 振动的振幅。阻尼消耗的能量越多，减振的效果也越好。增加阻尼消耗能量的实 质是在原扭振系统中增加一些参数( 惯量、刚度、阻尼) 来改变系统的扭振特性， l o 浙江大学硕士学位论文 使增加前后两个多质量系统的扭振特性产生预定的差异 7 。增大阻尼的方法是 在系统中装置具有较大阻尼作用的各种类型阻尼式减振器。 四、划转速禁区 转速禁区是指不准许持续运行的转速范围【1 】。划转速禁区，旨在使内燃机 的工作转速远离临界转速，避开共振点。这是一种简单回避的方法，并未对轴系 采取任何技术措施。它通常在内燃机的工作转速范围较大，想把所有的危险临界 转速都移出工作转速范围有困难时使用。 1 3 曲轴扭振测试技术的发展 一个振动系统，其输出响应特性取决于激励形式和系统的特性。研究振动问 题就是在振动、激励响应和系统传递特性三者中已知其二求其一的问题。已知激 励条件与系统振动特性，求系统的响应是振动分析问题；已知系统的激励与响应， 确定系统的特性，这是振动测试或系统识别；已知系统的振动特性和系统的响应， 确定系统的激励状态，这是振源预测问题 2 6 1 。 内燃机扭转振动的测试属于上述第二种情况，是研究实际复杂的曲轴系统扭 转振动特性( 如自振频率、强迫振动振幅等) 和评价扭振减振器效果的最可靠的 办法。其基本内容是：精确测量出处于各种工作转速下轴系的扭振波形和转速信 号，并进行波形分析，获得最大振幅和相应的振动频率、振动谐次和临界转速， 测定或验算轴系的附加扭转应力，校验轴系的疲劳强度，判断对其他相关零部件 的振动影响。根据需要采取针对性的减振和避振措旋 2 7 1 1 2 8 1 。 扭振的测量大致可以分为两类：类为轴系扭应力的测量，另一类为轴系扭 角的测量。轴系扭角的测量是人们常说的扭振测量。按照传感器的类型可以分为 电磁式、光电式、电涡流式、霍尔式等等。按照抬振装置与轴系是否接触可以分 为接触式和非接触式。按照对扭振信号的提取方式可以分为机械惯性式、模拟式、 数字式和软件式。 1 3 1 扭振测试的意义 要对轴系扭转振动所影响的安全可靠性做出准确的评价，必须依靠实际扭振 测量。扭振的机理和分析计算方法虽经历了近1 0 0 年左右的发展，但由于内燃机 结构的复杂性和运转过程中动态环境的多变性，扭振计算中，轴系的激振力矩以 及轴系的阻尼参数难以准确确定，尤其是后者，它涉及的因素广泛，以至于想要 用纯数学的方法予以精确估算几乎是不可能的 2 】，为此大多采用从实践得到的 经验公式。但各种经验公式都带有近似性和局限性，不能完全正确地适用于各种 类型的内燃机及其轴系装置，显然在实际设计计算过程中，会使扭振计算出现较 大偏差。为了对轴系的扭振( 包括响应特性) 做出正确的评价，避免内燃机轴系扭 振破坏事故的发生，不仅在设计阶段应进行详细的扭振计算，面且在内燃机投运 浙江大学硕士学位论文 后的扭振测试与监测也是轴系扭振研究必不可少的内容 1 1 1 9 1 。实际的扭振测试 是一项最直接的检查、判断和评价产品设计以及应用配套工作的最重要的手段和 方法 2 9 3 0 3 1 。同时，它也可用于检验加工、装配过程中，各工序、各部件是 否存在缺陷和错误。而通过大量扭振测试，还可以积累经验数据，使原有的理论 不断完善，进而指导新的设计。目前工程中的实用作法是：理论分析和计算结果 必须经过实际 孵4 试的检验，若两者不相一致，则必须以实测结果来修正理论计算 结论。这在各国船规中已有明文规定：“扭振特性的审查内容应包括理论计算和 实测结果，若两者不同，则应以实测结果为准。”【l 】 9 】 1 6 】 扭振测量结果可以为设计中，调整轴系各质量块的转动惯量和剐度等参数提 供依据。到目前为止，解决发动机扭振问题仍普遍采用装配扭振减振器的方法 2 5 。当前扭振减振器开发过程中，设计方法和加工制造水平都不能完全保证其 减振效能，必须依赖扭振实测来指导设计加工方案的修正。其它一些主动性减扭 措施，如调整系统固有频率、减小系统激振能量等，其最终效果也只有通过扭振 测试才能知晓。 扭振测量结果为内燃机状态分析和故障诊断提供可靠的信息 【3 2 1 【3 3 1 【3 4 】【3 5 h 3 6 1 。扭振测试获得的信号中，包含了丰富的内燃机工作的状态 信息，通过这些状态信息，研究人员可以判断内燃机工作状态是否正常，是否存 在故障和存在什么样的故障，深入了解故障的机理，为故障的预防、诊断和排除 提供可靠信息。为此，扭振测试技术在故障诊断领域的地位举足轻重。 1 3 2 扭振测试技术的发展及现状 由于内燃机振动复杂，各种振动相互关联耦合，所以对其振动的测量比较困 难。雨与横向振动等其它振动相比，扭振信号因其振幅小，信号微弱，对信号的 提取和分析难度更大 2 8 1 1 3 7 1 。直到1 9 1 6 年，才由盖格尔开刨了机械测量扭振的 先河。随着传感器技术、计算机技术、信号采集处理技术发展进步和在内燃机行 业的不断渗透，扭转振动测试技术经历了一个逐步发展完善的过程，由机械式测 量到电测，由早期的接触式测量到如今的非接触式测量，测量信号由早期的模拟 量到如今的数字量，测量的精度越来越i 茼 2 7 3 8 】。扭振测试技术的发展过程大 体可分为3 个阶段。 、惯性式扭振仪 7 0 年代以前使用的扭振仪基本上都是以惯性式扭振仪为主的传统仪器。如 机械式盖格尔测振仪和d v l 测振仪，以及电阻应变式测振仪、电感调频式测振 仪等。 下图是盖格尔扭振仪的原理示意圈。在机械惯性式扭振仪中，盖格尔扭振仪 是历史最久，应用最广的一种 4 2 】【4 3 】。这种仪器设计巧妙，从信号获取到信号 2 浙江大学硕士学位论文 记录全部由机械装置实现，简单实用。图中a 为一铝制质量很轻且固结在中心 轴上的皮带轮，通过中心轴及柔度很大的卷弹簧c 与惯性轮b 连接。测量时， 用伸缩性极小的棉麻织布带作为传动带，将所要测的轴段与皮带轮a 相连，当 轴系回转时，就把轴的回转和振动如实地传给皮带轮a 。由于a 的惯性很小， 因而不仅随轴转动，还随之一起扭振，而惯性轮b 则因其惯性很大，且又用软 弹簧c 与皮带轮相连，所以，a 轮的扭振基本上不能传给b 轮，b 轮只随轴系 等速回转。于是，皮带轮a 和惯性轮b 之间就有相对运动产生，这种相对运动 就是轴上被测点的扭振。通过装于皮带轮a 及惯性轮b 之间的一对直角形杠杆 将扭振转化为往复运动，并推动顶杆e 将所测信号输出。顶杆e 的端部连有记 录笔，随着e 杆不断的往复运动，记录笔就在移动的记录纸上记录下通过杠杆 系统放大的振动波形。 a - 皮带轮 b 惯性轮；c 一卷弹簧；e 项轩 图1 - 1 盖格尔扭振仪 f i g 1 - 1g e i g e r t o r s i o n a lv i b r a t i o ni n s t r u m e n t a b c 这类仪器结构可靠，测量稳定，在扭振测量技术发展过程中起到了一定的作 用。但它们结构复杂、成本较高、受主观因素的影响很大、安装困难外，而且数 据分析工作一般只能靠人工完成，既费时，精确度又低。 二、智能型扭振仪 7 0 年代后，随着电子技术及计算机的发展，国内外相继出现了以非接触扭 振仪为代表的智能仪器，如我国东南大学的n z - i n z 3 型扭振仪和n z t 型扭 振仪、美国的a t l a n t a 2 5 2 4 2 型扭振仪、英国a e 下v - 4 型扭振仪。 浙江大学硕士学位论文 妪到雪 容“。 图1 - 2 非接触式扭振仪的原理 f i g 1 - 2p r i n c i p l eo f c o n t a c t i e s st o r s i o n a lv i b r a t i o n 上图为智能型非接触式模拟测量扭振仪 1 】【4 2 】的原理框图。在被测内燃机的 自由端安装一个齿距均匀的齿轮，齿数一般为6 0 、1 2 0 、2 4 0 。用刚性好的支架 将磁电式传感器固定在被测内燃机的机体上，将传感器与齿轮间的间隙调整在 l m m 左右。非接触式扭振仪基于磁电脉冲原理，工作时，齿轮随轴转动，磁电 式传感器感应脉冲信号，通过放大、整形推动单稳电路工作。当轴匀速转动而无 扭振时，脉冲重复频率不变，而轴存在扭振时，发出的单稳脉冲信号的重复频率 相应变化，经过低通滤波转换成相应的电压变化波形，再通过电容c 隔去直流 成份，积分后就得到相应于扭振角位移变化的电压波形。 若齿轮的齿数为z ，当轴系平均转速为n 时，磁电式传感器感应出的脉冲重 复频率为： ，2 丽 设扭振角位移为： = a s i n ( c o t p ) 则有： = a c o s i n ( c o t 一9 ) 于是由扭振引起的转速变化为： n ：芝：丝c o s ( o j r - q , ) 2 万2 r r 0 j 图1 - 3 矩形脉冲示意图 f i g 1 - 3r e c t a n g l ei m p u l s e 因此，当转轴扭振时，磁电传感器上产生的脉冲重复频率为 f _ - 等掣z n + i z a n ：z + 6 06 06 0 “ 平均转速下频率恒定分量；五扭振引起的频率变化分量 t 4 浙江太学硕士学位论文 ：z n t o e o + z a n t o e o 0 - 2 ) 6 06 0 = 塑6 0 + 丛6 0 匕2 z rc o s ( ) i 、 h 叭。二藿：固 u 口5u os i n ( o x p ) ( 1 - 4 ) 可以看出，输出电压正好反映了扭振情况。实际上扭振波形常常是由若干筒 谐波叠加的复谐波，同样输出电压也是复谐波，应当注意，设计时必须使t 。 t ， 否则单稳电路不能正常工作，无法正确反映出扭振波形成分。 非接触式扭振仪的标定可在动态扭振校验台上进行。校验台通过接在轴端法 兰上的齿轮向仪器输出一个已知的正弦扭转角度，在仪器输出端测量出相应的电 压值，由此得出扭转角与输出电压之间的关系曲线。 智能型扭振仪传感器结构相当简单，安装方便，且能与系列以微处理器为 核心的仪器配套，实现测试波形自动采样、自动分析和自动记录。因此，在中高 速内燃机的扭振测试中，惯性式扭振仪逐步被非接触式扭振仪所代替。非接触式 浙江大学硕士学位论文 扭振测量的精度高，使用简便，反应速度快，仪器本身对轴系振动几乎没有影响。 因此非接触式测法是扭振测试设备的最终发展形式。但这类仪器的核心技术是单 片机的开发技术，受软硬件条件的局限，其分析功能仍然有限，如综合振幅及各 谐次振幅随工作转速的变化曲线、扭振三维谱阵图等稍为复杂的分析内容仍需人 工完成。并且由于属高度专业化的仪器，价格较为昂贵，维修保养困难。 三、数字化扭振测试系统 9 0 年代，为了克服上述两类仪器的缺点，国内开始了扭振测萎分析p c 仪器 的研究 2 7 ，以便充分利用p c 机的软硬件资源，把过去靠人工完成的扭振测量 分析工作由计算机迅速准确地自动完成。到9 0 年代中后期，p c 仪器内燃机轴系 扭振测量分析系统已经问世。西南交通大学研制的t v m 系统 2 7 1 属这类仪器。 扭振测量分析p c 仪器采用的是数字化测量，它利用高频计数器对传感器输出的 调频信号脉冲进行计算，再利用微机采用数学方法对脉冲时间序列进行处理，从 中提取扭振信号。 下图为t v m 系统组成示意图，它由传感器部分、t v i v l 计算机插卡和t v m 软件包等3 个基本部分组成。 图1 - 4t v m 系统基本组成示意图 f i g 1 4b a s a lc o n s t i t u t i o no f t v ms y s t e m t v m 系统采用装在轴系上一齿轮旁的一个或两个磁电式传感器( 其它任意 一种时间深度敏感的传感器如涡流传感器都可，也可以不用齿轮，在轴上贴上精 密等分的反光带，而用光电传感器；或在轴上