（载运工具运用工程专业论文）缸套活塞润滑对内燃机振动影响研究.pdf

武汉理j = 大学硕七学位论文 摘要 缸套活塞系统是内燃机最重要的摩擦副之一，其润滑状态对内燃机机身振 动产生很大的影响。在以往很多的研究中，由于理论上的局限和计算能力有限 等原因，人们往往将这两者孤立起来研究。文中阐述了内燃机机身振动信号的 产生机理，并通过仿真和实验对内燃机缸套活塞润滑对机身振动的影响进行了 研究。 介绍了内燃机活塞动力学和缸套一活塞润滑理论，并阐述了机身振动信号产 生机理。将流体动压润滑和微凸体接触引入多体动力学仿真技术中，建立了单 缸内燃机虚拟样机，针对缸套活塞系统、曲轴系统和油膜润滑进行了联合仿真 研究，系统地得到了活塞横向位移、活塞绕活塞销转角、缸套活塞问最小膜厚 比以及活塞对缸套作用力等数据。通过分析发现，缸套活塞问的润滑对活塞与 缸套间作用力产生较大的影响，在微凸体接触状态下，降低缸套一活塞粗糙度能 够改善缸套一活塞间的润滑，从而显著减轻活塞对缸套的作用力。 研究内燃机机身振动信号不可避免地涉及到振动信号的采集与分析。文中 利用图形化的编程软件l a b v i e w ，开发了一套完善的振动信号测试与分析系 统。应用队列状态机为设计模式，综合状态机结构、事件结构和生产者消费者 结构的优势，设计了系统模块的统一构架和仪器面板，实现了对非平稳信号的 测试与分析处理，并通过实验验证了系统的实用性和有效性。 在工程中，具有一定规则凹坑形貌的表面，可以有效地改善润滑和抗磨效 果。文中选取规则凹坑表面这一典型形貌特征，并基于规则凹坑表面能改善润 滑的事实，设计并在普通缸套内表面上加工出规则凹坑。利用时域、频域、时 频分析以及小波包分析等信号处理手段，研究了缸套和活塞间润滑改善后内燃 机机身表面振动信号产生的变化。结果显示缸套和活塞间润滑的改善可以降低 机身表面振动信号的高频成分。同时，也说明了运用时频方法和小波包能量特 征向量对非平稳信号的分析是有效的。 本文建立了一个包含摩擦学行为的单缸内燃机虚拟样机，并开发了一套内 燃机振动信号测试与分析系统，为发展和完善内燃机缸套活塞润滑对机身表面 振动信号影响研究奠定了基础。 关键词：缸套活塞系统；润滑；机身表面振动；多体动力学仿真 武汉理j 大学硕士学位论文 a b s t r a c t c y l i n d e r - p i s t o ns y s t e mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf r i c t i o np a i r si ni n t e r n a l c o m b u s t i o n ( i c ) e n g i n e t h el u b r i c a t i o no fc y l i n d e r - p i s t o nh a sag r e a ta f f e c to n e n g i n eb o d yv i b r a t i o n i nm o s to ft h ep a s t ，d u et ot h el i m i ti nt h e o r ya n dc o m p u t e r c a p a c i t y , t h el u b r i c a t i o na n dv i b r a t i o nh a v eb e e nr e s e a r c h e ds e p a r a t e l y i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h em e c h a n i s mo ft h eb o d yv i b r a t i o ns i g n a l si se l a b o r a t e d ，a n dt h e i n f l u e n c eo fc y l i n d e r - p i s t o nl u b r i c a t i o no ni ce n g i n eb o d yv i b r a t i o ni sr e s e a r c h e db y s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ， t h ed y n a m i c sb e h a v i o ro fi ce n g i n ep i s t o na n dt h e o r yo fc y l i n d e r - p i s t o n l u b r i c a t i o na r ei n t r o d u c e d ，t h em e c h a n i s mo fb o d yv i b r a t i o ns i g n a l f o r m i n gi s e l a b o r a t e da sw e l l t h eh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o na n dt h ea s p e r i t yc o n t a c ta r el e a d i n t o m u l t i - b o d yd y n a m i cs i m u l a t i o n b yb u i l d i n gav i r t u a lp r o t o t y p eo f s i n g l e - c y l i n d e ri ce n g i n e ，a n dau n i t e ds i m u l a t i o nf o c u s e do nc y l i n d e r - p i s t o ns y s t e m ， c r a n k s h a f ts y s t e ma n do i ll u b r i c a t i o n ，t h ed a t ao fp i s t o nl a t e r a ld i s p l a c e m e n t , p i s t o n a n g l ea r o u n dt h ep i s t o np i n ，t h el e a s to i lf i l mt h i c k n e s sr a t i oa n dp i s t o nf o r c eo n c y l i n d e ra r es y s t e m a t i c a l l yo b t a i n e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h el u b r i c a t i o no f c y l i n d e r - p i s t o nh a sag r e a te f f e c to nt h ef o r c eb e t w e e np i s t o na n dc y l i n d e r u n d e rt h e s t a t eo f a s p e r i t yc o n t a c t ，d e c r e a s i n gt h er o u g h n e s so fc y l i n d e r - p i s t o nc a ni m p r o v et h e l u b r i c a t i o nb e t w e e nc y l i n d e ra n dp i s t o n ，a n dt h e nt h ei m p a c tf o r c eb e t w e e np i s t o n a n dc y l i n d e rr e d u c e ds i g n i f i c a n t l y f o rr e s e a r c h i n gt h ed i e s e le n g i n eb o d yv i b r a t i o ns i g n a l s ，t h ed a t aa c q u i s i t i o na n d a n a l y s i sf o rv i b r a t i o ns i g n a l ss h o u l db em e n t i o n e di n e v i t a b i l i t y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ， u s i n gg r a p h i c a lp r o g r a m m i n gs o f t w a r el a b v i e w , ac o m p l e t es y s t e mf o rv i b r a t i o n s i g n a lt e s t i n ga n da n a l y s i si ss u c c e s s f u l l ye x p l o r e d t h i ss y s t e mu s eq u e u e ds t a t e m a c h i n ea sd e s i g np a t t e r n ，w h i c hi n t e g r a t e dt h ea d v a n t a g e so fs t a t em a c h i n e s t r u c t u r e , e v e n ts t r u c t u r ea n dp r o d u c e r c o n s u m e rs t r u c t u r e , d e s i g n e dt h eu n i f o r m f r a m e w o r ko ft h es y s t e mm o d u l ea n dt h ea p p a r a t u si n t e r f a c e ，a c h i e v e dt e s t i n ga n d a n a l y s i sf o rn o n 。s t a t i o n a r ys i g n a l ，a n dp r o v e dt ob ep r a c t i c a la n da v a i l a b i l i t yb y a p p l i c a t i o n s i ne n g i n e e r i n g , t h es u r f a c ew i t hr e g u l a rc o n c a v ec a l li m p r o v et h el u b r i c a t i o na n d l i 武汉理工大学硕士学位论文 a n t i w e a re f f e c t e f f e c t i v e l y i nt h i ss t u d y , t h et y p i c a lm o r p h o l o g yo fs u r f a c ew i t h r e g u l a rc o n c a v ei ss e l e c t e d ，a n dt h e nt h er e g u l a rc o n c a v ei sd e s i g n e da n dm a c h i n e d u s i n gt i m ed o m a i n ，f r e q u e n c ym a i n ，t i m e f r e q u e n c ym a i n ，d i s c r e e tw a v e l e ta n d w a v e l e tp a c k e ta n a l y s i ss i g n a lp r o c e s s i n gm e a n s ，t h ec h a n g e so fi ce n g i n eb o d y v i b r a t i o ns i g n a l sp r o d u c e db yc y l i n d e r - p i s t o nl u b r i c a t i o ni m p r o v i n ga r es t u d i e d i t i n d i c a t e dt h a tt h eh i 曲f r e q u e n c yo fe n g i n eb o d yv i b r a t i o ns i g n a l sc a nb ed e c r e a s e d b yi m p r o v i n gc y l i n d e r - p i s t o nl u b r i c a t i o n m e a n w h i l e ，i ta l s os h o w st h a tu s i n g t i m e f r e q u e n c ym e t h o da n dw a v e l e tp a c k e te n e r g yf e a t u r e sv e c t o ro fn o n s t a t i o n a r y s i g n a la n a l y s i si sv a l i d i naw o r d ，av i r t u a lp r o t o t y p eo fs i n g l e c y l i n d e ri ce n g i n ew i t h t r i b o l o g i c a l b e h a v i o ri sb u i l t ，a n da ni ce n g i n ev i b r a t i o ns i g n a lt e s t i n ga n da n a l y s i ss y s t e mi s e x p l o r e d ，t h i sp l a n t sag o o db a s ef o rd e v e l o p i n ga n di m p r o v i n gt h es t u d yo nt h e e f f e c tb e t w e e nc y l i n d e r - p i s t o nl u b r i c a t i o na n di ce n g i n eb o d yv i b r a t i o n k e yw o r d s ：c y l i n d e r - p i s t o ns y s t e m ；l u b r i c a t i o n ；e n g i n eb o d yv i b r a t i o n ；m u l t i - b o d y d y n a m i cs i m u l a t i o n 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学和其它教育机构的学位和证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了感谢。 签名：掣蟑e l , i t j 1 ：型幽量 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 蚪导师签名：匪娶甥婆一日期：上叫 武汉理工人学硕士学位论文 1 1 论文研究的意义 第1 章绪论 内燃机作为汽车、舰船以及坦克、工程机械等各种车辆的动力源，在国民 经济中占据着重要的位置。随着人们对环境保护的r 益关注，一方面，节能减 排成为一个重要的话题，缸套活塞组是内燃机的核心摩擦副之一，其润滑性能 的好坏对内燃机的动力性、可靠性、经济性和排放指标有着重要的影响。研究 表明，内燃机在工作过程中由缸套一活塞组摩擦副引起的摩擦功耗高达整个发动 机摩擦功耗的4 5 - 6 5 ，其工作状况影响着内燃机的经济性、寿命和排放性 能。润滑性能好，在保证对燃烧室气体密封的前提下，活塞缸套间的摩擦力小， 内燃机的摩擦功耗也小；反之会造成相当大的功耗，而且还会导致缸套一活塞的 过度磨损，影响其使用寿命。另一方面，对于内燃机的噪声、振动和运行平顺 性问题，用户也提出了越来越高的要求。事实上，内燃机的振动噪声在很大程 度上与其摩擦学和动力学行为密切相关，内燃机性能的提高也离不开对内燃机 摩擦学和动力学的深入研究。 内燃机是一个十分复杂的机械系统，缸套、活塞、连杆和曲轴系统是其核 心，而活塞对缸套的撞击噪声是其最大的机械噪声源，因此是控制的重点。在 内燃机运行过程中，摩擦学行为和动力学行为存在着耦合作用，并会对内燃机 的结构振动产生一定的影响。以缸套活塞系统为例，内燃机工作时，缸套活 塞间的油膜润滑状态直接影响机体的振动及活塞在缸套内的横向运动和活塞绕 活塞销的转动( 活塞的二阶运动) ；同时机体的振动和活塞的二阶运动又反过来 影响活塞缸套间的油膜润滑状态【l 】。由此可见，内燃机的机体振动与活塞的摩 擦学行为和动力学行为存在着强烈的耦合作用。 综上所述，开展内燃机缸套活塞环润滑及内燃机振动研究，对于内燃机的 节能减排和控制内燃机振动噪声具有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1缸套一活塞的润滑研究 自s t a n t o n 【2 1 1 9 2 5 年发表了关于摩擦力的研究结果以来，人们便围绕着缸套 武汉理工大学硕士学位论文 活塞的摩擦与润滑问题做了大量的工作。2 0 世纪7 0 年代以前，人们对缸套活 塞的研究主要在于活塞在往复运动中对缸套的冲击，并没有考虑到缸套与活塞 裙部之间的流体动力润滑，结果得到的冲击时间不能很好的吻合实验结果。后 来，人们采用透明的缸套进行实验研究，结果发现，在活塞裙部和缸套之问的 间隙内存在着一层油膜【3 4 1 ，而油膜的存在使内燃机噪声明显下降。由于缸套和 活塞裙部之间的润滑油膜所起的重要作用，润滑对活塞动力学行为的影响开始 越来越受到人们的重视。1 9 8 3 年d e n n i s 和s t e v e l 5 j 建立了较为全面地发动机数 值分析模型，他们将活塞的动力学平衡方程和缸套活塞间的流体润滑方程结合 起来，计算了一个周期内的活塞二阶运动轨迹与摩擦力，从而使人们对活塞二 阶运动的研究前进了一大步。此时，人们深刻地认识到：活塞在缸套内做上下 往复运动的同时，还存在着沿油膜厚度方向的横向运动。这种横向运动虽然非 常微小，但是对活塞的影响却不容忽略。而且，所有与活塞设计相关的问题， 如摩擦功耗、机器噪声和抗磨损寿命等，都同活塞的二阶运动和润滑紧密相关。 关于缸套活塞环间的润滑模型，多年来国内外学者进行了大量的研究工作， 提出了许多种润滑理论模型。1 8 8 6 年，r e y n o l d s 运用流体运动方程和流体连续 方程，最先导出了润滑条件下的运动微分方程，即雷诺方程一般形式，为现代 流体润滑理论奠定了基础。早期由于计算条件的限制，人们在研究缸套活塞的 润滑时，大都假定活塞润滑特性沿轴向是均匀的，同时也忽略了缸套活塞润滑 时的挤压效应。1 9 6 0 年，f 删h 锄a i 7 l 在研究中发现，只有考虑润滑油膜挤压作 用的影响，才能在整个循环中求解活塞的润滑，因此他利用简化的一维雷诺方 程，考虑了润滑油膜的挤压效应，对缸套与活塞间的润滑进行了计算，证实了 缸套活塞的润滑是动压效应和挤压效应共同作用的结果。 截止到2 0 世纪7 0 年代末，人们在求解缸套一活塞组润滑时，都是在假定活 缸套一活塞表面绝对光滑的前提下进行的。事实上，为了储油，缸套和活塞的表 面都特意制造得比较粗糙，这就使得人们开始探讨表面粗糙度对缸套活塞润滑 的影响。1 9 7 1 年g r e e n w o o d 和t r i p p 剐建立了微凸体接触模型，1 9 7 9 年，p a t i r 和c h e n g 9 】提出了平均流量模型，8 0 年代以后，缸套活塞的润滑研究扩展到了 混合润滑区域。1 9 8 0 年，r o h d e 1 0 】把平均流量模型与微凸体接触模型结合起来， 建立了关于缸套与活塞的混合润滑模型。通过该模型，可以更好地分析缸套 活塞的润滑问题，研究表面粗糙度对缸套和活塞问润滑的影响，解释了一些用 光滑的缸套活塞表面解释不了的问题，从而证明了上、下止点处的摩擦力最大。 1 9 9 4 年h u 和c h e n g 】等人考虑了活塞弹性变形的影响，给出了一个描述 2 武汉理 人学硕十学位论文 油膜特性不对称的模型。刘煜、桂长林【1 2 】等人运用二维平均流量模型和微凸体 接触模型，并考虑了活塞的偏摆和润滑油粘度的变化，提出了个新的缸套 活塞润滑状态计算模型。他们利用此模型研究了活塞二阶运动对缸套活塞润滑 状态的影响，给出了缸套活塞油膜厚度的三维分布，并讨论了接触压力分布和 活塞偏摆等对油膜厚度不均匀性的影响。 在边界条件上，直到2 0 世纪末，s o m e r f i e l d 边界条件和雷诺气穴边界条件 还一直被人们所沿用，但是这两个边界条件在许多情况下并不符合缸套活塞环 的实际工况，特别是在贫油和边界润滑状况下。r a d a k o v i c 、k h o n s a r i 和 g u w a l d i d 1 3 】利用j f o 气穴理论和质量守恒边界条件获得了活塞动压润滑的数值 解。j e r z y 和d o n g 1 4 - 1 5 】假设油膜在过活塞环高度一半后的某处破裂，形成一个 开放的气穴，在此基础上提出了一个新的边界条件。这种边界条件实际上降低 了活塞环的有效宽度，但它比较符合贫油润滑时的工况。 1 2 2 缸套表面对润滑性能的影响 1 9 8 2 年s t o u t 等人发明了缸套内孔平顶珩磨技术，1 9 9 0 年德国格林公司推 出了激光珩磨缸套表面技术。实践证明在缸套表面进行微观造型可以改善缸套 活塞间的润滑性能，但相关研究主要集中于表面微结构改造，而关于表面形貌 对润滑影响的研究还较为欠缺【1 6 1 。s n e g o v s k y 等【17 】和l a i 1 8 】阐明具有一定深度的 凹坑( 槽) 表面，在充满不可压缩润滑油下相对滑动时，凹坑( 槽) 与微观粗 糙度一起产生开启力可使得两表面分离。e t s i o n 1 9 】分析了半球形凹坑对动压效 应的影响，并利用有限元法对刻有凹槽的圆轴表面气体密封进行了动压效应分 析，结果表明，每一个凹坑就像一个微动力润滑轴承，当两密封面做相对运动 时，在凹坑的上方及周围区域会产生明显的动压效应，可大大降低密封面间的 摩擦力。w a n g 2 0 等研究了金属变形过程中规则凹坑表面的润滑剂溢出现象，发 现润滑剂从规则凹坑中溢出时会对表面变形产生影响。g e i g e r 2 ”等研究了陶瓷 表面的规则凹坑对润滑效果的影响，发现在线接触全膜润滑状态下，规则凹坑 的形状和大小对表面润滑状态影响很小，当凹坑的直径和深度为某一值时，润 滑状态较好。2 0 0 0 年b u r s t e i n 和i n g m a n 2 2 】给出了在活塞环表面加工随机微坑与 规则微坑时的润滑模型，2 0 0 1 年r o n e n 和e t s i o n 2 3 】利用该模型研究了微坑的深 径比和面积占有率对摩擦力的影响。 国内清华大学摩擦学国家重点试验室汪家道【2 4 】等研究了含有规则凹坑表面 武汉理工大学硕士学位论文 的接触润滑问题，分析结果表明，规则凹坑对表面摩擦学性能影响的主要因素 为规则凹坑润滑所造成的真实接触面积和弹性接触面积的变化。符永宏【2 5 】等建 立了具有规则微观几何形貌特征的缸套内表面润滑理论模型，并用数值求解的 方法研究了激光微凹腔造型的动压润滑效果，研究发现当微凹腔的面积占有率 为1 5 时，润滑减磨效果较好。韩中剑2 6 】等在面接触润滑状态下，进行了凹坑 表面形貌的润滑研究，观察到有气泡稳定存在于油膜中，发现当乏油润滑时， 在润滑油和气泡的共同承载作用下摩擦力明显减小。 1 2 3 活塞横向撞击研究 从2 0 世纪5 0 年代初期人们发现活塞横向撞击现象开始，活塞横向撞击发 生的机理就受到高度重视。1 9 5 2 年h e m p e l 对比研究了不同工况下发动机以及 不同类型发动机的活塞横向撞击噪声，发现发动机在某些特定工况下，活塞横 向撞击是发动机的一个重要噪声源，尤其是增压发动机比较突出。1 9 7 5 年， h a d d a d1 2 7 】通过理论分析并利用试验证实了活塞在上止点附近的侧击是发动机 最主要的横向激励源，通过修改活塞结构减小了横向撞击力，从而降低了发动 机的噪声。1 9 7 7 年，h a d d a d 和f o r t e s c u e 2 8 】给出了考虑滑动接触的数学模型， 并通过数值计算得到上止点附近活塞横向撞击的运动形式，指出活塞对缸壁的 横向撞击，根本原因在于活塞与缸套之间存在间隙和活塞所受到的侧向力发生 方向改变。k a z u h i d e 和y o s h i h i k o 2 9 】等人基于活塞裙部上下四点与缸体刮擦的假 设，用弹簧和阻尼器分别模拟活塞横向撞击缸壁过程的动刚度和油膜的阻尼作 用，建立了活塞的运动学方程并计算了横向撞击力和缸体响应，理论结果与实 测吻合较好。1 9 9 2 年，k c r i b a r 和d u r s u n k a y a t 3 0 j 建立了基于摩擦学和动力学的 活塞二阶运动模型，在分析活塞横向撞击中考虑了活塞裙部油膜润滑的影响， 通过研究发现，缸套与活塞间的名义间隙、活塞裙部轮廓、润滑范围以及润滑 油粘度等设计参数对油膜的厚度、活塞的横向运动和缸套活塞裙部间的摩擦有 着重要影响。p r i e b s c h 、h e r b s t 和o f h l 3 l 】对缸套和活塞之间油膜的弹性流体润 滑进行了研究，建立了考虑润滑油膜影响的活塞撞击噪声理论模型，通过该模 型得到了活塞横向撞击噪声的贡献率。g e n g 和c h e l a 3 2 建立了活塞与缸套撞击 的非线性模型，利用数值计算得到了活塞横向撞击噪声引起的缸体振动响应， 并得到了缸体振动与活塞横向撞击之间的关系。 国内研究活塞的横向撞击问题起步较晚。1 9 9 7 年，张雨掣3 3 】从分析缸套 4 武汉理工大学硕士学位论文 活塞环润滑状态着手，建立了活塞横向撞击模型，探讨了考虑油膜润滑影响时 的活塞横向撞击情形，研究发现在考虑油膜摩擦力时，活塞对缸套的撞击力及 撞击速度都有所降低。1 9 9 8 年，刘煜、桂长林和谢友柏【3 4 】将活塞的动力学方程 与缸套活塞间流体动压润滑相结合，研究了活塞的二阶运动和活塞的结构参数 设计。2 0 0 3 年，戴旭东【lj 等建立了缸套活塞系统油膜润滑行为与动力学行为的 耦合分析模型，通过数值计算的方法研究了缸套和活塞间的流体润滑特性，认 为缸体结构振动对油膜润滑特性具有重要影响。 1 2 4 活塞横向撞击引起的机身振动分析 由于内燃机燃烧引起的振动和活塞横向撞击引起的振动都发生在上止点附 近，振动信号的时域和频域高度重合，而且燃烧引起的振动高于活塞横向撞击 引起的振动，因此在内燃机燃烧状态下测量活塞横向撞击引起的振动具有很大 的困难，通常采用的方法是使用电动机对发动机进行倒拖。但这种倒拖试验无 法模拟作用于活塞项部的燃气爆发压力。 随着计算机技术的发展，仿真研究成为了分析活塞横向撞击引起机体振动 的一个重要手段。一方面，多体动力学和有限元法分析的商用软件广泛地使用， 为活塞横向撞击问题分析提供了有效地分析手段，可以方便的获得活塞在缸套 中的具体运动形式，以及活塞横向撞击力、活塞横向位移和活塞绕活塞销转角 等重要参数，同时可以利用有限元n v h ( n o i s e v i b r a t i o n h a r s h n e s s ) 计算由活 塞横向撞击引起的机体振动和噪声，但是仿真研究过程中关于油膜对活塞横向 撞击的影响很难考虑。另一方面，利用计算机数值仿真，采用欧拉和龙格库塔 方法解带初值的活塞运动学方程( 组) 和活塞润滑偏微分方程得以很好的实现， 为分析求解活塞横向撞击集总参数模型提供了有利地条件。这种方法分析活塞 横向撞击引起的机体振动问题一个突出的特点是，可以方便的考虑油膜的影响， 但是集总元件的刚度、阻尼及摩擦系数等参数的确定需通过实验来确定。 对于内燃机机体振动的研究，大多数的学者都集中在利用机体振动对内燃 机进行故障诊断。我国从2 0 世纪8 0 年代初开始对往复式内燃机故障诊断进行 探索性研究。1 9 8 5 年，武汉交通科技大学周轶尘【3 5 - 3 6 等利用加速度计、电荷放 大器、信号分析仪等设备对柴油机缸套和机体的振动特性进行了研究，假设柴 油机机身表面振动信号为平稳随机信号，利用傅里叶变换对信号进行分析处理， 最终成功的利用了机身表面振动信号诊断气缸的运行状况。张雨【3 7 】开发了基于 5 武汉理一r 大学硕1 = 学位论文 l a b w i n d o w s c v i 平台的发动机状态实时监测系统，该系统可用于缸套和活塞磨 损状态的检测。胡以怀、杨叔子【3 8 】等人通过对活塞组横向撞击的理论分析和缸 套活塞磨损故障的模拟试验，揭示了机身表面振动的内部激励源与柴油机工况 和缸套活塞磨间隙的内在联系，考查了故障诊断特征参量的优化问题，并提出 了一种可用于各种机型柴油机不同工况下缸套活塞间隙的振动监测方法。天津 大学陈怡然【3 9 j 等人证明了柴油机表面振动信号为非平稳随机信号，时频分析、 小波分析、小波包分析等理论由此被应用于柴油机振动故障诊断的技术中。 1 2 5 振动特征提取 由于内燃机振动信号携带有大量运行状态信息，同时，振动信号十分便于 测量获取，因此利用振动信号对内燃机进行状态监测是十分常用而有效的方法。 对振动信号进行有效的分析和处理来提取特征信息，是对运行状态进行合理估 计和分类的关键。信号的特征提取和信号的处理手段密切相关，近几十年来， 信号分析和特征提取领域最具标志意义的进展是从传统的时域、频域分析到时 频域的转变，从傅里叶分析到短时傅罩叶分析、小波变换和时频能量分布对该 领域产生了深远的影响。 时域分析方法是直接对所测得的时域信号进行处理后结果仍属于时域范畴 的各种运算，时域统计分析、相关分析和包络分析等都属于时域方法。柴油机 表面振动信号的时域分析参数( 如常用的时域统计参数：均值、方差、标准差、 最大值、最小值和峰一峰值等) 能在一定程度上反映柴油机状态的变化情况，但 由于振动信号的循环波动性和非平稳性使得各循环的时域分析参数不稳定，在 同一状态时变化范围较大，因此时域分析的参数大多只能作为诊断的辅助参数 来提高诊断的可靠性。 频域分析方法就是把时域信号通过傅立叶变换转换为以频率为横坐标，纵 坐标为原时域信号频率成分幅值或相位信息的一种分析方法。机械系统正常运 行时，其振动的频谱是一定的，当系统中某零部件发生故障时，往往伴随着振 动的变化，产生的新频率成分会使原有频率成分发生改变，通过对振动信号中 各频率成分的分析，对照设备正常运行时的频率分布，就可判断是否存在故障。 传统信号处理技术虽然在理论和实际应用中比较成熟，但由于其自身的局 限性，从本质上只适用于平稳信号的分析而不适用于内燃机振动这类非平稳信 号。对于非平稳信号，人们感兴趣的往往不仅是信号的频率成分，还有该频率 6 武汉理+ j = 大学硕士学位论文 产生的时刻。单纯地用时域或频率分析方法对非平稳信号进行分析，显然存在 众多缺陷，而时频分析方法则弥补了这种不足。 1 9 4 6 年，g a b o 一4 0 】提出可以用二维的时频平面上离散栅格上的点来表示一 个一维的信号，这就是g a b o r 变换，它奠定了信号时频联合分析的理论基础。 时频分析的基本思想是设计时间和频率的联合函数，用它来同时描述信号在不 同时间和频率的能量密度或强度，时问和频率的这种联合函数简称时频分布。 1 9 4 7 年，p o t t e r 等提出了短时傅里叶变换( s t f t ) 。1 9 4 8 年，v i l l e 在w i g n 一4 1 】 分布的基础上改进并用于信号分析，该分布被称为w i g n e r - v i l l e 分布，简称 w v d 。之后，时频分析方法在信号分析和处理领域得到了众多学者的关注，并 不断得到改进和发展。由于短时傅里叶变换的时频分辨率固定不变， w i g n e r - v i l l e 分布存在较高的交叉项，且缺乏细化能力，因此，逐渐被上世纪 8 0 年代发展的一种新的数学处理方法一小波分析所取代。在小波分析的基础上， 人们又提出了小波包分析。 采用短时傅里叶变换、w i g n e r - v i l l e 分布和连续小波变换可以将内燃机机身 表面振动信号分解到时间一频率平面上，清楚地显示出每一时刻的频率分布情 况，并可以提取其中的峰值及对应的时间和频率作为特征量。短时傅罩叶变换 方法简单，计算量也较小，但缺点在于对整个分析域都使用同一个分析时窗， 使得信号在整个时间频率平面的时频分辨率固定不变【4 引。w i g n e r - v i l l e 在时间 和频率上都具有很高的分辨率，但由于w v d 是双线性形式的变换，两信号和 的分布存在交叉项，在分析多分量信号时尤为明显。交叉项的存在严重影响了 对自项的识别，从而也就严重影响了对信号时频行为的识别，为了抑制交叉项， 人们提出了多种改进的w i g n e r - v i l l e 分布，如平滑w i g n e r - v i l l e 分布和平滑伪 w i g n e r - v i l l e 分布等【4 朝。小波变换的时间和频率分辨率能随着尺度变化，信号在 高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，在低频部分具有较高的 频率分辨率和较低的时间分辨率。离散小波分解是将信号通过带通滤波器组， 分解成一个低频概貌部分和一个高频细节部分，然后将低频概貌部分继续分解 成低频部分和高频部分。离散小波分解是一种有效的信号处理方法，特征提取 效果较好，在柴油机表面振动信号分析处理中得到较为广泛地应用；小波包分解 是一种比离散小波分解更为精细的分析方法，它不仅对低频部分进行分解，而且 对高频部分也进行分解，使信号的高频和低频分解都能达到很精细的程度【4 5 1 。 7 武汉理工人学硕士学位论文 1 3 课题来源 本论文的研究工作得到了以下基金的资助： ( 1 ) 国家自然科学基金项目，项目名称：“船舶柴油机典型摩擦学系统状 态辨识方法与模型研究”( 编号：5 0 7 0 5 0 7 0 ) ； ( 2 ) 教育部博士点新教师项目，项目名称：“基于知识工程的船舶柴油机 摩擦学系统状态辨识 ( 编号：2 0 0 7 0 4 9 7 0 2 9 ) 1 4 本文研究的主要内容 本文将研究缸套活塞环润滑状态对内燃机振动信号的影响。主要研究内容 包括： ( 1 ) 建立单缸内燃机活塞、连杆、曲轴和飞轮的实体模型，利用通用的多 体动力学软件a d a m s 中的e n g i n e 模块对内燃机进行摩擦学和动力学仿真，研 究缸套活塞润滑状态对缸套活塞摩擦学和动力学的影响。 ( 2 ) 利用图形化编程软件l a b v i e w 搭建一整套内燃机振动测试与分析系统。 ( 3 ) 选取规则凹坑表面这一典型形貌特征，设计并在普通缸套内表面上加 工出规则凹坑。同时，利用表面轮廓仪测量缸套表面的三维形貌，并提取三维 表面形貌特征参数。 ( 4 ) 利用内燃机振动测试与分析系统开展缸套活塞润滑对内燃机振动信 号的影响研究。针对内燃机机身表面振动信号和曲轴主轴承振动信号，利用各 种信号处理方法( 时域、频域、时频、小波和小波包等) 提取振动信号特征， 研究缸套一活塞不同润滑状态对内燃机振动信号的影响。 武汉理t 大学硕十学位论文 第2 章缸套一活塞机构及润滑理论 2 1内燃机动力学理论 内燃机核心部件是由活塞、连杆和曲轴等组成的曲柄连杆机构，这些部件 在高速运动时产生的惯性力及气缸内燃气压力构成了内燃机机身振动信号的激 励源，下面分析内燃机在稳定转速和忽略摩擦影响下的曲柄连杆机构运动规律。 图2 1 为曲柄连杆机构示意图，图中彳、b 、0 三点分别代表活塞销中心、曲柄 销中心和曲轴回转中心，彳l 和么2 分别为活塞运动时的上止点和下止点。曲柄按 顺时针方向旋转，转速为缈，r 为曲柄半径，为连杆长度，定义兄= r l 为曲 柄连杆比，p 为曲轴转角，为连杆摆角，s 为活塞的轴向位移。 _ + 筐 1 0 国 l 图2 - 1曲柄连杆机构示意图 内燃机工作时，燃气压力作用在活塞上，通过该曲柄连杆机构，将活塞的 往复运动转化为曲轴的回转运动。燃气作用在活塞上的力尸( f ) 可以表示为： p ( f ) 二耻) 等 ( 2 - 1 ) 式中：p g ( t ) 为实际测得的缸内的燃气压力，d 为活塞的直径。 9 武汉理t 大学硕士学位论文 当内燃机的转速为刀r m i n 时，曲柄的转速国：罂r a d s ，曲轴转角0 ：o ) t ， 3 0 s i n # = a s i n 0 。 活塞轴向位移s 可以表示为： s = r ( 1 一c o s 8 ) + 三( 1 一c o s 矽) ( 2 2 ) 活塞的速度，为： v ：r 缈墅翌塑( 2 - 3 ) c o s 妒5 活塞的加速度口为： 口：尺国2 f 竺堕塑+ 彳a c o s r 01 ( 2 - 4 ) ic o s 宰lc o s 2 矽 将连杆质量等效为位于连杆小端和连杆大端的集中质量聊。、m 曲。 ，l 。：朋。毕 ( 2 - 5 ) 朋曲= 明。争 ( 2 - 6 ) 式( 2 - 5 ) 和( 2 - 6 ) 中：三。为连杆重心到连杆小端中心的距离，m 。为连杆 质量。 活塞组的往复惯性力为： t 桫= 细。+ 所p 加 ( 2 7 ) 式中：m 。为活塞组的质量。 活塞对缸套的作用力c ( f ) 为： f o ( t ) = b ( f ) 一t ( f ) 硒 ( 2 8 ) 将式( 2 1 ) 、( 2 - 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 7 ) 代入上式得： f o ( t ) - ip g ( t ) 等t a n g o - r 0 9 2 t a n a n 。o + m s , 夕( 警+ 五筹) 协9 ) 缸体在曲轴主轴承处x 方向和y 方向的受力分别为c 、e ，在忽略轴承润 滑的影响时，c 和e 可以表示为： l o 武汉理t 大学硕士学位论文 c ( f ) = ( 只一忍，) s i n 8 一弓c o s o c ( f ) = ( 只一b ，) c o s a + 弓s i n r 式( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 中：最为曲柄销中心受到的法向力 只= 一耻) ) 警 弓为曲柄销中心受到的切向力，其表达式为： ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ，其表达式为： ( 2 1 2 ) b = g ( f ) 一t ( f ) ) 掣 ( 2 1 3 ) u u s b ，为曲轴组的离心惯性力，其表达式为： b ，= ( m g + 2 m 。缈等+ m 幻) 尺彩2 ( 2 - 1 4 ) 儿 式( 2 1 4 ) 中：m 。为曲柄销的质量，m ，为曲柄臂的质量，p 为材料密度。 利用上述的表达式可以计算出内燃机在一个周期内缸体各部分受力情况， 将这些力作为外部激励则可以计算出缸体的振动情况。 由式( 2 9 ) 可以看出，活塞对缸体的作用力柴油机转速缈和曲轴转角0 的 函数。对于四冲程柴油机来说，典型的活塞侧推力曲线如图2 2 所示，活塞侧 推力换向时，其值为0 ，是一个瞬态过程，这时活塞对缸套产生撞击。活塞对 缸套的撞击次数取决于活塞侧推力的换向次数，在一个正常的工作循环中( 7 2 0 度曲轴转角) ，活塞对缸套会产生6 次撞击。图2 3 是活塞换向示意图。 活 塞 侧 推。 力 一一、 7 一 y 01 8 03 6 0 曲轴转角( o ) 图2 - 2 活塞侧推力曲线 武汉理1 ：大学硕士学位论文 多 l 蹦 t d e 前 t d ct d c 后 图2 - 3 活塞换向示意图 2 2内燃机机身表面振动信号产生机理 利用机身表面振动信号来诊断内燃机活塞缸套磨损状况已证明卓有成效， 受到广泛的关注，因此对机身振动产生机理的分析是十分必要的。在内燃机工 作过程中，活塞受到气体压力、活塞与缸套间的油膜压力和摩擦力以及从连杆 传过来的力等各种力的作用。在这些变力的作用下，活塞除了沿缸套轴线方向 做往复运动外( 一阶运动) ，还要绕活塞销做转动及作整体的横向运动( 二阶运 动) 。虽然，活塞的二阶运动相当于一阶运动来说十分微小，但其对内燃机的噪 声、振动、功率损失有着直接的影响。论文从活塞的动力学理论和缸套活塞的 润滑理论详细说明机身表面振动信号的产生机理。 2 2 1 活塞动力学 活塞在气缸内做往复运动时的位置、速度和加速度都用曲柄转角口的函数 ( 如式2 - 2 - - 2 4 ) 来表示。在垂直于活塞销的平面内，由于制造工艺和气缸工 作温度等原因，活塞和缸套之间不可避免的存在间隙，作用在活塞上的力和力 矩将引起活塞在缸套内作微小的平动和转动( 如图2 4 所示) ，此时活塞裙部项 端和底端会偏离缸套中心轴线，记偏心距分别为e ，和吮。如图2 5 所示为作用 在活塞上的力和力矩。其中，疋是作用在活塞上的缸内气体压力；f 是由流体 动压行为和微凸体接触共同引起的作用在活塞主推力面上的法向压力，m 为其 作用在活塞销上的力矩；凡是由流体动压行为和微凸体接触引起的作用在活塞 1 2 武汉理工人学碗士学位论文 主次推力面上的摩擦力，m ，为f ，作用在括塞销上的力矩；，c 和f 一分别为活 塞往复运动时的活塞惯性力和活塞销惯性力，f 名，肘。和乓分别为活塞= 阶 运动引起的活塞惯性力、惯性力矩和活塞销惯性力；，为连杆作用在活塞上的 力其方向始终沿连杆长度方向；b 和n 分别为活塞质心和活塞销质心到活塞 裙部顶端的垂直距离；c