_小型汽油机振动测试方法_试验方法的讨论_李景渊

1、=测试技术>5小型汽油机振动测试方法6试验方法的讨论李景渊, 许响林, 曹文明(重庆嘉斯特质量检测有限公司, 国家摩托车质量监督检验中心(重庆 , 重庆 401122 摘要:标准GB P T 10398-19895小型汽油机振动测试方法6提出了小型通用汽油机振动的试验方法, 但是未规定振动测试设备参数的设置。在试验中, 仪器参数的设置对试验结果有着重要的影响。通过相关理论及实际的试验分析了仪器参数设置对试验结果的影响, 并提出相应的解决方法。关键词:振动与波; 小型汽油机; 分析; 试验方法中图分类号:TK417. 4 文献标识码:A 文章编号:1673-6397(2007 02-004

2、4-03Discuss the Test Method in V ibration Test Method o f Minitype Gasoline EngineLI Jing -yuan , XU Xiang -lin , Cao Wen -ming(Chongqing Justice Quality Testing Co. , LTD.National Motorc ycle Quality Supervision and Testing Center (C hongqing Abstract :The standard GB P T 10398-1989/Vibration Test

3、Method of minitype Gasoline Engine 0prescribes the vibration test method of minitype gasoline engine. But the parameters of instruments will affect the result of test greatly, which the standard has not any mention. The influence of instrument pa -rameters on result that will be analyzed through the

4、 relative theory and the test , and the corresponding solution will be put.Key W ords :Vibration and Wave; Minitype Gasoline Engine; Analyze; Test Method作者简介:李景渊(1979- , 男, 汉族, 助理工程师, 硕士, 主要从事内燃机振动噪声的测试研究。收稿日期:2007-03-30小型汽油机作为一种动力装置在生产生活中被广泛应用于发电机组、水泵、割草机等各种产品, 其振动水平的高低直接影响操作者的使用及环境噪声。作为生产许可证产品, 振动

5、水平也是考核的项目之一。国家标准GB P T 10398-19895小型汽油机振动测试方法6中规定了小型汽油机的振动测试方法, 其中包括仪器精度、试验台架以及振动烈度的计算方法。但在标准中未规定试验参数的设置。在测量中试验参数会直接影响测量结果, 因此有必要对此进行相关分析和讨论, 规范试验过程。1 小型汽油机的动力学分析目前小型汽油机多为往复活塞式曲柄连杆机构(见图1 , 其中又以单缸机居多。本文主要以该种型式进行讨论。单个曲柄连杆机构对于机体的作用力为N 、T*K 和P r 四力。其中T *和K 通过气缸中心线与曲轴轴线的交点O , 可以合成为一力S *。侧推力则可以用一个通过O 点的相等

6、的平行力N *和一个力矩M f 来代替。汇交的S *和N*的合力等于(P g +P j , 其中P g 为作用于活塞的气体作用力, P j 为活塞(包括连杆小头质量 的往复质量惯性力。鉴于缸内气体对于机体也有一个作用力P g 向上作用于缸盖底面, 故单个曲柄连杆机构和缸内气2007年第2期(总第98期 内燃机与动力装置 I. C. E &Powerplan t 2007年4月体对于机体的共同作用结果是使机体受到一个沿气缸中心线方向的力X , 一个垂直于气缸中心线的力Y 和一个力矩M f , 其中X =P j -P r cos A Y =P r sin AM f =N (r cos+l

7、c os B 公式(1A 为曲拐转角, B 是连杆摆角, r 是曲柄半径, l 是连杆大小头中心距。这些力和力矩的正、负方向示于图 1中。图1 曲柄连杆机构和缸内气体对于机体的作用力力矩M f 叫做/翻倒力矩0, 经化简, 可得:M f =(P g +P j sin(A +B c os Br =M (2 M 为曲拐转矩。X 、Y 、M f 都是周期性变化的力和力矩。如果机体安装在绝对刚性的台架上, 则上述各种力和力矩以及汽油机的振动就是汽油机对台架的作用力, 实际上汽油机的振动试验在安装有弹簧的平板上进行, 因此周期性变化的力和力矩会使汽油机和平板发生振动, 则汽油机对台架的作用力为:X 、Y

8、 、M X 、M Y 、M Z 。在内燃机动力学中常以内燃机的往复惯性力系和旋转惯性力系分析内燃机的平衡性, 以平衡特性系数表示。内燃机P r 力系的主向量, 以及往复惯性力系的主向量极值可以表示为:R r =k r P rR jl =? k 1C R j Ò=? k ÒK C(3其中C =m j r X 2, 称为/往复惯性力系数0, K 为/连杆比0, k r 是旋转惯性力不平衡系数, k 1和k Ò各是一次和二次往复惯性力不平衡特性系数0。其中一次往复惯性力的频率同汽油机的转频一致, 二次往复惯性力的频率为内燃机转频的2倍。对于单缸汽油机而言, k r 、k

9、 1和k Ò均等于1。2 试验台架分析标准GB P T 10398-1989规定了汽油机振动的试 验台架, 见图2。图2 振动试验台架根据标准要求制造了试验台架, 平板的质量为200kg, 紧固装置大约为14kg, 单个弹簧刚度为37567N P m 。汽油机与平板和弹簧组成了多自由度的振动系统。(a 垂直模态(b 侧倾模态(c 俯仰模态图3 振动试验台架模态#45#2007年第2期李景渊, 等:5小型汽油机振动测试方法6试验方法的讨论根据以上结构参数, 利用ADAMS 动力学分析软件分析了该系统的固有频率和振型, 以30kg 的188F 型通用汽油机为例, 该振动系统出现了九阶主振

10、动, 其中前六阶为刚性位移, 对振动有直接影响的为第7、8、9阶主振动:垂直模态的固有频率为3. 95Hz, 侧倾模态的固有频率为6. 5Hz, 俯仰模态的固有频率为7. 0Hz 。3 试验参数对试验结果的影响3. 1 试验频率范围试验前首先要确定试验的频率范围。在标准GB P T 10398-1989中只规定了测量仪器的频率范围为10Hz1000Hz, 并给出了1Hz10000Hz 频率区间内的灵敏度允许偏离80Hz 时基准灵敏度的偏差。但是经试验表明试验频率范围对试验结果有较大的 影响。图4 不同下限截至频率下的速度频谱图图4中的(a 和(b 是内燃机转速3600r P min, 采样频率

11、f s =2560Hz, 下限截至频率f down , lim 分别为2Hz 和10Hz 时的速度频谱图。图(a 中低频2. 5Hz 处出现一明显峰值, 2. 5Hz 为频率分辨率(仪器采用400根谱线, f s =2. 56f c , 在图(b 中由于试验采用了10Hz 的高通滤波, 因此抑制了该峰。分析测量结果, 图(a 的速度均方根值为3. 62m P s, 图b 中速倍。根据第一节中内燃机动力学的分析, 内燃机对外的不平衡力主要表现为内燃机的一次和二次往复惯性力, 表现在频率上即60Hz 和120Hz 。根据前面对试验台架的分析, 台架的几个方向的共振频率均出现在低频, 任何低频下微小

12、的激励均有可能引起振幅相对较大的振动。在确定试验范围时, 必须根据测试对象确定其频率范围。对于小型汽油机, 标定转速一般为3000r P min6000r P min, 即会在50Hz 200Hz 范围内出现峰值, 而高于此频率范围的频率下的结果对试验的结果影响较小, 该结论从图(b 可以得到印证, 因此小型汽油机振动试验应该对10Hz 以下的频率进行滤波, 对高频则无严格的要求。3. 2 采样频率采样频率, 即采样间隔的倒数, 是信号采集的重要参数。若采样频率过低(采样间隔过大 , 则会将信号中的高频信号误认为某种相应的低频信号, 出现频混现象。根据采样定理, 为了避免混叠以使采样处理后仍有

13、可能准确地恢复原信号, 采样频率必须大于最高频率(分析频率 的两倍。很多采集仪为了方便数字化处理, 取2. 56倍。但是过高的采样频率也会造成测试的误差。对于一个信号必须要完整采集一个周期的信号, 否则会对一个信号产生不完整截断, 造成频率泄漏, 偏离实际结果。例如一个1Hz 的信号, 其信号周期为1s, 当采集软件的采样点数为1024, 采用2560Hz 的采样频率, 其截断长度为1024P 2560=0. 4s, 就会造成对信号的不完整截断, 产生能量泄漏, 实测的结果低于实际值。在应用中一般采用增加截断长度, 使整周期截断化率增加的方法降低能量泄漏。3. 3 灵敏度在采用压电式的加速度传

14、感器进行振动试验时一般涉及两个灵敏度, 一个为传感器的电荷灵敏度, 一个是电荷放大器的电压灵敏度, 电荷灵敏度由传感器的特性决定, 而电压灵敏度需要根据信号进行设置。电压灵敏度的单位为mv P unit, 根据振动信号的强弱向采集仪输出不同电压的信号。在实际应用中, 采集仪均会有一定的直流偏置, 即带来信号干扰, 见图4。图5中图(a 为电压灵敏度31. 6mv P unit, 图(b 为1000mv P unit, 图(a 中7. 5Hz(频率分辨率为7. 5Hz 出现一个明显的峰值, 其速度均方根值为3. 29unit, 图(b 均方根值为2. 54unit 。说明图(a 引入了, #46

15、#内燃机与动力装置2007年4月在高点减少半径。为了实现圆滑过渡, 通常在该点的上下连续点都要递减的增加或减少半径。3 结论(1 优点:由于该系统采用了形象化的编程语言和完善的功能配置, 使操作者在编程和加工目的的实现上具有很大的灵活性。避免了传统的G 、M 指令雷同易混淆的缺点, 做到了非常人性化, 易于操作和理解。(2 缺点:由于该系统是HE LLER 公司自己开发的专用系统, 只是用于HE LLER 公司自己生产的机床上, 所以生产批量较少, 造成维修配件价格昂贵。(上接第43页 到了较高的水平和标准, 能够为进一 步分析内燃机性能提供可靠的科学数据。图9 MATLAB 油耗拟合曲线Fi

16、g 9oil consump tion curve by MATLAB参考文献:1National Instruments corporati on. Lab Wind ows P C VI User Manual M. 19972Rocco V. D. I. Diesel Engine In-Cylinder Pressure Data Ana-l ysis Under T. D. C. Setting Error. SAE Trans, 9305953胡文金. 计算机测控应用技术. 重庆:重庆大学出版社, 2003. 7(上接第46页 图5 不同灵敏度下的速度频谱图因此在试验中应根据试验信号的强弱选择适合的电压灵敏度, 对于微弱信号应选择较大的电压灵敏度, 以增加其信噪比。4 结论从内燃机动力学入手分析了小型汽油机的动力学特征, 并对振动台架的振动特征进行