安相璧　张　哲　陈　磊　李大伟　王　龙

军事交通学院,天津,300161

再制造发动机磨合质量监测方法试验研究

安相璧张哲陈磊李大伟王龙

军事交通学院,天津,300161

在对车用再制造发动机进行磨合试验时发现,同一机型按同一方法磨合,其磨合质量却有很大不同。针对此问题,提出运用表面振动信号的方法进行磨合质量监测，采用小波包分解和子带能量法对振动信号进行分析;以康明斯6BT5.9发动机为对象对该方法进行了试验研究,证明了所提出方法的可行性、实时性和有效性。

车用再制造发动机;磨合质量监测；振动信号；子带能量法

1　再制造产品磨合现存问题

笔者在对我国发动机再制造企业进行调研以及对某发动机再制造厂产品进行验收的过程中发现,目前我国车用再制造发动机磨合主要存在以下两个方面的问题：

一是为了保证发动机磨合的效果，采用分阶段、多工况磨合，导致磨合时间过长,造成人力、物力的极大浪费，尤其是在生产量比较大的时候。如某发动机再制造厂生产的某型单机磨合总时间达到310 min。

二是同一机型按同一方法磨合，其磨合质量

却有很大不同。我们在对某发动机再制造厂产品进行验收试验的过程中发现，由于再制造加工过程的特点导致产品质量一致性较差，不能保证每台发动机在磨合规范指定的时间内都能达到良好的磨合状态。表1所示为同一生产批次的康明斯EQ6BT5.9再制造发动机磨合性能测试结果，由表1可见,按照同一磨合规范磨合结束后,部分发动机并未达到出厂要求,在增加了一个磨合循环后才基本达到要求。

由此可见,为了解决上述问题,除了改进磨合工艺外，还需要寻求一种能够对磨合质量进行实时、不间断、精确监测的办法。

表1　采用同一磨合规范的同型号发动机性能试验结果

2　常用磨合质量监测方法及适用性分析

目前常用的磨合质量监测方法主要有油液分析法、摩擦功分析法、曲轴箱漏气量和压缩压力分析法、拆检分析法等。其中,油液分析法[1]比较精确,但分析时间较长，不满足再制造发动机磨合实时监测的要求;摩擦功分析法[2]易于操作,但热机试验过程中需要停机测量摩擦功;曲轴箱漏气量和压缩压力分析法[3]在测量压缩压力时,需要拆卸喷油器或火花塞,对发动机运行状态有影响;拆检分析法[4]工作量大,且拆卸后重新装配过程有可能改变装配关系，对发动机性能测试产生附加影响,而且不具有实时性,不适用于再制造发动机磨合状态的监测。

由上述分析可见,以上各种方法都不满足再制造发动机磨合过程实时监测的要求。采用振动信号分析方法可以达到要求。目前，振动信号分析方法已广泛应用于发动机的故障诊断和运行状态监测中,通过建立表面振动信号与发动机零部件运行状态之间的联系，可以精确地判定发动机的状态。信号分析方法主要分为发动机机体表面振动信号分析和发动机噪声信号分析两种。其中，噪声信号分析方法对测试环境要求较高,本文推荐使用发动机表面振动信号分析方法。发动机机体表面振动信号分析方法采集的发动机振动信号是发动机内部各激励源的响应,蕴含了发动机运行状态的丰富信息[5],此外,零部件配合状态、零部件表面磨损等也会产生相应的振动信号响应[6]，通过合理的信号处理方法，提取发动机磨合过程的信号特征进行分析，可以对发动机磨合结果进行评判[7-8]。该方法具有实时性好、灵敏性高、精确度高和无损监测的特点，符合再制造发动机磨合质量监测的要求。

3　再制造发动机磨合振动信号的采集与处理

3.1磨合振动信号采集系统

以再制造康明斯6BT5.9发动机作为试验对象,建立了一个由加速度传感器、油压/电压传感器、电荷放大器、数据采集卡和计算机组成的振动信号采集处理系统，其工作原理如图1所示。加速度传感器直接连接在发动机的外表面，用来采集发动机机体的振动信号,然后把采集到的振动信号转变为电信号；油压/电压传感器安装在发动机各缸对应的高压油管(柴油机)或火花塞末端(汽油机)，用来作为加速度传感器采集信号的触发信号。

图1　振动信号采集系统示意图

3.2信号采集与处理

按照表2所示的磨合规范进行两个循环的磨合[9](第一循环的工况为工况1～14,第二循环的工况与第一循环的工况相同，以工况1’～14’代替(第一循环的工况14即为第二循环的工况1’),分别在四缸的缸盖(测点1)、缸壁(测点2)和曲轴箱(测点3)位置安装振动加速度传感器(图2),并在四缸对应的高压油管夹装油压传感器,作为信号采集的触发信号,在每一工况稳定时刻进行振动信号采样。设置采样频率为12.8 kHz，采样点数为8192点,图3所示为采集的一组振动信号。对采集到的信号进行降噪处理，降噪后的信号采用dmey小波基进行5层小波包分解[10],分解过程采用移频算法,将得到的32个子信号按照对应的频率大小进行排序，并计算归一化后的能量分布。处理过程中发现,大于5 kHz的激励响应较弱，所以只需分析5 kHz(含)以下的信号成分。

表2　康明斯EQ6BT5.9发动机性能试验磨合规范

图2　测点位置

图3　采集到的一组振动信号示意图

4　试验结果分析

对磨合过程中各怠速工况(800 r/min)的处理结果进行分析，各振动信号采集工况与磨合过程的对应关系如表3所示。对采集的振动信号采用dmey小波基按照小波包算法进行4层分解,得到16个子带成分，由于频率f大于3.2 kHz的各子带能量近似为零,所以取其0～3.2 kHz的8个子带成分进行分析,则3个测点各个子带所占能量比值的分布情况如图4所示。

表3　振动信号采集工况与磨合过程对应关系

由图4可以看出,随着磨合的进行，各个激励源响应的能量分布是变化的。对于测点1(图4a),1.2～1.6kHz子带(对应于燃烧激励响应)所占能量比值总体呈增大趋势,到工况J之后趋于平稳,变化非常小，但是在工况C和工况F时出现波动，这是由于在磨合中期，发动机摩擦副表面磨损剧烈，磨损不断增加造成的；2.0～2.4 kHz以及2.4～2.8 kHz子带(分别对应于排气门开启冲击响应和排气门落座冲击响应)所占能量比值在磨合中段略微增大，在总体上呈减小趋势，在工况K之后趋于稳定。对于测点2(图4b)，1.2～1.6 kHz和2.0～2.4 kHz子带(分别对应于燃烧激励响应和活塞上止点换向撞击响应)所占能量比值要高于其他子带所占能量比值，这说明在测点2位置采集的发动机振动信号，燃烧激励和活塞上止点换向撞击为其主要激励源。可以看出，磨合初始时刻，活塞换向撞击响应要强于燃烧激励响应，但随着磨合的进行，燃烧激励响应所占能量比值逐渐增大，在工况K之后趋于稳定，而活塞换向撞击响应所占能量比值呈减小趋势，在工况I之后其所占能量比值开始小于燃烧激励响应所占能量比值。对于测点3(图4c)，0～0.4 kHz子带对应的曲轴主轴颈轴心跳动引起的振动响应和2.4～2.8 kHz子带对应的曲轴惯性力振动响应所占能量比值总体呈减小趋势,且均在工况K之后趋于平稳;而0.8～1.6 kHz子带所对应的燃烧激振响应所占能量比值呈增大趋势。

1.f为0～0.4 kHz　2.f为0.4～0.8 kHz　3.f为0.8～1.2 kHz　4.f为1.2～1.6 kHz　5.f为1.6～2.0 kHz　6.f为2.0～2.4 kHz　7.f为2.4～2.8 kHz　8.f为2.8～3.2 kHz(a)测点1

1.f为0～0.4 kHz　2.f为0.4～0.8 kHz　3.f为0.8～1.2 kHz　4.f为1.2～1.6 kHz　5.f为1.6～2.0 kHz　6.f为2.0～2.4 kHz　7.f为2.4～2.8 kHz　8.f为2.8～3.2 kHz(b)测点2

1.f为0～0.4 kHz　2.f为0.4～0.8 kHz　3.f为0.8～1.2 kHz(c)测点3图4　振动信号各子带能量比值随磨合工况变化情况

由此可见，3个测点的分析结果具有一定的一致性，这是因为，随着磨合过程的进行，发动机各摩擦副(气门与气门座、活塞环与缸壁、活塞销与连杆小头轴瓦、曲轴连杆轴颈与连杆大头轴瓦、曲轴主轴颈与主轴承座轴瓦)之间配合渐趋良好，发动机运转更加平稳，与摩擦副相关的机械激励在机体表面的振动响应减弱，相应的燃烧激振响应所占比重增大。从变化幅度上来看，测点1对应的燃烧子带变化更加明显，所以在实际应用过程中，可以只对该子带进行监测分析来判断发动机的磨合状态,这样就大大减小了实际应用过程中的工作量。

5　结论

通过对再制造发动机表面振动信号进行分析,可以对发动机磨合质量进行评价，缸盖位置作为振动信号采集点行之有效。对于康明斯6BT5.9再制造发动机，缸盖振动信号0.6～1.0 kHz子带和缸壁振动信号1.8～2.2 kHz子带可以用来作为监测磨合质量的特征频率段,根据其占总信号能量的比值变化趋势可以评价发动机磨合状态。

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(编辑苏卫国)

Experimental Study on Running-in Quality Monitoring Method of Remanufactured Engine

An XiangbiZhang ZheChen LeiLi DaweiWang Long

Military Transportation University,Tianjin,300161

It was found in the vehicle remanufacture engine running-in testing,among the same type engines the running-in quality was very different using the same method of running-in.Aiming at this problem,this paper presented a method using surface vibration signals to monitor running-in quality,and the method of wavelet packet decomposition and the sub-band energy were used to analyze the vibration signals.Taking Cummins 6BT5.9 engine as the study object,the feasibility,the real-time and the effectiveness of the method were proven.

remanufactured engine for vehicle;running-in quality monitoring;vibration signal;sub-band energy method

2013-12-11

TK418;TP277< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.04.009

安相璧，男，1963年生。军事交通学院工程技术研究中心教授。主要研究方向为车辆检测、车辆试验和发动机再制造技术。张哲(通信作者),男,1989年生。军事交通学院工程技术研究中心硕士研究生。陈磊,男,1986年生。军事交通学院工程技术研究中心硕士研究生。李大伟,男,1987年生。军事交通学院工程技术研究中心硕士研究生。王龙，男，1988年生。军事交通学院工程技术研究中心硕士研究生。