顾程， 乔新勇， 段誉， 翟振东

(装甲兵工程学院机械工程系， 北京　100072)



·测试与诊断·

基于GT-Crank仿真的柴油机气缸磨损时瞬时转速分析

顾程， 乔新勇， 段誉， 翟振东

(装甲兵工程学院机械工程系， 北京100072)

利用GT-Crank软件对柴油机曲轴瞬时转速进行仿真分析计算，研究了正常状态、单缸磨损、多个相邻缸磨损和多个非邻缸磨损状态下瞬时转速的变化规律，提取了状态特征参数，并分析了气缸磨损对其他缸的影响，为深入研究瞬时转速在柴油机状态检测诊断中的应用提供了理论依据。

柴油机； 气缸； 磨损； 瞬时转速； 动力学分析； 仿真

气缸磨损是柴油机运行过程中不可避免的现象。随着柴油机运行时间的增加，气缸磨损程度呈现上升趋势，磨损程度严重将会影响柴油机的正常工作。在不解体的状态下，直接测定气缸的磨损状况非常困难。目前常用的气缸磨损测量方法有很多，如检测气缸压力、缸盖振动、曲轴瞬时转速、润滑油消耗量、起动电压和起动电流等。直接测量气缸压力比较困难，测量缸盖振动、润滑油消耗量不够精确。柴油机的瞬时转速信号蕴含着大量的机器运行状态信息，可以间接反映缸内压力，进而反映出气缸磨损状况，并且容易测量，精确度高[1-3]。S.F.Rezeka和N.A.Henein对转速波动图进行研究，提出可用于诊断故障的三个无量纲参数[4]；天津大学的胡玉平等人在刚性曲轴模型的基础上建立了瞬时转速分析模型，讨论了气缸数、平均转速、负荷以及各缸工作均匀性对内燃机瞬时转速波动变化规律的影响[5]；江苏大学的王瑞超等人运用Pro/E建立曲柄连杆机构实体模型，基于ADAMS平台建立了曲轴连杆机构动力学仿真模型，讨论了影响瞬时转速的关键因素，提出利用瞬时转速进行故障诊断的特征参数和判据[6]；海军工程大学的张永祥等人采用非线性动力学模型和变转动惯量对转速进行了仿真，得到瞬时转速、指示扭矩和缸内压力之间的关系[7]。本研究利用GT-Crank软件对柴油机动力机构进行建模，通过施加不同的气缸磨损状态，对不同转速下柴油机的工作过程进行分析，建立了曲轴转速波动信号与气缸磨损之间的关系，对于评价使用期内柴油机质量状况检测诊断及指导维修具有重要意义。

1　仿真模型建立

瞬时转速的波动与缸内气体压力和往复惯性力有关，在各缸工作完全一致的情况下，其波动具有良好的周期性。柴油机正常工作时，各缸波形虽有差异，但差异不大。当某气缸工作不正常时，由于作用在曲轴上扭矩的周期性波动，使曲轴的回转角速度呈现不均匀性。为了研究柴油机气缸磨损状态下瞬时转速的变化规律，本研究以某型装备的12V150ZLC柴油机为例，利用GT-Crank软件建立柴油机动力机构分析模型(见图1)，分别设置活塞、连杆、曲轴销、轴颈、飞轮等参数，曲轴设置为12缸4冲程，规格设置为负荷模式，并设置发火顺序以及间隔角。表1示出12V150ZLC柴油机的主要参数。其中，左1缸至左6缸编号为1～6，右1缸至右6缸编号为7～12。

图1　12V150ZLC柴油机动力机构分析模型

表1　12V150ZLC柴油机主要参数

2　瞬时转速波动规律分析

通过建立柴油机动力机构工作模型，模拟输出瞬时转速信号，研究不同气缸磨损状态下的瞬时转速波动规律。

2.1状态模拟方法

假定除气缸磨损外，其他影响瞬时转速的因素均在理想条件下，采用状态注入的方法来研究瞬时转速与气缸磨损之间的对应关系。气缸磨损由多种因素引起，而气缸磨损引起的漏气对动力性能影响最为显著，因此漏气是气缸磨损状态的主要体现。本研究以漏气面积近似代替气缸的磨损状态，并模拟以下几种状态：正常状态、单缸磨损、多个相邻缸磨损和多个非邻缸磨损。

利用GT-Power进行磨损漏气仿真计算，在模型中添加一个漏气阀门，通过改变其升程来控制活塞环开口面积。通过查阅相关文献，柴油机大修时梯形环在缸套内的开口面积不大于0.79 mm2，因此当量漏气面积的取值范围为0.32～0.79 mm2，本次计算设置左1缸开口面积为0.79 mm2，以此模拟气缸磨损量。图2分别示出正常状态缸压曲线和磨损状态缸压曲线。可以看出，磨损状态下气缸压力值较正常状态偏低。

图2　两种状态下气缸压力曲线

将上述正常状态和磨损状态缸压值作为动力机构分析模型的输入，分别设置正常状态、左3缸磨损、左3缸和右4缸同时磨损以及左3缸和左6缸同时磨损，进行模拟仿真。

2.2瞬时转速波形分析

经过仿真计算，得到不同转速、不同磨损状态下的瞬时转速波形。

2.2.1正常状态下瞬时转速波形

图3示出12V150ZLC柴油机在正常工作状态下转速为600，1 000，2 000 r/min时的瞬时转速波形。由图可知，由于该柴油机为12缸，在一个工作循环内瞬时转速波形共有12次波动。正常状态下，各缸密封性一致，峰值与谷值应该是一致的。平均转速为600 r/min时，转速波动为22.98 r/min；平均转速为1 000 r/min时，转速波动为13.93 r/min；平均转速为2 000 r/min时，转速波动为7.01 r/min。可以看出，随着平均转速的增加，瞬时转速的波动逐渐减小。低转速时，受外界条件影响较大，瞬时转速波动较大；高转速时，运行相对稳定，瞬时转速波动较小。

图3　12V150ZLC柴油机在正常工作状态、　不同转速下的瞬时转速波动

2.2.2磨损状态下瞬时转速波形

通过不同转速、不同磨损状态的仿真模拟，获得了相应的瞬时转速数据(见图4)。由图4可知，各缸的做功冲程都对应着一段瞬时转速波峰的上升区间曲线，在不同状态下磨损缸对应的波峰上升区间曲线与正常状态有着规律性的差别。与正常状态相比，单缸磨损状态下，转速上升幅度有所降低，瞬时转速波动有所起伏；相邻缸磨损状态下，转速上升幅度降低，瞬时转速波动明显；非邻缸磨损状态下，瞬时转速波动更加明显。这是因为，气缸磨损漏气导致缸内压力相对较小，在该缸做功期间提供的动力较少，转速增量相应较小，而正常缸在其做功期间能够提供更多的动力，转速增量相对增大，长时间运行可能导致正常缸负荷过大，引起正常缸受损。

图4　不同转速下，3种磨损状态的瞬时转速波动

2.3特征值提取

通过上文分析，各气缸做功冲程对应的一段瞬时转速曲线的上升幅度是一个较直接的判断标准。由缸内压力和瞬时转速之间的动力学关系可知，当某一缸处于膨胀行程时，曲轴加速旋转，以扭矩方式对外做功，该气缸工作状态越好，该行程内曲轴的加速值就越高，反之就越低，所以膨胀行程内曲轴加速值从很大程度上反映了该气缸的状态。这里将某一缸膨胀行程期间瞬时转速上升值定义为该缸的转速最大增量，柴油机各气缸对应转速最大增量分别为S1～S12，其中S1～S6分别对应左1缸至左6缸，S7～S12分别对应右1缸至右6缸。上述3种磨损状态下的转速最大增量曲线见图5。将最大转速增量进行无量纲归一化处理，把各缸最大转速增量与所有12个气缸平均最大转速增量的比值(P)作为反映各缸状态的指标。

式中：Sn为第n缸的转速最大增量。

图5　3种磨损状态下转速最大增量曲线(n=1 000 r/min)

经过计算分析，n=1 000 r/min工况下得到的波形最具有代表性，计算该转速3种磨损工况下各缸转速最大增量归一化比值，结果见表2。表中P1，P2，…P12分别代表左1缸至左6缸和右1缸至右6缸的转速最大增量归一化比值。可以看出，正常气缸P值比较均匀，分布在0.9～1.25之间；而磨损气缸P值明显下降，下降幅度近30%。因此，P值可以作为一个判断气缸磨损的特征参数。经过其他不同工况各组数据分析，虽然变化值与表2有小范围的个体差异，但始终保持一点基本规律：若某气缸P值下降超过10%，该气缸一定是模拟的磨损缸。

表2气缸磨损状态下各缸转速最大增量归一化比值P(n=1 000 r/min)

比值单缸磨损邻缸磨损非邻缸磨损P11．091．231．16P120．991．081．14P50．940．941．03P81．101．051．10P30．710．800．66P101．000．711．11P61．061．060．77P71．001．061．00P20．930．930．99P110．950．880．95P41．081．021．00P91．141．231．09

3　结论

a) 通过GT-Crank仿真模型方法，获得了柴油机不同工作状态下瞬时转速波形，通过分析表明，瞬时转速波形与气缸工作状态密切相关，气缸磨损时对应的瞬时转速增量降低；

b) 磨损缸对整个工作循环内瞬时转速波动产生影响，不仅导致该缸对应的转速最大增量下降，而且影响其他部分正常缸的转速最大增量上升；

c) 瞬时转速对气缸磨损故障具有较好的诊断性，对柴油机的维修保养具有一定的指导意义。

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[2]于明进，孟祥录. 瞬时转速在发动机性能与故障检测中的应用[J].山东交通学院学报，2004，12(2):18-21.

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[编辑：潘丽丽]

Transient Speed Analysis of Diesel Engine Cylinder Wear Based on GT-Crank Simulation

GU Cheng, QIAO Xinyong, DUAN Yu, ZHAI Zhendong

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Forces Engineering, Beijing100072, China)

The transient speed of diesel engine crankshaft was simulated and calculated by GT-Crank software, the changing laws of transient speed under the conditions of normal state, single-cylinder wear, multiple adjacent cylinder wear and multiple non-adjacent cylinder wear were researched, the characteristic parameters of state were extracted, and the effects of cylinder wear on other cylinders were analyzed. Accordingly, the research provided the theoretical basis for further studying the application of transient speed in state monitoring and fault diagnosis of diesel engine.

diesel engine; cylinder； wear； transient speed; dynamical analysis; simulation

2016-04-18；

2016-07-07

顾程(1992—)，男，硕士，研究方向为柴油机状态检测和故障诊断；gucheng92@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.05.016

TK401

B

1001-2222(2016)05-0082-05