邱国生

(北京福田康明斯发动机有限公司,北京 102206)

0 前言

在发动机研发及生产制造过程中,发动机的台架试验是一个非常重要的环节,是检测发动机性能指标和可靠性的重要工艺流程,福田康明斯发动机测试线引进AVL集装箱式台架(图1),核心硬件系统包括电力测功机控制系统、燃油控制系统、进排气系统、冷却液控制系统、机油控制系统、通风冷却系统及油耗仪与其他数据采集设备等,具备高度准确性和可靠性。同时使用Puma系统完成测试过程执行、测试结果判断、数据采集分析及发动机保护等。

在生产过程中,发动机通过试验托盘自动与台架通过辊道进行对接,将发动机各个系统与台架通过托盘连接,同时发动机的工艺飞轮花键轴通过连接盘的母花键、连接法兰、带缓冲橡胶的联轴器及连接轴与测功机直接连接起来。

1 故障现象

在利用发动机台架进行试验时,在测试循环工况过程中偶尔会发生振动瞬间异常增大,测功机水平方向振动速度达10 mm/s,台架振动自动监控系统报警停机,严重影响到生产线的运行效率。停机检查发现有前端联轴器缓冲橡胶块与保护罩干涉产生磨损痕迹,存在橡胶块磨损断裂的风险(图2)。

2 原因分析

故障树[1]分析是描述事故因果关系的有效方法,是系统安全工程中重要的分析方法之一,能对各种系统的危险性进行识别评价,既适用于定性分析,又能进行定量分析。它是1种从系统到部件,再到零件,按“下降形”分析的方法。也可以用来分析零件、部件或子系统故障对系统故障的影响。图3示出了采用故障树分析法对测功机振动超标故障的分析。

试验台架测功机振动大的原因理论上有很多,经过系统分析,总结出如下几个可能原因：(1)发动机扭振过大;(2)托盘与测功机不对中;(3)测功机存在机械松动;(4)轴承故障;(5)测功机定子故障;(6)测功机转子故障;(7)发动机运动部件导致振动大;(8)发动机标定导致振动大[2]。

图3 测功机振动超标故障分析

需要对振动分析及对比试验进行一一验证,找出试验台架振动异常的原因。

3 原因验证

3.1 发动机扭振试验

发动机扭振的主要贡献源是发动机的周期燃烧引起曲轴扭转振动。对发动机而言,产生的扭矩主要有机械运动产生的扭矩、不平衡惯性力产生的扭矩及周期燃烧气体压力产生的扭矩,作用在发动机上的总扭矩是压力产生的扭矩和惯性扭矩的总和。周期变化的不平衡扭矩导致传动轴转速的瞬态波动及不规则动态扭转。

在发动机前端曲轴皮带轮处进行了码盘的布置(图4),每转120个脉冲,可以分析到60阶的振动阶次,完全满足分析要求。

图4 布置码盘

通过数据采集后处理软件进行数据分析,得出扭振角随转速的变化阶次曲线(图5)。由结果可以看出,曲轴的扭振角最大为3阶点火频率,且不超过标准,满足设计要求。

图5 测功机振动超标故障分析

3.2 频谱分析

对进行试验的发动机及测功机进行振动监测[3],试验仪器如表1所示。图6示出了传感器布置图。

表1 试验仪器

图6 传感器布置位置

使用激光对中仪对托盘测功机进行对中检验,水平与角度对中允差均在标准范围内,水平公差小于0.03 mm,角度公差每100 mm小于0.05 mm,测试转速在800～2 100 r/min范围内,传感器C振动速度的总体水平,如图7所示,频谱瀑布图如图8所示。

图7 发动机(标定1)振动速度总体水平

图8 振动速度瀑布图

由此可以看出,在振动速度总体水平上,振动超标发生在转速1 700 r/min附近,且频谱成分为点火频率;在频谱上未发现明显的基频二倍频的高幅值,托盘与测功机对中状态正常;在统计量中,从加速度峰值(均小于5 m/s2),峭度值(3左右),歪度值(0左右)可以看出,测功机轴承处于正常状态;在频谱中,未发现测功机定子故障(绕组故障)频率,转子故障(竖条断裂)的频率,测功机正常。

至此,可排除托盘与测功机不对中,测功机存在机械松动、轴承故障、测功机定子故障和测功机转子故障。

更换发动机标定,由标定1切换至标定2,在总体水平值上没有明显不同(图9),可以排除标定对振动异常的影响。

图9 发动机(标定2)振动速度总体水平

4 结论

根据扭振试验及频谱对比试验,得出以下结论：

(1)振动瞬间增大的转速为1 700～1 800 r/min之间,且除此区间外,测功机振动一切正常。

(2)振动增大原因为不同发动机间的硬件差别,如工程机械和公路用车的发动机在硬件上有很大不同。

根据发动机测试程序,高低怠速及功率点、额定点的试验转速,振动值均在正常范围,转速1 700～1 800 r/min区间不是重点关注工况,可以采用紧急拉升或降低的方法,让测试程序迅速通过此转速区间,避免设备报警停机,提升试验台架运行效率。