槐元輝 楊京萍

摘要：對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷而言，最關(guān)鍵的一點(diǎn)在于信號(hào)故障特征的提取，直接決定汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的準(zhǔn)確度。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，且影響因素眾多，導(dǎo)致目前尚無足夠成熟和準(zhǔn)確的故障診斷辦法。鑒于上述理由，筆者將通過提取發(fā)動(dòng)機(jī)的故障信號(hào)頻率特征來對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的故障及原因進(jìn)行診斷，希望進(jìn)一步提升汽車發(fā)動(dòng)機(jī)診斷能力。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī);故障;信號(hào)頻率特征;診斷

0 ?引言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷屬于機(jī)械故障診斷的重要內(nèi)容。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，現(xiàn)代化設(shè)備日趨精密化、復(fù)雜化、自動(dòng)化和連續(xù)化，設(shè)備一旦發(fā)生故障，對(duì)人類的生命財(cái)產(chǎn)和社會(huì)安全等方面的影響是不可估量的[1]。因此，需要我們加強(qiáng)對(duì)機(jī)械的了解和研究，尤其是對(duì)機(jī)械故障類型、故障常發(fā)部位和對(duì)應(yīng)的診斷維修方法等內(nèi)容的掌握和探索。

1 ?汽車發(fā)動(dòng)機(jī)典型故障

1.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)故障

長時(shí)間的低速重載運(yùn)行，讓曲柄連桿處于高負(fù)荷狀態(tài)就容易導(dǎo)致連桿出現(xiàn)扭曲或彎曲的現(xiàn)象。連桿螺栓損壞的形式是多樣的，主要有部分螺紋松動(dòng)或粘接、出現(xiàn)斷裂或裂紋、出現(xiàn)永久性拉伸變形。損壞原因錯(cuò)綜復(fù)雜，比如裝配操作違反規(guī)定，用力不均;螺紋中心線、螺栓、螺母支撐表面三者未成垂直狀，導(dǎo)致后期容易出現(xiàn)歪扭現(xiàn)象;螺紋表面清潔度不夠，加之螺紋之間配合不是太緊就是太松，容易出現(xiàn)連接咬死或者松脫的情況等等。

1.2 配氣機(jī)構(gòu)故障

氣門嚴(yán)密性差，這主要是因?yàn)闅忾T和氣門座在燒蝕、磨損和積碳的作用下導(dǎo)致接觸面粘合度降低，除此以外氣門間隙調(diào)整不合理、氣門桿部扭曲、氣門彈簧彈力不足或者彈簧折斷都有可能導(dǎo)致氣門嚴(yán)密性降低;氣門間隙過大，通常情況下出現(xiàn)這種情況都是由于氣門間隙調(diào)整過度，其次還有氣門挺桿、凸輪等零件磨損或者氣門間隙調(diào)節(jié)螺釘松動(dòng)的原因;氣門桿被卡，引起這種故障的原因有氣門桿彎曲、沒有合理設(shè)置氣門桿與氣門導(dǎo)管的配合間隙、或者導(dǎo)管內(nèi)積碳過多等;氣門斷裂，這種故障通常出現(xiàn)在桿部環(huán)槽處、頭部和過渡區(qū)域等三個(gè)部位。出現(xiàn)氣門斷裂一般都是因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)在短時(shí)間內(nèi)從極高溫冷卻下來，整個(gè)氣門上溫度不均而出現(xiàn)熱應(yīng)力作用，再或者就是因?yàn)檠b錯(cuò)了進(jìn)氣門和排氣門，在后期使用過程中由變形引起的斷裂。

1.3 氣缸故障

拉缸，有若干深淺不一的軸向溝紋出現(xiàn)在氣缸套工作面上，影響氣缸的密封性。造成拉缸故障的原因主要是跑合問題，其余還有發(fā)動(dòng)機(jī)過熱、活塞環(huán)間隙太大、多次低溫狀態(tài)下啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)等;氣缸套裂紋，通常情況下氣缸套出現(xiàn)裂紋都是因使用不當(dāng)?shù)男袨橐鸬?，操作中沒有考慮機(jī)器的高溫直接加入冷水，進(jìn)而導(dǎo)致缸套驟冷收縮出現(xiàn)裂紋。

1.4 活塞故障

發(fā)動(dòng)機(jī)活塞銷故障的主要表現(xiàn)就是活塞銷與銷座孔襯套之間的磨損空隙越來越大，這主要因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在長期的使用過程中過度摩擦，加之后期安裝、維修的不合理綜合導(dǎo)致的[2]。連桿銅套與活塞之間的間隙會(huì)隨著連桿小端銅套的磨損增大，連桿與活塞銷在內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的沖擊力增加，沖擊力的變化會(huì)導(dǎo)致活塞橫向撞擊氣缸套，對(duì)機(jī)體內(nèi)的振動(dòng)響應(yīng)產(chǎn)生波動(dòng)。

2 ?汽車發(fā)動(dòng)機(jī)典型故障定性分析

2.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)典型故障定性分析

連桿與活塞之間的沖擊作用會(huì)隨著連桿小頭銅套磨損加劇而增大，沖擊力的變化會(huì)導(dǎo)致活塞橫向沖擊氣缸套，對(duì)機(jī)體內(nèi)的振動(dòng)響應(yīng)產(chǎn)生波動(dòng)，因此連桿銅套與活塞銷之間間隙變化的情況可從缸體上適宜的位置測(cè)量。當(dāng)總振級(jí)與連桿銅套間隙的關(guān)系變化曲線呈現(xiàn)單調(diào)遞增趨勢(shì)時(shí)，因活塞撞擊產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)的滯后時(shí)間就會(huì)越來越長。以振動(dòng)功率譜為依據(jù)分析，振動(dòng)能量隨著間隙的增大會(huì)呈現(xiàn)出逐漸向高頻帶集中的趨勢(shì)，連桿大頭端軸瓦出現(xiàn)磨損或者連桿螺栓出現(xiàn)松動(dòng)，可利用軸瓦間隙的變化在曲軸箱上測(cè)量振動(dòng)響應(yīng)功率譜。

2.2 配氣機(jī)構(gòu)典型故障定性分析

氣門運(yùn)動(dòng)參數(shù)很容易受到氣門間隙變化的影響，從而強(qiáng)有力改變氣缸蓋對(duì)氣門落座沖擊的響應(yīng)信號(hào)。氣門落座響應(yīng)的能力和幅值與氣門間隙成正比，即氣門間隙越大，氣門落座響應(yīng)的能量和幅值就越大，同時(shí)振動(dòng)總能量和氣缸蓋加速度總振級(jí)也隨之增大。通過頻譜分析就能快速分析排氣門漏氣情況，一旦出現(xiàn)漏氣，振動(dòng)能量就會(huì)迅速轉(zhuǎn)向高頻。

2.3 氣缸典型故障定性分析

發(fā)動(dòng)機(jī)工況與表情振動(dòng)有著密不可分、相互影響的聯(lián)系。在同樣的間隙條件下，氣缸內(nèi)的爆發(fā)壓力和表面沖擊振動(dòng)會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的上升而增大、增強(qiáng);在間隙組間擴(kuò)大的條件下，表面振動(dòng)會(huì)明顯增強(qiáng)，尤其是膨脹沖程上的撞擊出振動(dòng)強(qiáng)度。頻域信號(hào)強(qiáng)度與時(shí)域信號(hào)強(qiáng)度成正比，在磨損量逐漸增加的過程中，氣缸套外表面的響應(yīng)功率譜峰值直線上升，振動(dòng)響應(yīng)總能量也隨之升高。

2.4 活塞典型故障定性分析

通常情況下，活塞頻域內(nèi)一個(gè)能量區(qū)內(nèi)有兩個(gè)能量峰波，這兩個(gè)峰波會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的升高往高頻方向移動(dòng)，最終合為一體形成更為大型的能量峰波，因此可以將活塞銷響的特征頻帶選定在這樣的頻帶中[3]。活塞銷響頻帶的頻率比活塞敲缸的特征頻率要高，但頻率信號(hào)略弱。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速與表面信號(hào)振動(dòng)強(qiáng)度有著直接的聯(lián)系，氣缸內(nèi)爆發(fā)壓力與轉(zhuǎn)速成正比，即轉(zhuǎn)速越高，氣缸內(nèi)爆發(fā)壓力和表面振動(dòng)信號(hào)就越大、越強(qiáng)，與此同時(shí)振動(dòng)信號(hào)高頻成分也大幅上升。

3 ?汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方法

3.1 診斷流程

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行的過程中會(huì)出現(xiàn)較大的異常震動(dòng)，但是并無明顯的噪音，假如采用傳統(tǒng)的聽聲診斷就很難斷定，再加之引發(fā)震動(dòng)的因素較多，如果對(duì)其10個(gè)氣缸進(jìn)行逐一排查，耗時(shí)耗力，診斷不及時(shí)容易造成維修效率降低。針對(duì)該種情況，本文采用以下診斷流程，見圖1。

從圖1我們可以看出，首先是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的振動(dòng)信號(hào)以及機(jī)體振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性分析，從多個(gè)氣缸中找出故障氣缸，這樣縮短診斷流程，節(jié)約時(shí)效，提高了診斷效率。接著對(duì)故障氣缸進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析以及小波包分析，得出相應(yīng)的時(shí)域特征、頻域特征以及小波包特征，最后直接根據(jù)這些特征進(jìn)行故障診斷。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷

采取振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)分析，可以反映兩個(gè)不同信號(hào)之間在不同瞬時(shí)幅值之間相互依存的關(guān)系，也反映出了兩個(gè)振動(dòng)信號(hào)波形隨著采樣點(diǎn)數(shù)移動(dòng)時(shí)相互關(guān)聯(lián)緊密型的一種分析。以標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為切入點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)分析來判定信號(hào)內(nèi)頻率的大小是具有較大現(xiàn)實(shí)意義的。1缸以及3缸與機(jī)體振動(dòng)的相關(guān)性最大，這兩個(gè)氣缸內(nèi)的低頻振動(dòng)成分比例很重，能夠反映出氣缸正常的工況信息。2缸與機(jī)體振動(dòng)的相關(guān)性最小，與其他氣缸相比，量值存在較大的差異，也就是說2缸中高頻振動(dòng)成分的比例較重，可以判定該氣缸內(nèi)存在故障。因此，選用1缸作為氣缸正常工況信息的參照對(duì)象，2缸作為故障分析研究對(duì)象，來體現(xiàn)出發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的方法[4]。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷時(shí)域特征分析

正常氣缸與故障氣缸的振動(dòng)信號(hào)與機(jī)體表面振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域參數(shù)，隨著轉(zhuǎn)速的不斷提升，均方值、偏態(tài)度變動(dòng)不大。但是，發(fā)動(dòng)機(jī)正常狀態(tài)下的峭度要明顯低于故障狀態(tài)下的峭度，但是隨著轉(zhuǎn)速的升高，兩種狀態(tài)下的峭度差異逐漸縮短，同時(shí)，故障峭度消減速度快，所以，峭度可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的時(shí)域識(shí)別參數(shù)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域參數(shù)能夠側(cè)面反應(yīng)出發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，但是由于振動(dòng)信號(hào)的循環(huán)波動(dòng)性使得各階段時(shí)域分析參數(shù)存在著不穩(wěn)定的因素，在同一狀態(tài)下變化范圍較大，而且除峭度在不同狀態(tài)下的變動(dòng)較大，對(duì)故障的診斷具有一定的意義，其他時(shí)域參數(shù)在不同狀態(tài)下的變動(dòng)較小，也就是說峭度值可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的依據(jù)，而其他時(shí)域參數(shù)僅僅只能作為診斷的輔助參數(shù)。

3.4 發(fā)動(dòng)機(jī)故障頻域特征分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷中，頻域分析法是當(dāng)前應(yīng)用最廣，最成熟的一種方法。對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，與正常狀態(tài)下的頻率分布進(jìn)行對(duì)比，就可以判定是否存在故障。正常氣缸與故障氣缸的振動(dòng)信號(hào)隨轉(zhuǎn)速升高時(shí)的頻譜圖，其中正常氣缸的振動(dòng)信號(hào)的頻率成分主要集中在低頻區(qū)域，也就是反映發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、連桿等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的正常振動(dòng)工作頻率，隨著轉(zhuǎn)速的增加，雖然高頻區(qū)域的幅值在不斷增加，但是與低頻區(qū)域一樣，增長幅度較為平均。而故障氣缸中，隨著轉(zhuǎn)速的增加，高頻區(qū)域的能量不斷增加，特別是當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1500r/min時(shí)，高頻區(qū)域的幅值增長明顯加劇，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2200r/min時(shí)，高頻區(qū)域的能量最大，約在5000Hz左右。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)故障氣缸振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖變化趨勢(shì)來看，可以作為判定故障的依據(jù)。

3.5 發(fā)動(dòng)機(jī)故障小波包分析

發(fā)動(dòng)機(jī)是一種振源多、頻帶寬、振動(dòng)形態(tài)較為復(fù)雜的一種大型機(jī)械，其振動(dòng)信號(hào)具有波動(dòng)時(shí)變的特點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，與正常狀態(tài)下相比，某些頻率能量會(huì)增加，而某些頻率能量卻會(huì)減少。所以，信號(hào)頻率成分包含了很多的信息，對(duì)這些信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出規(guī)律就能夠?qū)收线M(jìn)行判定。當(dāng)某個(gè)或多個(gè)頻率能量的改變反應(yīng)出一定的故障狀態(tài)，利用這些特征對(duì)各頻帶能量與故障狀態(tài)之間的關(guān)系進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的建立，通過頻率成分能量的變化來反應(yīng)出故障狀態(tài)。利用小波包分析就能夠很好的實(shí)現(xiàn)這一目的，也就是說對(duì)信號(hào)信息進(jìn)行正交小波包的分解，從而得到全頻帶均勻劃分的各子頻帶的小波包分解系數(shù)，再對(duì)小波包分解系數(shù)進(jìn)行重組，就可以獲得該頻帶的信號(hào)信息，然后對(duì)信號(hào)信息能量進(jìn)行提取，就可以得出小波包特征向量。

4 ?結(jié)語

總的來講，對(duì)汽車所使用的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行經(jīng)常性出現(xiàn)的典型故障匯總和分析，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域、頻域和小波包等數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集、分析和判斷，是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的新型方法，有助于提升汽車發(fā)動(dòng)機(jī)診斷的精準(zhǔn)性。

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作者簡(jiǎn)介：槐元輝（1963-），男，云南昆明人，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠嚲S修與機(jī)動(dòng)車檢測(cè)。