柴油机曲轴扭振信号分析研究

摘 要：以柴油机曲轴扭振信号分析原理为基础，通过归纳从电平信号中获取瞬时转速信号的方法，运用Matlab编程工具对某小型柴油机曲轴的扭振测试信号进行分析研究。结果表明：在测试系统采样频率较高的情况下，采用两点插值法计算得到的扭振瞬时转速信号是比较理想的，并且从扭振瞬时转速的波动上来看，柴油机高速工况的扭振更加强烈。

关键词：柴油机；MATLAB；扭转振动；瞬时转速；信号分析

中图分类号：TB533 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2018）21-86-03

Research on Torsional Vibration Signal Analysis of Diesel Engine Crankshaft*

Wang Dongliang， Yin Xinquan， Du Yao

（Department of Automobile Engineering， Lanzhou Institute of Technology， Gansu Lanzhou 730050）

Abstract： Based on the principle of diesel crankshaft torsional vibration signal analysis， it has generalized the method of obtaining transient rotation speed signal from level signal and used Matlab programming tool to analyze the torsional vibra -tion test signal of the small diesel engine crankshaft. The results show that the transient rotation speed signal of torsional vibration is desired calculated by two-point interpolation method， when the sampling frequency is high. From the fluctuation of torsional vibration instantaneous speed， the torsional vibration of diesel engine at high speed is more intense.

Keywords： diesel engine； MATLAB； torsional vibration； transient rotation speed； signal analysis

CLC NO.： TB533 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）21-86-03

前言

柴油机以其良好的经济型和出色的动力性，在汽车、船舶、农机等许多行业都有非常广泛的应用。特别是近年来随着社会的发展和产业的进步，出现了许多新方法新技术，促使柴油机性能在不断的提升。但是，伴随着柴油机性能的提升，曲轴的机械负荷也在不断增加，其在周期性变化的气体力和惯性力的作用下，柴油機曲轴轴系的扭转振动成为了愈加突出的问题[1]。

目前，针对柴油机扭振的研究已经相当广泛，本文在此基础上，以扭振测试为主要手段，运用Matlab编程工具对某小型柴油机曲轴的扭振信号进行分析研究，进一步明确了扭振信号的处理方法。

1 扭振信号分析原理

柴油机曲轴的扭振，会引起旋转轴系承受较大的附加力矩，这种具有隐蔽性的危害，随着时间的累积，严重时可能导致轴的断裂[2]。工程技术人员为了对其进行分析研究，多采取测试手段，获取轴系的扭振信号。然后，通过信号处理方法，分析被测设备的扭振危害程度。

1.1 扭振信号特征

根据测试方法的不同，扭振信号可表现出不同的特点，此处为了说明扭振信号分析的基本原理，采用图1所示的方波信号示意图。图1（a）所示为曲轴无扭振时的信号，ti=ti+1，可见相邻波形的时间历程是相等的。图1（b）所示为曲轴有扭振时的信号，tj≠tj+1，可见相邻波形的时间历程是不相等的。

如果从转速的角度来比较，则当扭振发生时，轴系产生了不均匀的瞬时转速，即存在显著的转速波动成分。

1.2 扭振信号分析原理

综上所述，可见发动机轴系在旋转运动中，包含了匀速转动和扭转波动两种成分。所以，扭振信号分析的目的就是获取扭转波动的成分，也就是说将扭振信号从轴系转动的信号中分离出来[3]。

为了从电平信号中得到扭振瞬时转速信息，通常可选取相邻脉冲上升沿基准电平附近的一些点，通过插值或曲线拟合方法求取基准电平所对应的时刻ti，同样可求得上一个脉冲或下一个脉冲所对应的时刻ti-1或ti+1，如图2所示。

2 柴油机扭振试验

被测机型为一台小型柴油机，在试验台架上进行测试，其主要技术参数见表1。

由于柴油机本身的结构所限，测点不可能布置在轴系的中间部位，所以分别在曲轴自由端和输出端设置了测点。

实验测点布置完成后，经过传输线连接并进行试采集，通道CH1为自由端信号，通道CH2为输出端信号。柴油机设定为900-2800r/min的提速工况。

3 扭振信号的分析

3.1 扭振角分辨率

随着柴油机曲轴的旋转，扭振测试齿盘每转过一个齿，磁电传感器便会输出一个脉冲信号，该信号被A/D采集卡实时获取。如果将每一个齿所对应脉冲信号的采集点数用m来表示，则m取决于曲轴的转速n、测量齿盘齿数z以及采样频率f，可用式（2）表示：

由此结合测试柴油机最低稳定转速900r/mln和最高运行转速2800r/min，可知对应的最低稳定转速下的扭振角分辨率为0.0216度，最高稳定转速下的扭振角分辨率为0.0672度。

3.2 瞬时转速信号

柴油机曲轴扭振采集系统获得的电平信号如图5所示，可通过编程将其导入Matlab进行分析。

相关研究结果已经表明[5]，在△ti的计算过程中，如果采用计算时间较短的两点插值法，则当采样频率为50KHz时，计算结果可以接受，当采样频率为100KHz时，计算结果已经非常理想。考虑到本次测试的采样频率为250KHz，因此为了减少计算量，采用了两点插值法求取基准电平时刻。然后，通过式（1）求得的瞬时转速曲线如图6所示。

由计算结果可知，在测试系统采样频率较高（大于100kHz）的前提下，采用两点插值法计算得到的扭振瞬时转速信号是比较理想的。

3.3 曲轴转速波动曲线

如图7所示为0.2s的瞬时转速信号，可见在提速工况的扭振信号中存在趋势项，它表示了曲轴的角转速随曲轴转角的变化关系。测试信号中趋势项的存在，会导致信号分析的结果产生很大的误差，甚至使低頻的幅频特性严重失真，失去研究意义，所以在扭振分析中必须去除趋势项。

扭振信号中趋势项的去除方法有很多[2，4]，本文采用最小二乘法拟合多项式进行去除趋势项，由此得到的曲轴转速波动曲线如图8所示。

由计算结果可知，柴油机曲轴扭振信号的转速波动成分相对较大，在低速（1000r/min）时刻的波动值可达±50r/min。并且随着转速的上升，这种波动程度在逐渐加剧，也就是说柴油机高速工况的扭振更加强烈。

4 结语

（1） 通过Matlab编程工具对柴油机曲轴扭振信号进行处理分析，能够获得良好的效果。

（2）在测试系统采样频率较高（大于100kHz）的前提下，采用两点插值法计算得到的扭振瞬时转速信号是比较理想的。

（3）柴油机曲轴扭振信号的转速波动成分相对较大，在低速（1000r/min）时刻的波动值可达±50r/min。并且随着转速的上升，这种波动程度在逐渐加剧，也就是说柴油机高速工况的扭振更加强烈。

参考文献

[1] 李玉梅，华春蓉，闫兵.内燃机轴系扭振测试方法研究[J].车用发动机，2010，186（1）：77-80.

[2] 王井新.内燃机轴系振动测量技术研究[D].成都：西南交通大学， 2010.

[3] 李连.车辆动力系统扭振分析与测试[J].汽车实用技术，2017（8）， 130-132.

[4] 李松和.内燃机曲轴轴系扭振数字化测试系统[D].杭州：浙江大学，2005. 22-23.

[5] 孙云岭，朴甲哲，张永祥.插值算法在内燃机瞬时转速测量中的应用研究.内燃机学报，2002，20（4）：335-338.

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