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一种检测和诊断发动机异响的试验方法
2019-07-12 00:32:26· 来源：测控视界 作者：流光岁月
摘要：发动机异响判断是一项复杂的工作，本文详述了一种采用发动机噪声振动测量的试验手段，来检测和诊断发动机异响的方法，并结合具体实例验证了这种方法的可行
摘要：发动机异响判断是一项复杂的工作，本文详述了一种采用发动机噪声振动测量的试验手段，来检测和诊断发动机异响的方法，并结合具体实例验证了这种方法的可行性，对解决发动机部件异响故障有一定的指导和借鉴作用。
关键字：发动机；异响；检测和诊断
发动机在运转时，机械结构内部发出不正常的响声多种多样，往往把发动机在运转过程中产生的超过技术文件规定的不正常响声，称为发动机异响。由于发动机运转时异响与正常响声混杂在一起，异响的判断比较困难，因此需要掌握发动机的结构原理和组装检修工艺，弄清各种异响的特征和规律，制定一套检测和诊断的规范流程，这样就可较准确地判断出异响发生的部位和性质。
1 检测和诊断发动机异响的试验流程
传统异响检测和诊断方法主要依靠人工经验。通常是借助听诊器具、断火试验、工况调整等，凭耳、眼、听、察异响变化情况；在听察过程中，及时观察排气管的烟色、烟量的变化和各种仪表工作情况等等。这些方法虽然简便易行，但是没有形成一套标准型的规范流程，且检测和诊断过程主要依赖经验，效率偏低。
本文根据发动机异响与发动机转速、负荷、及相关部件特性等因素的相关性，利用声压测量、声源定位识别和振动测量方法，制定一种发动机异响检测及诊断流程，如图1所示。
图1
发动机异响检测和诊断流程
图1所示的发动机异响检测和诊断流程说明如下:
第一步
按照GB1859《往复内燃机 辐射的空气噪声测量方法》对发动机进行常规噪声声压测量（侧重在可能有异响的某些工况），对得到的各测点随转速变化的声压时域幅值图、FFT变换频域图和阶次分布图等进行分析，找到声压突变的测点，及对应的转速、负荷、频率和阶次。
第二步
根据第一步测量和分析结果、确定可能造成异响的发动机方位（发动机前端面、左侧面、右侧面、顶面、后端面和地面），对相应方位的发动机表面进行噪声源定位识别，分析测量得到的表面声压等高线分布图、声强和声功率频谱分布图。
第三步
结合第一步和第二部的测量分析结果，找到可能造成发动机异响的部件；对影响发动机异响的相关进行振动测量和分析，并更换可能造成发动机异响的相关部件，重复第一步至第二步的工作，直至异响消除。
2 检测和诊断发动机异响试验流程的应用案例
试验样机为客户反映有异响的某高压共轨直喷柴油机。整个试验环境为全封闭半自由场消声实验室，其空间尺寸为9.5m(长)×8.2m(宽)×5.75m(高) ，消声室顶棚及四周的墙壁以消声材料覆盖，地面为平整水泥地面，柴油机试验台架采用弹性支承与地面隔开。采用多通道噪声测量、采集和分析系统进行试验。
01 异响发动机检测和诊断过程
发动机常规噪声试验
按照国标GB1859准工程法要求，应用9点1m声压法对发动机进行噪声测量。为找到发动机异响的特征位置，试验工况为发动机各转速下的100%负荷、50%负荷和空负荷。试验结果分析得到在发动机前端面测点的声压变化趋势不正常，如图2所示中横坐标为转速，纵坐标为声压级；按照理论分析可知在同一负荷下正常发动机的声压应随转速提高而平稳增大，但是图2所示试验结果分析可得发动机前端面测点在转速1500r/min附近声压值有突变，例如在转速1300r/min～1550r/min的100%负荷时从75dB（A）增大到94dB（A）后，又减小到77dB（A），即相同负荷声压随转速提高声压波动都很大，而不是平稳增大，这表明发动机前端面辐射的噪声异常，有待进一步研究。
图2 发动机不同负荷下声压变化图
图3 发动机噪声阶次分布图
图3所示为发动机前端测点在全负荷加速过程中的噪声分布阶次图，图中横坐标为阶次，纵坐标为转速。颜色深浅为声压为大小。
从图3试验结果表明，在38阶频率处，无论转速多大，噪声都较大（图中黄色区域，声压级都在80dB（A）以上）。
图4 发动机前端齿轮系结构图
从前端齿轮系结构图4中也可以看出，发动机运转时有三个惰轮（凸轮轴惰齿轮、燃油泵惰齿轮和机油泵惰齿轮）与曲轴齿轮啮合；由于曲轴齿轮齿数为38齿，即不同转速下，曲轴啮合频率总是发动机转速的38倍，结合图3试验结果中38阶频率处产生了有大的噪声，表明这最大噪声可能是曲轴齿轮与三个惰轮啮合时摩擦、碰撞和冲击激振力，引起发动机结构振动，通过发动机表面传播到空气中产生的，也就是曲轴齿轮啮合频率和最大噪声频率相同。
发动机表面噪声源定位试验
试验中将传声器声学阵列中心对准曲轴的中心，并距离发动机前端面约1m，阵列上布置36个1/4’’麦克风，阵列中心处有一个照相机，试验可以测量得到200Hz-6400Hz频率范围内的发动机前端表面的噪声辐射能量和声压分布特性（以声压等高线彩色云图显示）。
结合前文声压突变的转速、工况和阶次分析结果，试验对发动机1500r/min全负荷工况进行研究；如图5所示得到的发动机前端面噪声声压分布特性，为便于从声压彩色等高线图中找出噪声辐射面的主要声源位置，图中彩色区域显示的声压级动态范围为5 dB(A)。
图5 发动机前端声压分布图
从图5中可以分析出，发动机前端表面噪声辐射最大的位置是齿轮室罩盖表面，对应齿轮室罩盖内部是曲轴齿轮与凸轮轴惰轮和燃油泵惰轮啮合处，最大声压级幅值达到116 dB(A)；这可能是由两方面原因造成，一是发动机燃烧冲击力、惯性力和齿轮系啮合产生较大激振力。二是齿轮室罩盖经过发动机内部结构激振后的振动响应很大，即激振力频率与齿轮室罩盖某阶固有频率接近，引起齿轮室罩盖共振，结果振动放大，因此罩盖表面辐射的噪声也大，这个原因需要进一步分析验证。
图6 发动机前端声功率频谱分布图
图6所示为在发动机1500rpm全负荷运转下，得到的发动机前端面噪声声功率频谱分布特性。图中横坐标为频率，纵坐标为声功率级。从图中分析表明发动机辐射的噪声声功率级在0～4000Hz范围内基本在80dB（A）以上；在1700Hz左右处有很大峰值，声功率级达到90dB（A）左右，由于人耳对这种突变声音特别敏感，听起来感觉就是异响刺耳。
发动机部件振动试验
为进一步研究发动机异响的原因，试验对发动机前端面最大噪声辐射面即齿轮室罩盖法线方向（与表面垂直方向）的振动进行测量。振动能量的分布特性用功率谱密度函数（PSD）表示，单位为(m/s2)2/Hz，图7所示为发动机在转速1500r/min全负荷运转下测得齿轮室罩盖的振动功率谱图，横坐标表示频率，纵坐标表示对应频率下的振动能量。
图7 发动机齿轮室罩盖振动PDS图
从图7中可以分析出，齿轮室罩盖振动能量主要分布在1700Hz左右，最大峰值达到240(m/s2)2/Hz，振动能量的分布频率正好与图6中的噪声峰值频率一致，这表明发动机产生激振力与齿轮室罩盖薄壁件某阶固有频率接近，引起齿轮室罩盖共振，因此齿轮室罩盖部件振动能量谱和表面辐射的噪声谱峰值频率相一致。
发动机异响原因分析
前文试验结果表明造成发动机异响的原因是曲轴齿轮与三个隋轮啮合时产生的较大激振力，且激振力频率特性与齿轮室罩盖的频率接近，引起齿轮室罩盖共振。而引起曲轴齿轮啮合激振力较大原因可能有两个，第一个是由于齿轮长期动载荷下磨损或破坏，齿侧间隙增大，啮合时摩擦撞击加剧；第二个是曲轴的扭振减振器器失效，曲轴系扭振很大，破坏曲轴齿轮的正常啮合位置而激发出很大噪声。由于检测齿轮磨损或破坏工艺复杂（需先拆卸发动机整个前端面，再检测齿轮），为使试验流程的简单化，先只对扭振减振器进行检测。
图8 发动机减振器扭振曲线图
图8所示为发动机各转速全负荷下进行的减振器扭振试验结果，图中横坐标为转速，纵坐标为扭振大小。绿线表示减振器扭振随转速变化的3阶幅值曲线，由于此谐波振幅曲线的周期均匀性，因而对曲轴没有损害；红线表示减振器扭振随转速变化的4.5阶幅值曲线，蓝线表示减振器扭振随转速变化的6阶幅值曲线，试验需要重点关注4.5阶和6阶扭振峰值是否超过标准规范限值标准要求。试验结果表明，曲轴减振器4.5阶和6阶扭振峰值分别为0.441º和0.391º，都远大于标准要求的0.17º限值，表明曲轴减振器失效引起曲轴系扭转振动过大，造成啮合齿轮或前或后的偏离于不发生扭转振动时的正常位置，齿间发生干涉后造成的很大撞击及异响。
02 异响发动机的试验验证
图9为更换扭振状态良好的新减振器，加固齿轮室罩盖螺栓后，重新对发动机各转速前端面进行1m声压级测量结果。图9中横坐标为转速，纵坐标为声压级。试验表明，虽然全负荷和空负荷在1500r/min时有少量波动，但整个变化趋势都是声压级随转速提升逐渐增大，试验结果与理论分析相一致。
图9 发动机不同负荷下声压变化图
图10为发动机在转速1500r/min全负荷时声源定位和识别得到的前端面噪声声压分布特性结果，从图10中可以分析出，噪声最大位置还是在发动机前端面齿轮室罩盖表面，但是声压级峰值减小至112dB(A)，比改进前幅值减小4dB（A），效果明显。
图10 发动机前端声压分布图
图11为发动机在转速1500r/min全负荷时声源定位和识别得到的前端面噪声声功率级分布特性结果，从图中分析表明发动机辐射的噪声声功率级基本在80dB（A）以下，比改进前有明显降低；特别是在1700Hz左右没有明显峰值，且声功率级从90dB（A）降到改进后的80dB（A）左右。通过试验验证和客户反馈，发动机异响消除，整个发动机异响检测和诊断试验方法解决了实际工程问题。
图11 发动机前端声功率频谱图
3 结论
解决发动机异响是一个比较复杂的过程，因为发动机工作状态千变万化，异响原因错综复杂，现象多种多样，只有形成一套规范的检测和诊断的标准流程，才能判断和查明原因，消除异响故障。本文详述了一种通过试验手段检测和诊断发动机异响的方法，并结合一个具体实例验证了这种方法的可行性，虽然案例中最后解决问题的措施较简单，但这种检测和诊断流程和分析方法对解决发动机其他部件异响有一定的指导和借鉴作用。
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