關于內燃機表面振動信號性質的探討

摘 要：內燃機在發動運行的過程中發生振動是一種必然的現象，振動的幅度、聲響變化中包含了很多關于運行狀態的信息，所以通過采集和分析振動就能檢測出內燃機的運行狀況。因此，在日常實踐中，分析振動的特征成為檢測內燃機結構、故障及監測運行狀態的一種有效方法，但要準確分析振動信號是具有一定難度和復雜性。本文主要闡述了內燃機振動信號性質，并論述了如何采用正確的信號分析方法并提出減振隔振措施。

關鍵詞：內燃機；振動信號；發動機

1 內燃機振動信號性質

采用什么樣的信號分析法是由內燃機的性質所決定的，任何的分析方法都是在一定條件范圍內使用的，因此正確辨別振動信號所體現出來的性質對信號分析方法的選擇有著重要的意義。

1.1 激勵具有非平穩性

內燃機在發動的時候會因為兩個方向的力而造成振動，這就是所謂的振動激勵源。這兩個力分別是跟氣缸縱向中心線垂直的活塞側推產生的力，這兩個力其一是由活塞與氣缸壁面相互作用產生的；其二是因沿氣缸縱向中心方向的燃氣爆發壓力以及連桿作用于活塞產生的推力形成的。在平穩隨機的過程中，功率譜密度函數的面積等于均方值，非平穩隨機過程的功率譜密度頻率成分的分布比例跟時間的長短沒有關系，功率譜強度其實就是展開功率，它會隨著時間的變化而變化，并且隨著各運動部件而改變，產生非恒定的數值。如果假設各項參數都是在恒定條件下，只是對內燃機的整體動力輸出狀態進行大概估算，這時候所得到的參數是屬于合理范圍內的，而對于結構和分布比較復雜，需要做精確計量的振動監測和診斷，則要考慮到非平穩性。

1.2 響應具有非平穩性

內燃機的部件結構是相當復雜的，工作振動時會引起很多的激勵源，如果要對所有的激勵和響應之間的關系進行考量，則有一定的難度，因為響應具有非平穩性。內燃機振動信號是屬非線性結構狀態，在輸入非平穩隨機激勵時，其響應會更加的復雜；如果系統是線性非變化系統，就可以根據平穩輸入平穩輸出、非平穩輸入非平穩輸出，把系統模型變的簡單化。但在實際應用中，很多激勵源跟各要素的關系非常復雜，各機構假設都是隨機的，振動的系統是非線性不變系統。比如，內燃機的活塞在做頂部激勵時，從氣缸箱體上進行測量，其所測出的響應譜結構圖和分布的變化非常大，通過測試統計分布頻帶，可以看到其表現出非平穩性。

2 振動信號分析方法

在對振動信號進行傳輸和處理的過程中，需要對信號做各種運算和變換，其信號變換主要包括時移、反轉、尺度變換、分解與合成，其數字信號處理模塊的功能提供了多種信號分析和處理的方法。

2.1 振動信號濾波

內燃機是一種內部結構復雜的機械，產生振動有多個源頭，在不同情況下對應不同的振動頻率，至于什么樣的頻率是不確定的。所以，在提取振動信號的特征之前需要對信號采用濾波方法進行預處理，然后再深入分析。濾波可以使信號中特定的頻率成分通過，并給予抑制和衰減其他成分。在實踐工作中，測試系統采用的是無限沖激響應濾波器，其輸出是由當前及過去的輸入信號和過去輸出值決定的，可以很好保留幅值頻率特性，其他的一些濾波器也可以通過設置控制數字濾波器參數的階數、截止頻率、阻帶和帶通、脈動量及阻帶衰減。

2.2 信號的時域分析

從DAQ系統中測量到的采樣信號是屬于信號的時域表示，采樣信號的幅值會隨著時間的改變而發生變化，通過DAQ系統圖可以直觀的看到最大值、最小值、峰值、均值等。在振動測試的過程中，要通過分析找出某段時間內異常頻率值。在信號的時域分析中，通過運用通測法可以采集信號中極限峰值頻率和幅值，而對振幅平均測量法的應用可以來完成對輸入信號最大值、最小值和峰峰值的檢測，最后應用Waveform Graph可以實現時域波形的顯示。

2.3 信號的頻域分析

振動信號測試技術中的頻譜分析指的是把時間域的各種動態信號通過傅里葉變換到頻率域進行分析，在LABVIEW中，有很多相應的快速VI來進行譜分析處理，最終實現頻譜分析、功率譜分析、數據存儲及歷史數據裝載。通過對頻域分析可以得到頻域各種參數特征和頻域組成信息，而從實驗區收集的信號是屬于非周期非線性信號。當試驗機處于正常運行狀態的時候，頻率波中會有一個主頻率值，如果內燃機有出現故障的話，就會造成頻率波的不穩定，而產生具有干擾作用的頻率。在頻域分析中，可以采用快速傅里葉變換FFT獲取到信號的幅頻特性和相頻特性，對信號的頻率和幅值等的特征參數進行測量。

3 內燃機振動的控制措施

3.1 被動控制

3.1.1 控制內燃機的振動問題，首先是設計合理的方案來降低內燃機本身的振動或是避免有害振動的產生，其次是采取措施降低內燃機振動對周邊環境的影響。對于前者主要是通過建立仿真模態來分析內燃機振動情況下哪些會有共振的現象發生，然后通過調整內燃機、懸置系統結構參數達到有效設置振動模型的目的。而后者主要采用的是控制振動產生和振動能量傳遞過程的方法，控制振源、傳輸途徑和受保護對象，主要手段有減振技術和隔振技術。

3.1.2 隔振技術。隔振技術的方法主要是在振源和被保護源之間安裝一些具有彈性和阻尼作用的隔振裝置，將剛性連接變成柔性連接，這樣就可以削弱能量的傳遞，從而減少震動對周圍環境和自身產生的影響。另外還有一種叫消極隔振，它的作用主要在于降低基礎震動對防振設備的影響，通過利用減振器跟基礎振隔開，以減低基礎振傳遞給防振設備的能量。

3.1.3 單獨隔振和整體隔振。根據內燃機型號的不同，可以采用整體隔振和單獨隔振兩種方式。整體隔振是指將內燃機以及其從動機械如電機、傳動機齒輪箱等整套機組作為一個整體放到隔振器上，一般是一個底座。底座的剛度一般都很大，對降低機組的重心和剛度有很大的作用，從而加大質量，減少機組本身的振動。同時，還可以對整個隔振系統的固有頻率起到降低的作用，提高隔振的效率。單獨隔振就是指把內燃機和從動機械分別進行隔振。但是考慮到隔振形式的底座比較弱，內燃機振動和附加的應力都比較大，所以有時候需要通過采用附加底座的方式增加其剛性。

3.1.4 減振技術。減振技術是指通過頻率調整渠道、減少震能渠道或是裝設減振器的途徑來消減軸系扭轉轉動。目前市面比較常見的減震器主要有動力減振器、阻尼減振器和復合式減振器。使用的比較多的減振技術有動力減振技術、粘彈阻尼減振技術、沖擊與顆粒阻尼減振技術和空氣壓膜阻尼減振技術。

3.2 主動控制

為進一步提高內燃機防振效果，對隔振的要求也提出了更高的要求，比如要求隔振器的動力設備裝置更加隱蔽、安全、平穩和舒適，寬頻帶振動隔離技術也就應此而產生了。這種技術是屬于主動控制，也稱為源減振技術。內燃機是屬于一種寬頻帶激振源，比高速大功率柴油機的激振頻率更寬，內燃機低頻強激振力會對設備的整體強度產生影響，所以對隔振系統的穩定性有更高的要求。寬頻帶振動隔離技術需要依靠其他的能源來搭配共同支撐減振裝置的工作，主要方法有雙層隔振、金屬彈簧與黏彈性材料組成的負荷隔振系統，具有效果好、適應性強的優點。

4 結束語

隨著現代社會工業化的發展，為提高生產率，人們對內燃機的依賴程度越來越高，對內燃機的要求也越來越高。內燃機在使用過程中會發生振動，振動信號是內燃機運行狀態的載體，所以掌握振動信號特征是判斷內燃機故障的一種很好的方法，從而減少故障發生率，同時也需要做好減振措施。

參考文獻

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