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基于建模仿真与振动分析的发动机故障诊断方法研究

杜灿谊  
【摘要】:汽车发动机结构越来越复杂,安装精度要求也越来越高。在不拆检的情况下,如何判断出故障的类型和位置,是目前研究的重点和难点。研究发动机故障时,往往需要测量故障状态下的相关参数变化情况,了解故障信息并提取故障特征,但是并不轻易具备收集各种故障信息的条件,而靠人为方法设置发动机故障,往往会导致发动机严重的损伤和破坏,试验成本很高,限制了发动机故障诊断的深入研究。 针对发动机故障诊断技术研究存在的不足,首次通过建模仿真和实验对发动机整机进行典型故障机理、特征提取和诊断方法研究。利用有限元与多体动力学联合建模,计算结果更精确可靠;通过模型进行了多种类型的故障仿真,从激励力变化这一内在因素分析机体表面振动响应变化,深层次了解故障引起的机体异常振动成因和特性,通过模型正常状态和故障状态的机体表面振动信号变化趋势分析来提取故障特征,为发动机故障诊断研究提供一种新方法。利用多体动力学和有限元技术建立高质量标杆发动机仿真模型,通过相关参数设置,分别模拟发动机失火故障、气门间隙大、凸轮轴承松脱、活塞敲缸和主轴承磨损等故障,从机理上进行了分析,提取了相应故障特征,得到了相关实验验证。 提出了应用小波包分解与解调方法来提取气门间隙过大和凸轮轴松脱故障的故障特征。利用发动机仿真模型进行了气门间隙大和凸轮轴承松脱的故障仿真分析,发现由于气门间隙增大,导致气门落座力、凸轮轴承力的增大,这些增大的冲击力使缸盖振动响应时域信号在一个工作循环内出现3个明显冲击,在频谱上激发起中高频频段内的显著振动能量。利用小波包分解到此特征频段后再解调,故障状态的解调谱中出现明显的1.5阶次成分;而对于凸轮轴松脱故障,用相同方法可得到故障状态下解调谱的0.5阶次的明显增大。从理论上说明了此种类型故障具有明显的中高频调制现象,为故障特征提取和故障诊断研究提供有力参考。通过仿真分析发现活塞敲缸故障会激发2500Hz以上高频段振动能量的加剧,提出故障状态与正常状态的小波包分解总能量比随转速变化趋势作为依据进行故障诊断的方法;通过对主轴承间隙过大造成主轴承反力的波动变化,解析了此类故障引起200~1000Hz中低频段振动能量增加的原因,为此类故障诊断研究提供理论依据。


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