利用机体表面振动信号诊断活塞环失效的研究

　　引　言

　　对于大型、高速、高功率内燃机,其活塞环失效(如气环胶结、活塞环磨损、环弹力丧失等)的故障并不鲜见,如有资料介绍活塞顶环的磨损量是缸套的20倍,可达到0.2 mm/1000 h^[1]。尽管活塞环失效的故障可以通过性能参数如气缸压力、排气温度等反映出来,但是存在的问题是:①实际运用中气缸压力传感器的可靠性和寿命一直未解决,虽然提出了不少从缸盖振动信号中提取识别气缸压力的方法^[2],但准确性和可操作性不尽人意:②气缸压力和排气温度反映了整个燃烧室的密封情况,不能表达象气环这样单个密封元件的效果,且活塞失效或缸套磨损均能使气缸压力下降;③对中小型的多缸发动机常常是整机共用一个排气温度监视表,反应的是整机各密封元件总的性能。

　　本文讨论通过机身表面振动信号来诊断活塞环失效的方法。

　　1　有气环失效时的活塞-缸套撞击力模型

　　考虑气环与缸套和环槽间的摩擦情形,同时考虑气环失效后对内燃机燃烧室封气作用的下降,使得气环一方面不能被较长时间地压紧在环槽的下端面而上下窜动,另一方面将发生径向振动^[3-4],因此要考虑气环质量的影响。从而当某环失效而剩下了n0个环工作时 

　　在测得了与气环工况(失效环数和发动机转速)有关的缸压样本后,利用式(1)对4135G柴油机在1500 r/min,75%额定负荷工况,和175 F柴油机在1470 r/min倒拖工况,当有气环失效时的活塞组主撞击参数作了计算,如表1所示。 

　　由表1可知:对4135 G柴油机,随失效气环的增多,活塞组的撞击时间(撞击角度)提前,但其撞击力和加速度随失效气环的增多呈现上凸的鞍型变化,在第一道气环失效时有最大值;对175 F柴油机,当第一道气环失效时,活塞组的撞击时间(撞击角度)提前,同时撞击力和加速度增大。由此可知气环失效后对于活塞组主撞击参数的变化有很大影响。下面将结合所作的活塞环失效模似试验进一步地进行分析。

　　2　活塞环径向振动机理分析

　　2.1　活塞环振动和悬浮的条件

　　对发动机缸内部件产生振动的激励源有四个:气缸压力、往复惯性力、油膜承载力和环的弹力。能在缸内振动并对缸壁发生撞击的内燃机缸内部件只有两个:活塞和活塞环。而下列两个条件的并存是活塞环受激振动的充分和必要条件:①活塞环处于悬浮状态而使本身振动不受限制,②有足够大的激励力使其起振。无论是否有活塞环失效,第1活塞环所受的正压力Fdi均为

　　式(2)中　S为活塞环侧面积,当正压力Fdi为负时,则意味着活塞环发生了悬浮。