内燃机表面振动信号的性质

　　根据内燃机表面振动信号监测其机械状态并诊断故障,是当前既普遍又行之有效的手段.振动信号携带了丰富的机械状态信息,该方法已成功地应用于旋转机械的故障诊断.但对于多部件、多激励的往复式内燃机而言,由于其运动件多而复杂,边界条件有不确定性,工作条件恶劣,激励力众多且其频率范围宽广,各种激励经相应的传递及耦合均被反映在内燃机表面的振动中,再加之噪声的融入,使得表面振动信号所含成分十分复杂.

　　作为内燃机振动信号分析的上游工作,即信号分析方法的选择,它依赖于信号所具有的属性,因为任何分析方法的使用,总是有一定条件和范围的.显然只有在满足它们的前提下,所得的结果才具有可靠性.因此如何确定内燃机表面振动信号的性质,无疑对下游的信号分析有着极大的影响.纵观近些年来在内燃机振动监测和诊断方面的文献,鲜有对内燃机表面振动信号性质的研究,这就在整个信号分析过程的上游留下了缺陷.这种缺陷导致了下游信号分析方法的选择缺乏可靠的依据.如果信号分析方法选择的不恰当,不仅影响分析效率,甚至会歪曲信号的特征信息,降低分析结果的正确性.显然,搞清内燃机振动信号性质,对进一步分析系统,选择更为合适的监测机械状态和故障诊断的分析方法,都具有重要的理论指导意义和实际应用意义.

　　1　理论分析

　　1.1　激励具有非平稳性

　　发动机的振动,主要是由机内的两个方向的力造成,它们是振动的激励源,即:1)垂直于气缸纵向中心线的活塞侧推力pH(t),它最终表现为活塞与气缸壁面的作用;2)沿气缸纵向中心线方向的燃气爆发压力和连杆作用于活塞的推力,此方向的合力记为pC(t).它们与连杆小端处的总作用力P(t)之关系为

式中:λ为曲柄半径与边杆长度之比(连杆比),ω为曲柄转动角速度.

　　令:

　　显然,pH(t)和pC(t)的周期性变化依赖于p、X以及各机构间运行关系,对所讨论问题,不失一般性,假定机构间运行关系恒定(实际上非恒定),即hH(t)与hC(t)均为确定性函数,它反映了机构对力pH(t)和pC(t)的影响,且设p(t)是均值为mP的平稳随机过程.

　　由式(1)可知

　　注意到在平稳随机过程的情况下,功率谱密度函数的面积等于均方值,仿此定义非平稳随机过程的功率谱密度函数,则有

其中:Sp(ω)为平稳随机过程p(t)的功率谱.

　　从式(5)中可看出,非平稳随机过程pH(t)的功率谱密度频率成份的分布比例,与时间长短无关,其功率谱强度是随时间t变化的展开功率(evolutionarypower).实际上,hH(t)并不是确定性函数,亦即各运动部件之间关系、转速都是非恒定的.恒定的假设,对于粗略确定机器平均动力性能的稳态参数是可以接受的,但对于较精确的振动监测与诊断,则掩盖了周期变化的随机性和非平稳性.HH(t)不确定性的加入,导致SpH(t)的结构和分布复杂化,并与时间t有关.对pC(t)仿上讨论,可得同样结论.事实上,p(t)为非平稳随机过程.由式(1)可知,pH(t)、pC(t)亦为非平稳随机过程.