基于小波變換和角度域分析的發(fā)動(dòng)機氣門(mén)機構異響排

概述

小波變換作為一種新的數學(xué)理論和方法，已得到了廣泛的應用。尤其近年來(lái)在振動(dòng)信號分析、故障診斷等領(lǐng)域得到了愈來(lái)愈多的重視。但是介紹小波變換理論的文獻資料往往都基于比較高深的泛函分析、測度空間等數學(xué)理論，給廣大工程技術(shù)人員帶來(lái)理解方面的困難。本文從工程的角度出發(fā)，結合案例對小波變換在非平穩信號分析中起到的作用進(jìn)行闡述。

角度域分析是將信號與參考旋轉角度相關(guān)聯(lián)，完成時(shí)域信號到角度域信號的轉換，根據系統周期特性對角度域數據進(jìn)行對應。本文通過(guò)對某缸蓋異常敲擊振動(dòng)和異響采用角度域分析，并與發(fā)動(dòng)機曲軸轉角進(jìn)行對應分析，從而精確找出異響產(chǎn)生的根源部位。

1 小波變換

在很多故障問(wèn)題中，有時(shí)需特別關(guān)心的是信號在局部范圍內的時(shí)域特征，例如缸蓋敲擊異響是在什么時(shí)間發(fā)生的，這種分析對時(shí)域分辨率要求很高，對頻域分辨率要求低，而信號中高頻部分對應時(shí)域中的快變成分，低頻成分對應時(shí)域中慢變成分。由于針對類(lèi)似特定的問(wèn)題分析時(shí)往往在要求高的時(shí)域分辨率同時(shí)，也需要滿(mǎn)足一定的頻率分辨率，使得對信號分析需要時(shí)必須權衡時(shí)域和頻域二者分辨率的選取。信號分析中最常用的傅里葉變換，其實(shí)質(zhì)是把一個(gè)任意波形用一系列不同頻率的正弦波來(lái)表示，它不能有效分析局部信號，不具備精確的時(shí)間局部化分析的能力;短時(shí)傅里葉變換是典型的時(shí)頻分析方法，它具備時(shí)頻局部化分析的特點(diǎn)，但是其時(shí)間和頻率分辨率都是確定不變，不能敏感地反映信號的突變，因此不能很好地刻畫(huà)突變的信息;小波變換具備很好的時(shí)間局部性和變化的時(shí)頻分辨率，因此滿(mǎn)足了很多非平穩信號需要多分辨率的時(shí)頻局部化的分析要求。三種方式分析都具有統一內積運算形式，不同點(diǎn)體現在基函數的差異，圖1列舉三種變換方式基函數示意圖。

圖1 三種變換基函數示意圖

從三種變換基函數差異可以明顯看到三者的基函數實(shí)際上都是一組具有不同頻率不同時(shí)寬的函數簇，傅里葉變換的基函數沒(méi)有衰減，短時(shí)傅里葉變換和小波變換的基函數兩端很快衰減到零，所以它們具有時(shí)間局部性。而小波變換的時(shí)寬又是變化的，因此小波變換的時(shí)頻分辨率也是變化的，具有多分辨率的分析特性。本文在發(fā)動(dòng)機缸蓋異響信號分析時(shí)，采用LMS小波分析模塊，體現其在非平穩時(shí)變信號中的強大分析功能。

2 某型發(fā)動(dòng)機“嗒嗒”異響信號的分析

發(fā)動(dòng)機氣門(mén)機構是復雜旋轉機械的系統，其受到的激勵以及響應非常復雜，并且非線(xiàn)性極強，使得對缸蓋表面拾取的振動(dòng)和噪聲信號信噪比很低，采用傳統的傅里葉變換很難去除背景噪聲頻率，導致過(guò)多地掩蓋振動(dòng)噪聲信號中的時(shí)變規律，很難準確提取氣門(mén)機構運動(dòng)規律的信息。本文針對某缸蓋系統嗒嗒異響進(jìn)行小波處理，準確提取異響的振動(dòng)和噪聲特征，并在發(fā)動(dòng)機曲軸轉角角度域中對異響進(jìn)行準確定義故障點(diǎn)。

2.1 小波分析對異響信號的提取

在對某整車(chē)NVH主觀(guān)評價(jià)過(guò)程中，評價(jià)人員感覺(jué)在車(chē)內有輕微間隔性的“嗒嗒”異響，此異響發(fā)生節奏很有規律，很容易引起客戶(hù)感知和抱怨。通過(guò)進(jìn)一步主觀(guān)判斷，該“嗒嗒”異響來(lái)自于發(fā)動(dòng)機上部;為進(jìn)一步調查該“嗒嗒“異響產(chǎn)生的原因，將異響發(fā)動(dòng)機從上整車(chē)拆除后在消聲室中對該發(fā)動(dòng)機進(jìn)行測試分析。對缸蓋頂部近場(chǎng)的噪聲測試，通過(guò)對噪聲測試信號的常規傅里葉變換頻譜分析和小波分析對比，如下圖2至圖4。明顯看出圖3中常規頻譜分析所得到的頻譜圖上沒(méi)有呈現出與主觀(guān)回放相對應的間隔性敲擊異響，而圖4中小波分析圖譜上則很規律地呈現了間隔性的敲擊信號。經(jīng)小波分析后回放試聽(tīng)，確定該異響在怠速760r/min時(shí)發(fā)生的頻次為6次/1s，即曲軸旋轉2次異響發(fā)生一次，主要頻段集中在2300-3700Hz。經(jīng)與時(shí)域數據對應，小波分析圖譜與時(shí)域數據中敲擊時(shí)刻有很好的對應關(guān)系。

圖2 第1缸進(jìn)氣側凸輪軸承座振動(dòng)及發(fā)動(dòng)機上方噪聲時(shí)域數據圖

2.2 角度域定義故障點(diǎn)

通過(guò)對“嗒嗒“異響小波分析，基本可以確定該異響來(lái)自于氣門(mén)機構系統，為進(jìn)一步調查明確異響產(chǎn)生的原因，還必須精確定義該異響產(chǎn)生的部位。發(fā)動(dòng)機曲軸轉角分析功能則提供了有力的分析工具。為滿(mǎn)足角度域分析需要，使用磁電轉速傳感器采集發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)齒轉速信號，因為啟動(dòng)齒圈132齒，所以角度域分析精度在3°附近，滿(mǎn)足對問(wèn)題的定義需求。同時(shí)采集發(fā)動(dòng)機1缸缸壓信號作為發(fā)動(dòng)機工作循環(huán)參考。通過(guò)對“嗒嗒”異響信號角度域分析，確定異響發(fā)生在曲軸轉角470°左右，進(jìn)一步對氣門(mén)室罩蓋振動(dòng)信號進(jìn)行角度域轉換(見(jiàn)圖5)，發(fā)現在曲軸轉角477°時(shí)氣門(mén)室罩蓋振動(dòng)峰值非常突出，通過(guò)分析發(fā)動(dòng)機工作循環(huán)所對應的氣門(mén)運動(dòng)角度，發(fā)現第二缸的進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉角度430°，非常接近470°的異響發(fā)生角度，因VVT發(fā)動(dòng)機氣門(mén)落座在角度上有一定的調整角度空間，因此二缸進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉角度在430°以及滯后一定的角度，與470°的異響角度接近。根據角度域分析初步思路，進(jìn)行去除氣門(mén)，利用排除法來(lái)確定該問(wèn)題的來(lái)源。

圖5 氣門(mén)室罩蓋角度域分析彩圖

2.3去除氣門(mén)驗證角度域分析結果

為了驗證角度域分析的正確性，分別按照順序依次去除了2缸、4缸、所有缸的氣門(mén)，再按照順序安裝回4缸、2缸氣門(mén)機構，通過(guò)按照以上順序的排查試驗驗證，充分證實(shí)了轉角測試分析的精確性。圖6為安裝回4缸氣門(mén)后發(fā)動(dòng)機上方噪聲的小波分析時(shí)頻圖，圖7為在安裝第4缸氣門(mén)的基礎上再安裝回2缸的氣門(mén)，明顯可以看到該異響特征重現。