发动机气门漏气故障的振动诊断研究

   摘要　在对发动机气门漏气声学特性及其振动诊断机理研究的基础上，利用测取的振动信号和信号处理技术，提出了一种利用高频带与总频带能量比诊断发动机气门漏气故障的新方法。

   关键词：　发动机　气门漏气　故障诊断

　　气门和气门座是发动机中工作条件十分恶劣的摩擦副之一，在发动机工作过程中气门不断开启和关闭，并承受很高的冲击负荷和炽热燃气的高速冲击；由于不易散热，长期处于600 ℃～800 ℃的高温状态。因硬质燃烧产物、积碳、高温腐蚀和零件变形，造成气门密封锥面的磨损与烧蚀，使气门密封不严，造成漏气现象的出现，使燃烧室气密性受到破坏，排气温度上升，功率下降。因此，对气门漏气故障实现早期预报是很有必要的。发动机运行时，即使有经验的操作人员也很难发现气门早期的漏气故障，目前根据发动机运行中的排气管温度和气缸内压力判断漏气故障还不是一种有效的方法。利用气缸盖表面的振动信号来检测气门的工作状态，具有传感器安装方便，检测结果准确的特点。

1　气门漏气声学特性及其振动诊断的机理

　　发动机气门漏气是高温高压气体通过气门与气门座之间很小的缝隙在有限空腔中产生的阻塞喷注，因此引发缸盖表面的局部振动；另一方面形成的高频喷注噪声沿排气管道传播。根据流体喷注中的一般波动方程张量形式，有广义Lighthill方程：
　　　

式中：　　　　ρ——流体密度；
　　　　　　　t——时间；
　　　　　　　——拉普拉斯算子，=
　　　　　　　　　　
　　　　x₁，x₂，x₃——直角坐标；
　　　　i，j，k——代表3个坐标方向的单位向量；
　　　　Q(x,t)——简单声源强度，等于在点x(x₁，x₂，x₃)和时刻t处每单位体积每单位时间增加的流体质量；
　　　　F_i(x,t)——外加作用力的x_i分量；
　　　　T_ij——Lighthill应力张量。

　　方程(1)右边第1项代表单极子源，第2项代表偶极子源，第3项代表四极子源。发动机气门漏气产生的喷注噪声包括简单声源、固体声源和湍流声源，分别与上面3项相对应。其中，简单声源与排气的流量变化率有关，应采用与发动机工作循环中比较大的时间尺度来描述，其频谱表现为低频特性；固体声源与发动机排气道内形态和结构有密切关系，其频谱表现为中高频特性；湍流声源必须采用微时间尺度来研究，其频谱表现为高频特性。

　　因此，利用缸盖表面振动信号对气门漏气进行诊断时，应着重选取反映漏气程度的四极子源湍流声源，研究其高频特性，并选择缸内外压差最大时的表面振动信号进行分析。具体来说，应选择最大燃爆压力附近的缸盖振动信号，分析其高频成分，作为气门漏气的判断标准。由于气体燃爆产生的振动属于低频成分，因此两者并不存在冲突。

2　试验研究

　　试验在F3L912发动机上进行，转速为900 r/min，怠速、采样频率为40 kHz。测量和诊断系统如图1所示。为了试验系统的简单性，故障模拟为均匀漏气，即调节排气门间隙使之为负值，则气门无法落座。漏气程度由气门间隙的调节螺距来衡量。

3　特征值提取和故障诊断

　　图2所示为不同漏气状态下缸盖振动信号的时域波形，a、b、c分别为正常工作、排气门轻微漏气及排气门严重漏气等3种状态。图3为功率谱分析结果。从图3可以看出，随着排气门的漏气的严重程度变化，10 kHz以下的能量几乎未发生变化，而10 kHz以上的能量明显增加，为此提取高频(＞10 kHz)能量与总能量之比E_h/E作为特征参数，3种状态下的E_h/E列于表1，其所示结果与上面的理论分析是相符的。

图1　测量和诊断系统

图2　3种状况下的时域波形

图3　3种状况下振动信号功率谱

表1　3种状态下的E_h/E

4　结论
　　发动机运转时缸盖表面的振动信号隐含着气门漏气的故障信息，通过测取缸盖表面的振动信号，提取高频带与总频带能量比这一特征参数，可以比较直观、准确地检测气门漏气故障。