基于小波變換和角度域分析的發(fā)動機氣門機構(gòu)異響排查

 概述

小波變換作為一種新的數(shù)學(xué)理論和方法，已得到了廣泛的應(yīng)用。尤其近年來在振動信號分析、故障診斷等領(lǐng)域得到了愈來愈多的重視。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(shù)學(xué)理論，給廣大工程技術(shù)人員帶來理解方面的困難。本文從工程的角度出發(fā)，結(jié)合案例對小波變換在非平穩(wěn)信號分析中起到的作用進行闡述。

角度域分析是將信號與參考旋轉(zhuǎn)角度相關(guān)聯(lián)，完成時域信號到角度域信號的轉(zhuǎn)換，根據(jù)系統(tǒng)周期特性對角度域數(shù)據(jù)進行對應(yīng)。本文通過對某缸蓋異常敲擊振動和異響采用角度域分析，并與發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)角進行對應(yīng)分析，從而精確找出異響產(chǎn)生的根源部位。

1 小波變換

在很多故障問題中，有時需特別關(guān)心的是信號在局部范圍內(nèi)的時域特征，例如缸蓋敲擊異響是在什么時間發(fā)生的，這種分析對時域分辨率要求很高，對頻域分辨率要求低，而信號中高頻部分對應(yīng)時域中的快變成分，低頻成分對應(yīng)時域中慢變成分。由于針對類似特定的問題分析時往往在要求高的時域分辨率同時，也需要滿足一定的頻率分辨率，使得對信號分析需要時必須權(quán)衡時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，其實質(zhì)是把一個任意波形用一系列不同頻率的正弦波來表示，它不能有效分析局部信號，不具備精確的時間局部化分析的能力;短時傅里葉變換是典型的時頻分析方法，它具備時頻局部化分析的特點，但是其時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突變的信息;小波變換具備很好的時間局部性和變化的時頻分辨率，因此滿足了很多非平穩(wěn)信號需要多分辨率的時頻局部化的分析要求。三種方式分析都具有統(tǒng)一內(nèi)積運算形式，不同點體現(xiàn)在基函數(shù)的差異，圖1列舉三種變換方式基函數(shù)示意圖。

圖1 三種變換基函數(shù)示意圖

從三種變換基函數(shù)差異可以明顯看到三者的基函數(shù)實際上都是一組具有不同頻率不同時寬的函數(shù)簇，傅里葉變換的基函數(shù)沒有衰減，短時傅里葉變換和小波變換的基函數(shù)兩端很快衰減到零，所以它們具有時間局部性。而小波變換的時寬又是變化的，因此小波變換的時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)動機缸蓋異響信號分析時，采用LMS小波分析模塊，體現(xiàn)其在非平穩(wěn)時變信號中的強大分析功能。

2 某型發(fā)動機“嗒嗒”異響信號的分析

發(fā)動機氣門機構(gòu)是復(fù)雜旋轉(zhuǎn)機械的系統(tǒng)，其受到的激勵以及響應(yīng)非常復(fù)雜，并且非線性極強，使得對缸蓋表面拾取的振動和噪聲信號信噪比很低，采用傳統(tǒng)的傅里葉變換很難去除背景噪聲頻率，導(dǎo)致過多地掩蓋振動噪聲信號中的時變規(guī)律，很難準(zhǔn)確提取氣門機構(gòu)運動規(guī)律的信息。本文針對某缸蓋系統(tǒng)嗒嗒異響進行小波處理，準(zhǔn)確提取異響的振動和噪聲特征，并在發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)角角度域中對異響進行準(zhǔn)確定義故障點。

2.1 小波分析對異響信號的提取

在對某整車NVH主觀評價過程中，評價人員感覺在車內(nèi)有輕微間隔性的“嗒嗒”異響，此異響發(fā)生節(jié)奏很有規(guī)律，很容易引起客戶感知和抱怨。通過進一步主觀判斷，該“嗒嗒”異響來自于發(fā)動機上部;為進一步調(diào)查該“嗒嗒“異響產(chǎn)生的原因，將異響發(fā)動機從上整車拆除后在消聲室中對該發(fā)動機進行測試分析。對缸蓋頂部近場的噪聲測試，通過對噪聲測試信號的常規(guī)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(guī)頻譜分析所得到的頻譜圖上沒有呈現(xiàn)出與主觀回放相對應(yīng)的間隔性敲擊異響，而圖4中小波分析圖譜上則很規(guī)律地呈現(xiàn)了間隔性的敲擊信號。經(jīng)小波分析后回放試聽，確定該異響在怠速760r/min時發(fā)生的頻次為6次/1s，即曲軸旋轉(zhuǎn)2次異響發(fā)生一次，主要頻段集中在2300-3700Hz。經(jīng)與時域數(shù)據(jù)對應(yīng)，小波分析圖譜與時域數(shù)據(jù)中敲擊時刻有很好的對應(yīng)關(guān)系。

圖2 第1缸進氣側(cè)凸輪軸承座振動及發(fā)動機上方噪聲時域數(shù)據(jù)圖

2.2 角度域定義故障點

通過對“嗒嗒“異響小波分析，基本可以確定該異響來自于氣門機構(gòu)系統(tǒng)，為進一步調(diào)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)動機曲軸轉(zhuǎn)角分析功能則提供了有力的分析工具。為滿足角度域分析需要，使用磁電轉(zhuǎn)速傳感器采集發(fā)動機啟動齒轉(zhuǎn)速信號，因為啟動齒圈132齒，所以角度域分析精度在3°附近，滿足對問題的定義需求。同時采集發(fā)動機1缸缸壓信號作為發(fā)動機工作循環(huán)參考。通過對“嗒嗒”異響信號角度域分析，確定異響發(fā)生在曲軸轉(zhuǎn)角470°左右，進一步對氣門室罩蓋振動信號進行角度域轉(zhuǎn)換(見圖5)，發(fā)現(xiàn)在曲軸轉(zhuǎn)角477°時氣門室罩蓋振動峰值非常突出，通過分析發(fā)動機工作循環(huán)所對應(yīng)的氣門運動角度，發(fā)現(xiàn)第二缸的進氣門關(guān)閉角度430°，非常接近470°的異響發(fā)生角度，因VVT發(fā)動機氣門落座在角度上有一定的調(diào)整角度空間，因此二缸進氣門關(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(jù)角度域分析初步思路，進行去除氣門，利用排除法來確定該問題的來源。

圖5 氣門室罩蓋角度域分析彩圖

2.3去除氣門驗證角度域分析結(jié)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，再按照順序安裝回4缸、2缸氣門機構(gòu)，通過按照以上順序的排查試驗驗證，充分證實了轉(zhuǎn)角測試分析的精確性。圖6為安裝回4缸氣門后發(fā)動機上方噪聲的小波分析時頻圖，圖7為在安裝第4缸氣門的基礎(chǔ)上再安裝回2缸的氣門，明顯可以看到該異響特征重現(xiàn)。

圖6 安裝回4缸氣門后發(fā)動機上方噪聲的小波分析時頻圖

圖7 安裝第2缸氣門后發(fā)動機上方噪聲小波變換時頻圖

3 結(jié)論

3.1 通過對對異響信號的小波變換，可以得到比常規(guī)頻譜分析更好的時頻特性，找出了“嗒嗒”異響的特征。并運用角度域分析，準(zhǔn)確定位該異響發(fā)生時刻所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角角度，依據(jù)發(fā)動機循環(huán)特性，指出了該嗒嗒異響來自第2缸進氣門的落座時刻。

3.2 由于發(fā)動機是復(fù)雜的往復(fù)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，很多激勵都與發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)角有特定的關(guān)系，利用小波分析可很好地將此類周期性的特征信號重現(xiàn)，從而更精確的定義和判斷問題，極大提高了故障問題診斷的效率。本文通過對缸蓋嗒嗒異響的排查，很好地證明了LMS小波分析在時頻分析中的作用，同時也驗證了角度域分析振動噪聲信號對激勵點定義的準(zhǔn)確性。