高强化柴油机拉缸故障动力学行为及在线诊断方法研究

As the intensity of engines comes increasingly high, scuffing has become one of the most destructive failures against the safe running of diesel engines. Scuffing failure is elusive, difficut to be found timely and generating disastrous result once it happens. Therefore, the on-line diagnosis is necessary. Currently the foreign countries have mastered the on-line diagnosis technologies based on the torsional vibration. But these technologies are interdicted to our country while our reaserch is still in a decentralized and relatively independent status. The project is aimed to obtain dynamic models with starved lubrication, scrape and wear between piston assembly and cylinder liner. Besides, we attemp to investigate the coupled behaviors between the scraping process and torsional vibration, find out the measuring method of the torsional vibration at variable speed when the scuffing happens, analyze the characteristics of the vibration, and eventually to provide an effective on-line diagnosis method of the scuffing failure. The main contents of the project are as following: obtaining the dynamic actions of the piston assembly under the mild starved lubrication condition and severe scuffing condition, analyzing the coupled torsional vibtation characteristics of the piston, rod, and crankshaft, investigating the measuring method of the torsional vibration at variable speed, sumarizing the the torsional characteristics and on-line diagnosis methods. Our team, with a lot of correlative cases accumulated and excellent investigating conditions, is able to achieve the goal.

随着柴油机强化程度不断提高，拉缸成为危害柴油机安全的重大故障之一。拉缸具有隐蔽性强、损失重大、早期发现难的特点，以致在线诊断十分困难。国外已有利用扭振在线诊断拉缸的技术和设备，但对我国封锁；国内拉缸和扭振的研究还处于分散、独立状态。本项目拟建立活塞组件与缸套乏油润滑以及无油擦伤磨损动力学模型，研究活塞组件在与缸套间擦伤行程中与扭振的耦合行为，探索拉缸过程中转速变化时轴系扭振的测量方法，寻求拉缸过程中轴系扭振的特征，最终为在线诊断拉缸故障提供有效的方法。项目主要研究内容为：活塞组件在轻度拉缸乏油状态下和重度拉缸磨损状态下的动力学行为，拉缸时活塞-连杆-曲轴与轴系扭振耦合动力学特性，转速变化下扭振计算与测试方法，拉缸状态下轴系的扭振特征及在线诊断方法。课题组具有较多的案例数据积累、较好的研究基础和研究条件，能实现研究目标。

随着柴油机强化程度不断提高，拉缸成为危害柴油机安全的重大故障之一。拉缸具有隐蔽性强、损失重大、早期发现难的特点，以致在线诊断十分困难。因此研究拉缸故障的动力学行为和在线诊断方法，尤其是拉缸故障的早期预报方法，对柴油机的安全运行具有重要意义。.在柴油机拉缸故障中，活塞环组润滑失效是导致拉缸故障的主要原因之一，本项目建立了考虑微凸体弹塑性接触的活塞环—缸套系统混合润滑模型，以及考虑接触表面间粘着影响的干摩擦模型。通过与实验结果对比，证明本项目建立的模型在贫油和重载条件下的计算结果比传统模型更加精确。活塞环和缸套之间夹杂固体颗粒也是拉缸的主要原因之一，基于平均雷诺方程，考虑缸套周向椭圆度和颗粒的犁沟效应，建立含有固体颗粒的活塞环-缸套三维流体动压润滑模型，探究不同颗粒粒径、浓度以及活塞环结构特征对润滑性能的影响。.通过对柴油机轴系扭振的激励源进行分析，建立考虑活塞环组摩擦力的轴系扭振计算模型，研究发现在不同活塞环组摩擦力情况下，2谐次扭角幅值变化最为显著，因此轴系扭振的2谐次扭角幅值可以用来判断柴油机活塞环组的工作情况。此外，利用载荷识别的方法通过振动加速度信号识别出活塞环缸套之间的摩擦力，通过对比可以判断活塞组的润滑情况，因而该方法也可作为拉缸故障的诊断手段之一。.针对拉缸条件下，轴系转速波动大，准确测试扭振困难的问题，提出了转速波动条件下的轴系扭振测试方法和提高扭振信号时频转换精度的方法，利用该方法中的扭角计算公式所得的初始扭角信号为等时间采样信号，免去二次采样的过程，既能够保证时频转换的精度要求，又不会因采样点数过多而影响计算速度。基于上述扭振测试新方法，编制了基于扭振信号的柴油机故障诊断软件，并通过拉缸故障模拟实验，证明利用扭振2谐次幅值判断拉缸故障的可行性。.本项目累计发表论文21篇，SCI检索18篇；申请发明专利16项，授权7项；获得软件著作权4项。