Wykorzystanie sygnałów wibroakustycznych w diagnostyce silników samochodowych w teście zimnym

Transkrypt

1 STELMASIAK Zdzisław 1 RUDNICKI Mariusz 2 Wykorzystanie sygnałów wibroakustycznych w diagnostyce silników samochodowych w teście zimnym WSTĘP Diagnozowanie współczesnych silników samochodowych rozpoczyna się już podczas jego produkcji i jest w sposób ciągły wykonywane podczas eksploatacji [1, 5, 6]. Wynika to z faktu, że wszystkie braki jakościowe, materiałowe oraz montażowe w procesie produkcji mogą przyczynić się do wystąpienia usterek podczas eksploatacji powodując niezadowolenie klienta i pogorszenie wizerunku produktu i marki firmy. Obecnie najczęściej w procesie produkcyjnym dokonywana jest kontrola wszystkich silników podczas testu zimnego [1], w którym wykorzystuje się m.in. czujniki wibroakustyczne w celu znalezienia wadliwych części silnika oraz wad montażowych itp. [2, 3, 4] Jedynie tylko pewien procent silników poddawany jest kosztownym i pracochłonnym testom ciepłym, które służą do weryfikacji wyników testów zimnych. Diagnoza wibroakustyczna dokonuje rozpoznania wadliwości między innymi takich części jak koła zębate, wałki rozrządu, wałki wyrównoważające oraz kompleksowo nadmierną wibrację całego silnika [7, 8, 9]. 1. TEST ZIMNY SILNIKA Test zimny służy do kontroli kompletnego silnika i obejmuje weryfikację wszystkich produkowanych silników. Próba wykonywana jest automatycznie i przy uzyskaniu wyniku pozytywnego silnik przechodzi do dalszych etapów produkcyjnych [1, 5]. Podczas testu zimnego silnik spalinowy napędzany jest silnikiem elektrycznym, przy zmiennych prędkościach obrotowych zależnie od etapu próby. Początek cyklu zaczyna się od zamocowania silnika na stanowisko prób i połączenia go z napędem kabiny. Drugi etap obejmuje podłączenie lub przygotowanie w pozycji pracy zespołów kontrolujących silnik. Należą do nich (rys. 1): zespół podłączenia elektrycznego z kabiną, zespół turbosprężarki, zespół wylotowy, czujnik wibracji korpusu, czujnik wibracji głowicy, zespół ssący. Zespół podłączenia elektrycznego oraz czujniki wibracji są w stanie pracy (aktywne) podczas całej próby. Obejmują one ciągłą kontrolę czujników, ciśnienia oleju, momentu obrotowego oraz monitoring wibracji. Właściwy test zimny składa się z kilku etapów, które można rozdzielić ze względu na prędkość obrotową silnika podczas próby. Przykładowo kontrola wibroakustyczna głowicy oraz korpusu odbywa się w ok. 35 sekundzie testu przy 1000 obr/min. Z kolei dla turbosprężarki pomiar wykonywany jest w 46 sekundzie przy 3000 obr/min silnika. 1 Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej, Wydział Budowy Maszyn i Informatyki; Bielsko-Biała; ul. Willowa 2. Tel: , Fax: , zstelmasiak@ath.bielsko.pl 2 Fiat Powertrain Technologies Poland Sp. Z o.o., Bielsko-Biała, ul. Grażyńskiego 141, Tel. (48) , mariusz.rudnicki@fiat.com 5983

2 Rys. 1. Kabina Cold Test. 1 zespół turbosprężarki nr 2; 2 zespół wydechowy; 3 zespół turbosprężarki nr 1; 4 robot firmy Kuka; 5 zespół ssący nr 2; 6 zespół ssący nr 1; 7 silnik przed kabiną Cold Test; 8 napęd silnika; 9 zespół mocowania silnika; 10 stół kabiny Cold Test; 11 podłączenie elektryczne z kabiną; 12 szyna transportowa 2. APARATURA POMIAROWA Podczas testów silników o zapłonie iskrowym wykorzystywano czujniki piezoelektryczne firmy PCB Piezotronics, umieszczone na silniku w trzech miejscach: na korpusie, na głowicy oraz na turbosprężarce. Czujnik przedstawiony na rys. 2 wykorzystuje efekty naprężeń ścinających prowadzących do powstania ładunku elektrycznego jonowego na powierzchni elementu piezoelektrycznego (kwarcu) [8, 10, 11]. W wyniku przyspieszenia (drgań) masa sejsmiczna oddziałuje na kwarc powodując pojawienie się naprężeń ścinających. a) b) Rys. 2. Czujnik piezoelektryczny typ nożycowy: a) widok czujnika, b) przekrój 5984

3 Tab. 1. Dane czujnika PCB JM352C68 (z integralnie wbudowaną śrubą) Parametr Wartość Czułość (± 10 %) 10.2 mv/(m/s²) Zakres pomiarowy ± 491 m/s² pk Zakres częstotliwości (± 5 %) 0.5 do 10,000 Hz Zakres częstotliwości (± 10 %) 0.3 do 12,000 Hz Zakres częstotliwości (± 3 db) 0.2 do 20,000 Hz Częstotliwość rezonansowa 35 khz Nieliniowość 1 % Oznaczenia w symbolu czujnika: J integralna izolacja czujnika od obudowy w celu redukcji zakłóceń; M gwint śruby metryczny Schemat warunków pracy czujnika przedstawia rys. 3. Czujnik wkręcony jest do tulejki mocującej 5 i za pomocą sprężyny 3 dociskany do głowicy, korpusu lub turbosprężarki. Poprzez dobór sztywności sprężyny zachowany jest stały docisk wymagany dla badanego elementu. Czujnik przewodem 4 jest połączony na stałe z zespołem pomiarowym. Ze względu na produkcję seryjną zespół pomiarowy nie jest mocowany trwale do silnika. Rys. 3. Schemat pracy zespołu czujnika wibracji. 1 tulejka stykowa; 2 czujnik PCBJM352C68; 3 sprężyna; 4 przewód elektryczny; 5 tulejka mocująca 3. ANALIZA WYBRANYCH SYGNAŁÓW WIBROAKUSTYCZNYCH Analizy rzędów ang. Order Analysis czyli analizy synchronicznej najlepiej używać podczas weryfikacji detali, które pracują ze zmiennymi prędkościami obrotowymi [12, 13, 14, 15, 16]. Dzięki analizie rzędowej unikamy rozmywania sygnału pochodzącego od badanego detalu w wyniku różnej częstotliwości sygnału podczas zmiany prędkości obrotowej (rys. 4). Dla poszczególnych rzędów przyjmuje się stały okres odczytu sygnału, odpowiadający jednemu obrotowi silnika. Równocześnie program rejestruje aktualną prędkość obrotową silnika podawaną z czujnika prędkości obrotowej. Rys. 4. Pomiar wibracji w zależności od częstotliwości i rzędów Zależność pomiędzy rzędami i częstotliwością określona jest wzorem: c n 60 f (1) 5985

4 gdzie: c numer rzędu [Ord], n predkość obrotowa [obr/min], f częstotliwość [Hz]. Do oceny poziomu wibracji silnika analizowanych jest indywidualnie kilka rzędów, które odwzorują hałas pochodzący z danej części lub zespołu. Na rys. 5 przedstawiono przykładowe przebiegi z limitami dla rzędu pierwszego i drugiego. Rząd 2 jest zbiorem dwóch sygnałów, które cyklicznie powtarzają się podczas jednego obrotu silnika uderzenie tłoków o cylindry po przekroczeniu punktów martwych: górnego i dolnego. rząd 2 rząd 1 Rys. 5. Wibracje korpusu rząd 1 i rząd 2 (wraz z limitami okienka zielone) Poniżej podano przykład analizy synchronicznej przekładni zębatej o przełożeniu 1:1 i liczbie zębów 54. Podczas jednego obrotu silnika występują 54 zazębienia, a zatem program rozpoznaje 54 sygnałów, przy czym ilość ich nie zmienia się wraz ze zmianą prędkości obrotowej. Dodatkowo analizowane są wyższe rzędy 108 i 162 dla ich harmonicznych. Znając chwilową prędkość obrotową silnika program każdorazowo jest w stanie wyodrębnić 54 sygnałów, które pochodzą od danego przełożenia. Na rys. 6 i 7 porównano wyniki dla pomiaru wibracji z wykorzystaniem częstotliwości oraz rzędów. Rys. 6 przedstawia wibracje silnika, w zależności od częstotliwości, który posiada głośne koło zębate (wadliwa obróbka wykańczająca zębów). Zwiększona głośność była potwierdzona przez operatorów w trakcie testów ciepłych. Widoczny jest znaczny wzrost wibracji dla rzędów 54, 108 i 162, co jest najbardziej widoczne dla prędkości obrotowej silnika powyżej 4500 obr/min. Rys. 7 przedstawia wyniki pomiaru wibracji silnika przy stałej prędkości obrotowej 1000 obr/min. W dalszych badaniach użyto silników, z których jeden posiadał uszkodzone mechanicznie koło zębate. Testy przeprowadzono dla prędkości obrotowych 1000, 1500, 2000, 2500 oraz 3000 obr/min przy pełnym zapisie danych próby. Na rys. 8 pokazano porównanie wibracji silników dla rzędu 54 i jego harmonicznych rząd 108 i 162. Z analizy rys. 8 widać, że wibracje silnika zarówno cichego jak i o uszkodzonych zębach przekładni rosną wraz ze wzrostem prędkości obrotowej. Równocześnie poziom wibracji silnika z uszkodzoną przekładnią jest wyraźnie wyższy od wibracji silnika o prawidłowym stanie technicznym. 5986

5 Rys. 6. Wibracje silnika w zależności od prędkości obrotowej dla różnych częstotliwości (zaznaczone rzędy) Rys. 7. Wibracje w zależności od częstotliwości (rzędy) przy stałej prędkości obrotowej silnika 1000 obr/min Rys. 8. Wibracje korpusu silnika cichego i głośnego (uszkodzone koło zębate) w zależności od rzędów i obrotów W kolejnym przykładzie analizy synchronicznej wałków rozrządu program zapisuje wyniki z przedziału od 0 do 200 rzędów. Dla określenia dopuszczalnego stopnia wibracji dla powyższego przedziału określono krzywą graniczną, która służy do separacji silników o nadmiernych wibracjach. Krzywa została utworzona na podstawie wyników badań silników o nadmiernej hałaśliwości. Na rys. 9 przedstawiono wibracje głowicy (krzywa pomarańczowa) oraz limity dopuszczalnej hałaśliwości krzywa zielona. Silnik uznaje się jako wadliwy wtedy, gdy dla całego przedziału rzędów od 0 do 200, 30% krzywej wibracji (linia pomarańczowa) znajduje się ponad krzywą limitów (zieloną). Przedział procentowy można w miarę potrzeby łatwo regulować. 5987

6 Rys. 9. Wibracje głowicy krzywa dla rzędów z całego zakresu (0-200 Ord) Rys. 10. Analiza wibracji głowicy z podziałem sygnałów wibroakustycznych na klasy: prędkość obrotowa silnika obr/min, rysunki w lewym rzędzie wartość Max w przedziale, prawy rząd wartość średnia przedziału Na rys. 10 przedstawiono porównanie wibracji dwóch silników uznanych za dobre z silnikiem o głośnym wałku rozrządu. Silnik porównawczy uznano za głośny podczas testu ciepłego, a jako 5988

7 przyczynę zwiększonej hałaśliwości uznano nieprawidłowo wykonany wałek rozrządu (wady obróbcze na krzywce). Całkowitą liczbę rzędów 200 podzielono na 20 klas (po 10 rzędów), a następnie zmierzono maksymalną wartość wibracji w przedziale (Max) oraz średnią wartość przedziału (Mean). Dodatkowo obliczano współczynnik impulsu uderzenia jako stosunek wartości maksymalnej do wartości średniej (Max/Mean). Porównania dokonano dla prędkości obrotowych 1000, 1500, 2000, 2500 i 3000 obr/min. WNIOSKI Przy analizie synchronicznej przekładni zębatej różnice między silnikami cichymi i głośnymi można zauważyć już przy małych prędkościach obrotowych (1000 obr/min) i są one widoczne również podczas dalszego wzrostu prędkości (3000 obr/min). Przy analizie synchronicznej wałka rozrządu na wykresach maksymalnych i średnich amplitud widać wzrost wibracji w przedziale klas dla 1000 obr/min oraz w przedziałach 9 10 i dla 1500 obr/min. W pozostałych zakresach krzywe wzajemnie się przecinają. Wraz z wzrostem prędkości obrotowej silnika wibracje silnika głośnego wyraźniej odbiegają od wibracji silników dobrych i dla 3000 obr/min ponad 75% przedziałów (powyżej piątego) ma wyższe wibracje głowicy. W przypadku kół zębatych pomiar amplitudy wibracji jest łatwiejszy ze względu na znaną liczbę zębów co ułatwia identyfikację źródła wibracji. Wprowadzenie rzędu odpowiadającego liczbie zębów powoduje automatyczny pomiar. W przypadku uszkodzonej krzywki wałka rozrządu przy niższych prędkościach obrotowych silnika trudniejsze jest przypisanie właściwego rzędu lub przedziału do określenia jego wady. W tym przypadku należałoby dokonać wstępnych analiz porównawczych. Jest to łatwiejsze przy wzroście prędkości obrotowej, gdzie wyraźniej można zauważyć różnice między silnikami cichymi oraz głośnymi. Dotychczasowa metoda określająca wynik testu jako pozytywny lub negatywny pobierała dane z całego przedziału kontrolnego (do dwusetnego rzędu), a pomiar był wykonywana przy 1000 obr/min. Pomiar całościowy spowodował utrudnienie z dobraniem limitu granicznego oddzielającego silniki dobre od złych. Zakres limitu pokrywał się, co spowodowało możliwość zakwalifikowania silnika złego jako dobrego. W celu poprawy skuteczności wyszukiwania silników wadliwych dla testowanych prędkości (1000 obr/min) konieczne jest utworzenie limitów cząstkowych (wybrane przedziały) zamiast kontroli wibracji w całym zakresie. Również wprowadzenie kontroli dla większej prędkości obrotowej np obr/min zamiast 1000 obr/min zwiększa czułość metody co ułatwia wychwycenia silników wadliwych. Łatwiejsze jest również dopasowanie nowych limitów w wyniku braku przecinania się krzywych powyżej 5 przedziału. Na rys. 11 pokazano skuteczność metody przy większej prędkości obrotowej. Dla 3000 obr/min krzywa niebieska silnika głośnego jest wyraźnie powyżej krzywej żółtej dla silnika cichego. Dla 1000 obr/min obie krzywe prawie się pokrywają, uniemożliwiając kwalifikację badanych silników obr/mi 3000 obr/min Rys. 11. Wibracje silnika cichego (krzywa żółta) i głośnego (krzywa niebieska) przy różnych prędkościach obrotowych 5989

8 Wszystkie analizowane silniki podczas testu zimnego przechodziły dodatkowo również test ciepły, podczas którego zostały osłuchane przez operatorów kabin. Doświadczeni operatorzy są w stanie wychwycić, która część silnika powoduje jego hałas (specyficzny dla danej części np. koła zębate, wałek rozrządu), a nie tylko ogólną podwyższoną hałaśliwość silnika. Przedstawione w artykule przykłady konkretnych rozwiązań wykorzystujących wibroakustyczne pomiary silnika podczas testu zimnego, wskazują na możliwości wykorzystania tych metod do oceny stanu jakościowego silnika Streszczenie W artykule przedstawiono nową metodykę wibroakustycznej diagnostyki silnika spalinowego podczas testu zimnego na linii produkcyjnej. Zaprezentowano metody pomiaru i analizy drgań wybranych elementów silnika na podstawie analizy synchronicznej czyli tzw. analizy rzędów. Analizę tę można wykorzystywać do oceny stanu jakościowego całego silnika oraz poszczególnych jego części takich jak: koła zębate, wały, łańcuch rozrządu, układ korbowodowy itp. The use of vibroacoustic signals in the car engines diagnostic during cold test Abstract This paper presents a new a new methodology for vibroacoustic diagnostics of the internal combustion engine during cold test on the production line. Presented method of the vibration measurement and analysis of selected parts of the engine on the basis of the so-called synchronous order analysis. This analysis can be used to assess the state of qualitative entire engine and its individual parts such as gears, shafts, timing chain, connecting rod etc. BIBLIOGRAFIA 1. Janczewski Ł.: Diagnostyka uszkodzeń wybranych zespołów silnika o zapłonie samoczynnym podczas testu zimnego (analiza wibroakustyczna), ATH w Bielsku-Białej, praca doktorska, Madej H.: Wykorzystanie metod wibroakustycznych w diagnostyce silników spalinowych, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, nr 65, s , Madej H., Czech P.: Diagnozowanie luzu w układzie tłok cylinder z wykorzystaniem współczynnikow Hoeldera, Diagnostyka vol. 49, No. 1, pp , Grządziela A.: Analiza dynamiki układów wirnikowych silników turbinowych z wykorzystaniem śledzenia rzędów, Zeszyty Naukowe Akademia Morska w Szczecinie, 19/2009, s Janczewski Ł., Nowakowski J.: Vibroacustic diagnosis of the internal combustion diesel engine at the end of assemby Line, Combustion Engines 3/2013, str Janczewski Ł: Vibro acoustic failure recognition on combustion engines at the end of assembly lines, Combustion Engines, 3/ Mączak J. Wykorzystanie lokalnej płaszczyzny przyporu w wykrywaniu błędów wykonania i montażu przekładni zębatych, Diagnostyka 4/2011, s Cempel C.: Podstawy wibroakustycznej diagnostyki maszyn, WNT Warszawa Erik D.S. Munck, Ken R. Fyfe: Computed order tracking applied to vibration analysis of rotating machinery, s.57-58, University of Alberta, Orange F.: Rotating vibration analysis Order tracking techniques, ADM Messtechnik. 11. Wang K.S.: Approaches to the improvement of order tracking techniques for vibration based diagnostics in rotating machines, University of Pretoria, Brüel & Kjær: Order Tracking Analysis, Technical Review, 2/ Order Tracking (analiza rzędów) zaawansowana metoda diagnostyki maszyn wirujących,