APPLICATION OF VIBROACOUSTICS METHODS FOR IC ENGINE DIAGNOSTICS

Transkrypt

1 ZSZYTY NAUKOW POLITCHNIKI ŚLĄSKIJ 009 Seri: TRANSPORT z. 65 Nr kol Henryk MADJ WYKORZYSTANI MTOD WIBROAKUSTYCZNYCH W DIAGNOSTYC SILNIKÓW SPALINOWYCH Streszzenie. Drgni i hłs silnik splinowego są nośnikiem informji o stnie jego podzespołów mehniznyh. nergi sygnłu drgniowego, generownego w ukłdzie tłokowo-korowym, zleży od średniej prędkośi orotowej orz położeni kątowego włu korowego. Uszkodzeni mehnizne mjąe wpływ n iśnienie sprężni orz zjwisko wypdni zpłonów wywołują hwilowe zminy prędkośi orotowej włu korowego i hwilowej gęstośi widmowej energii sygnłu drgń. W rtykule przedstwiono wyniki dń mjąyh n elu określenie wpływu symulownyh uszkodzeń n zminę hrkterystyk sygnłów drgń. APPLICATION OF VIBROACOUSTICS MTHODS FOR IC NGIN DIAGNOSTICS Summry. Sound nd virtion signl of IC engine often give muh dynmi informtion of mehnil system ondition. The energy stte of the pistons nd the onneting rods is determined y the men ngulr speed nd the ngulr positions of the rnkshft. Chnges in the pressure in ylinder used y ompression fults or misfire will ffet diretly the instntneous ngulr speed of the rnkshft nd virtion energy. In this pper engine fults nd its influene on virtion of engine lok nd hed is presented. 1. WPROWADZNI W dnih proesów wirokustyznyh (WA) generownyh przez silniki splinowe powszehnie stosowne są metody nlizy sygnłów jednoześnie w dziedzinh zsu i zęstotliwośi. W dignostye WA są one szzególnie przydtne w proesh filtrji zkłóeń, detekji skłdowyh impulsowyh wywołnyh uszkodzenimi orz poszukiwni istotnyh eh sygnłu dignostyznego [1,]. W dnih wirokustyznyh wżnym zgdnieniem jest odpowiedni interpretj złożonyh sygnłów pomirowyh. Do głównyh zdń w dignozowniu możn zlizyć: seprję użyteznego sygnłu wirokustyznego orz wyór hrkterystyznyh eh przetworzonego sygnłu wrżliwyh n uszkodzeni. Sygnły WA generowne przez poszzególne pry kinemtyzne i osprzęt silnik

2 46 H. Mdej splinowego są z reguły niestjonrne ze względu n występownie zjwisk nieliniowyh, wywołnyh m.in. występowniem luzów i nieliniowośi hrkterystyk elementów sprężystyh. Chrkterystyki zęstotliwośiowe sygnłów w dużym stopniu zleżą od zmiennej w zsie drogi propgji sygnłów skłdowyh od źródeł do punktu pomiru. Sygnł mierzony jest zzwyzj splotem i superpozyją wielu sygnłów i szumów. W pry przedstwiono wyniki dń mjąyh n elu określenie wpływu nieszzelnośi w ukłdzie dolotowym n rozkłd energii drgń n płszzyźnie zs-skl. Z dotyhzsowyh dń wynik, że uszkodzeni mehnizne, mjąe wpływ n iśnienie w ylindrze, wywołują hwilowe zminy prędkośi orotowej włu korowego i gęstośi widmowej energii sygnłu drgń [3-5]. Potwierdzją to również przedstwione w rtykule wyniki dń, podzs któryh symulowno nieszzelność w ukłdzie wyminy łdunku silnik. W trkie dń rejestrowno przyspieszeni drgń głowiy i loku silnik w kierunkh pionowym orz poziomym, tkże prędkość orotową włu korowego. Bdni zrelizowne zostły n hmowni podwoziowej w wrunkh ustlonej prędkośi orotowej orz podzs roziegu.. DIAGNOZOWANI SILNIKÓW SPALINOWYCH MTODAMI WIBROAKUSTYCZNYMI Silnik splinowy jest oiektem dignozowni, który podleg oddziływniu różnyh wymuszeń wewnętrznyh i zewnętrznyh. Blok silnik orz głowi hrkteryzują się złożoną strukturą rezonnsową. Chrkter zrejestrownego sygnłu drgniowego zleży szzególnie od punktu odioru. W elu identyfikji zęstotliwośi rezonnsowyh loku silnik wykonno dni w wrunkh pry nieustlonej (rozruhu). Bdni w tyh wrunkh umożliwiją oserwję odpowiedzi ukłdu n różne, zęsto niestjonrne, wymuszeni. W proesie wyznzni zęstotliwośi rezonnsowyh silnik podzs roziegu n jego konstrukję dziłją wymuszeni eksplotyjne. W porównniu z nlizą modlną w tym eksperymenie możn wyznzyć zęstotliwośi rezonnsowe w znznie szerszym zkresie [6]. Zrejestrowne podzs rozruhu przyśpieszeni drgń w kierunku prostopdłym (rys. 1) orz równoległym (rys. ) do osi ylindrów umożliwiły określenie zęstotliwośi rezonnsowyh kdłu i głowiy dnego silnik. Przyspieszenie, m/s Częstotliwość, Hz Rys. 1. Chrkterystyk rozruhow silnik (zujnik drgń n loku silnik) Fig. 1. Run up hrkterisi of engine (virtion trnsduer on engine lok) Prędkość orotow, or/min

3 Wykorzystnie metod wirokustyznyh 47 Przyspieszenie, m/s Prędkość orotow, or/min Częstotliwość, Hz Rys.. Chrkterystyk rozruhow silnik (zujnik drgń n głowiy silnik) Fig.. Run up hrkterisi of engine (virtion trnsduer on engine hed) Odierny sygnł jest silnie zkłóony przez różne źródł drgń orz złożoną strukturę rezonnsową, skąd wynik koniezność stosowni zwnsownyh metod przetwrzni sygnłów. Ze względu n impulsowy hrkter wymuszeń dignostyzne psm widmowe leżą w oszrze wysokih zęstotliwośi. W dignozowniu wykorzystuje się zujniki przyśpieszeń o szerokim zkresie przenoszeni, odpowiednio moowne n korpusie lu głowiy silnik. 3. ANALIZA SYGNAŁÓW W DZIDZINI CZAS - SKALA Do nlizy sygnłów przyśpieszeń drgń silnik splinowego wykorzystno iągłą trnsformtę flkową (CWT). W dignostye silników splinowyh nliz zsowyh i zęstotliwośiowyh włsnośi sygnłów z pomoą trnsformty flkowej jest orz zęśiej stosown [3-5]. Ciągł trnsformt flkow funkji o skońzonej energii x(l (R) jest zdefiniown nstępująo: 1 t W, x(, ( x( dt (1) x,, R, 0 gdzie Odwrotn trnsformt przeksztłeni Wx(,) m postć: x( 1 Wx,, ( C dd Zgodnie z definiją funkj (L (R) jest dopuszzlną flką podstwową, jeżeli: C d jest trnsformtą Fourier funkji (. 0 () (3)

4 48 H. Mdej Trnsformt flkow jest przeksztłeniem, które zhowuje energię zgodnie z zleżnośią: Zgodnie z powyższą formułą x( dt W x C 1 Wx, C, dd płszzyźnie,. Równnie (4) możn zpisć nstępująo: x( 1 dt C (4) może yć trktown jko gęstość moy funkji n d (5) W d R x, (6) () nzywn jest flkowym widmem moy sygnłu. W dignostye wykorzystuje się je do oeny wpływu uszkodzeń n rozkłd energii sygnłu WA w dziedzinie skli (zęstotliwośi). W x, są funkją skli i przesunięi. Zmin skli oznz Współzynniki flkowe kompresję lu roziągnięie flki sygnłu x( z flką,. Współzynniki W x, stnowią mirę korelji,t : dl flek wąskih (młe ) reprezentują zwrtość skłdowyh wysokozęstotliwośiowyh, dl flek szerokih (duże ) skłdowyh niskozęstotliwośiowyh. Powyższe włśiwośi powodują, że jest on wykorzystywn w dignostye silników splinowyh, gdzie mmy do zynieni z przetwrzniem sygnłów niestjonrnyh ze skłdowymi impulsowymi. 3. PRZBIG I WYNIKI BADAŃ Oiektem dń mjąyh n elu wykrywnie metodmi WA nieszzelnośi w ukłdzie dolotowym ył silnik ZI o pojemnośi.0 dm 3. Uszkodzenie ukłdu wyminy łdunku, zkłójąe prę silnik, symulowno przez rozszzelnienie kolektor dolotowego. Uśrednione rozkłdy współzynników flkowyh dl jednego yklu roozego silnik prująego n iegu jłowym, w przypdku silnik ez i z nieszzelnośią w ukłdzie dolotowym, przedstwiono n rys. 3. W dnih symulowno różne stopnie nieszzelnośi. W elu oeny wpływu nieszzelnośi n rozkłdy energii sygnłu wykonno (zgodnie z lgorytmem przedstwionym w [5]) uśrednione flkowe widm moy w dziedzinie skli (ASWPS). Wykorzystno ztery różne rodzje flek. N podstwie widm określono uśrednioną łkowitą energię rozkłdu CWT w zkresie kąt orotu włu korowego 0 70 o, który odpowid yklowi roozemu dnego silnik. Niezleżnie od zstosownego rodzju flki energi rozkłdu CWT rośnie wrz ze wzrostem stopni rozszzelnieni ukłdu dolotowego dnego silnik (rys. 4) i może yć zstosown jko mir dignostyzn tego rodzju uszkodzeni.

5 Wykorzystnie metod wirokustyznyh ) 3.) () skl 3.3) 3.4) () skl () () skl skl Rys. 3. Uśrednione flkowe widm moy w dziedzinie skli (ASWPS) sygnłu zrejestrownego w kierunku prostopdłym do osi ylindr; silnik: ) ez uszkodzeń, ) nieszzelność stopni 1, ) nieszzelność stopni ; flk Morlet, 3. - flk D4, flk Meyer, flk Guss 7 Fig. 3. Averged sle-wvelet power spetrum (ASWPS) of signl registered in perpendiulr diretion to ylinder xe; ) without fult, )smll lekge, ) lrge lekge; Morlet wvelet, 3. - D4 wvelet, Meyer wvelet, Guss7 wvelet 4.1) 4.) stn stn 4.3) 4.4) stn stn Rys. 4. Cłkowit energi sygnłu uśrednion n podstwie kolejnyh ykli roozyh silnik: flk Morlet, 4. - flk D4, flk Meyer, flk Guss 7 Fig. 4. Totl verged virtion energy otined from onseutive working yle of IC engine: Morlet wvelet, 4. - D4 wvelet, Meyer wvelet, Guss 7 wvelet

6 50 H. Mdej 4. PODSUMOWANI W przypdku nieszzelnośi w ukłdzie dolotowym użyie trnsformty flkowej pozwoliło n oserwję n płszzyźnie zs-skl zmin rozkłdu energii spowodownyh tym uszkodzeniem. Zstosownie uśrednini w proesie wyznzni flkowego widm moy pozwl n eliminownie efektów wywołnyh rkiem powtrzlnośi proesu splni w różnyh ylindrh i okresowo zmienną odległośią źródł wymuszeń drgń od punktu pomirowego. nergi rozkłdu CWT, wyznzn n podstwie uśrednionego flkowego widm moy, rośnie wrz ze wzrostem stopni rozszzelnieni ukłdu dolotowego dnego silnik i może stnowić mirę dignostyzną tego rodzju uszkodzeni silnik splinowego. Z przeprowdzonyh dń wynik, że identyfikj hrkterystyk dynmiznyh kdłu silnik splinowego może w znznym stopniu ułtwić interpretję wyników pomirów drgń w proesie dignozowni. Określenie struktury rezonnsowej silnik m istotne znzenie w rozwiązywniu zgdnień identyfikji źródeł drgń orz dróg rozhodzeni się energii wirokustyznej w silniku. Biliogrfi 1. Cempel C.: Dignostyk wirokustyzn mszyn. PWN, Wrszw Dąrowski Z., Mdej H.: Msking mehnil dmges in the modern ontrol systems of omustion engines. Journl of KONS, Vol. 13, No. 3/ Mdej H., Flekiewiz M., Wojnr G.: Zstosownie iągłej trnsformty flkowej (CWT) do nlizy drgń siników splinowyh. Tek Komisji Motoryzji PAN, zeszyt nr 33-34, Krków 008, s Mdej H., Łzrz B., Wojnr G.: Zstosownie nlizy flkowej w dignozowniu uszkodzeń ukłdu wyminy łdunku silnik splinowego ZI. XIV Konferenj Nukow Wirotehniki i Wirokustyki WIBROTCH 008. Krków Wojnr G., Mdej H.: Applition of Averged Sle-Wvelet Power Spetrum (ASWPS) for detetion piston - skirt lerne of IC engines. 4th Interntionl Congress on Tehnil Dignostis, Olsztyn Mdej H.: Wykorzystnie nlizy modlnej w dignostye WA silników splinowyh. Zeszyty Nukowe Pol. Śl., seri: Trnsport, z. 63, Gliwie 006, s Reenzent: Prof. dr h. inż. Zigniew Dąrowski Pr powstł w wyniku relizji projektu BK-85/RT/008