DIAGNOSTYKA 1 (37)/2006 83 BADANIA DIAGNOSTYCZNE STANU TECHNICZNEGO SILNIKA SPALINOWEGO METOD EKSPLOATACYJNEJ ANALIZY MODALNEJ Marcin UKASIEWICZ Katedra Maszyn Roboczych i Pojazdów, Akademia Techniczno Rolnicza w Bydgoszczy, ul. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz, e-mail: kmrip@mail.atr.bydgoszcz.pl W pracy przedstawiono wybrane wyniki identyfikacji stanów technicznych spalinowego metod eksploatacyjnej analizy modalnej. Obiektem bada by silnik spalinowy nr 138 C.2.048 o pojemnoci skokowej 1,4 dm 3, mocy 55 kw (75 KM), powszechnie stosowany w modelu Fiat Uno 75i.e. Silnik badano na stanowisku badawczym laboratorium silników spalinowych. Umoliwia ono prezentacj generowanych sygnaów drganiowych oraz badanie wpywu jego rozregulowa na zmian sygnaów wibroakustycznych spalinowego. Sowa kluczowe: silnik spalinowy, wnioskowanie diagnostyczne, eksploatacyjna analiza modalna. REPRESENTATION OF COMBUSTION ENGINE TECHNICAL STATE MODAL MODEL IN USE TO DIAGNOSTIC INVESTIGATIONS The paper contains application of operational modal analysis in use of combustion engine chosen technical state identification. The combustion engine No. 138C.2.048 with 1,4 cdm. swept capacity, power 55 kw (75 HP), generally applied in Fiat Uno 75i.e., was an investigation object. The engine is situated in investigative laboratory of combustion engines. It makes possible to introduce generated vibration signals as well as the investigation of his out of adjustment influence on the combustion engine vibration signals change. Keywords: combustion engine, diagnostic inference, operational modal analysis. 1. WSTP Diagnostyka techniczna silników spalinowych, z uwagi na skomplikowany charakter drga, jest trudna i tylko niewiele ze znanych metod diagnozowania jego stanu moe mie szersze zastosowanie techniczne. Destrukcyjne oddziaywania wymuszajcych czynników zewntrznych i wewntrznych w trakcie eksploatacji powoduj zmiany stanu technicznego danego. Zastosowanie metody diagnostyki wibroakustycznej umoliwia okrelenie stanu badanego obiektu (caego pojazdu lub jego ) w celu podjcia dalszych decyzji diagnostycznych dotyczcych postpowania z badanym obiektem. Z dostpnych wyników bada eksperymentalnych silników spalinowych wynika, i badajc zjawiska wibroakustyczne zachodzce w silniku mona na ich podstawie z duym stopniem prawdopodobiestwa okreli aktualny stan eksploatacyjny i aktualn jako regulacji poszczególnych ukadów. Od niedawna nowym podejciem do badania stanu technicznego zarówno spalinowego jak i caych pojazdów jest zastosowanie metod analizy modalnej jako jednego z narzdzi diagnostyki wibroakustycznej. W pracy przedstawione zostan wyniki bada modalnych spalinowego nr 138 C.2.048 o pojemnoci skokowej 1,4 dm 3, mocy 55 kw (75 KM), powszechnie stosowanego w modelu Fiat Uno 75i.e. Do bada diagnostycznych posuono si eksploatacyjn analiz modaln, która umoliwia estymacj modeli dynamicznych oraz ich analiz w oparciu o dane pomiarowe. Badania te realizuje si w rzeczywistych warunkach pracy obiektu. Ten typ analizy modalnej stosuje si w przypadkach, gdy nie ma moliwoci zastosowania zewntrznego sterowanego wymuszenia oraz gdy nie mona wyczy konstrukcji z eksploatacji [1, 3, 8]. Ide eksploatacyjnej analizy modalnej jest ledzenie zmian parametrów modelu modalnego, powstajcych na skutek rozregulowa, zuycia, uszkodze lub awarii, na podstawie biecych obserwacji obiektu. W metodzie tej tworzy si model modalny w postaci zbioru czstoci wasnych, postaci drga oraz wspóczynników tumienia, dla obiektu bez uszkodze, jako wzorzec. Nastpnie w czasie eksploatacji identyfikuje si model modalny i bada jego korelacj z modelem dla obiektu nieuszkodzonego. W przypadku, gdy korelacja taka wystpuje mona stwierdzi, e obiekt jest w stanie zdatnoci. W przypadku braku
84 DIAGNOSTYKA 1 (37)/2006 korelacji obiekt jest w stanie niezdatnoci spowodowanym np.: uszkodzeniem. 2. MODEL GENERACJI SYGNAÓW WIBROAKUSTYCZNYCH DLA SILNIKA SPALINOWEGO Ogólny model obiektu dla oceny stanu w ujciu symptomowym przedstawiono na rys. 1. techniczny obiektu moemy tutaj okreli dokonujc obserwacji jego funkcjonowania, tj. jego wyjcie gówne przeksztaconej energii (lub produktu) oraz wyjcie dysypacyjne, gdzie obserwuje si róne typy procesów resztkowych. Zakócenia Zasilanie Z Sterowanie E STATYKA I DYNAMIKA {czas t i, przestrze r } ZUYCIE {czas ycia, stan X()} Produkt Destrukcyjne sprzenie zwrotne Rys.1. Model diagnostyki obiektu [4] Procesy robocze G(S,X,Z,N,E)=0 Procesy resztkowe S,X,Z,N,E=i( Przedstawiony model obiektu dla potrzeb diagnostyki w ujciu mechanicznym opisuje równanie wektorowe: G(X,S,E,Z,N) = 0 (1) gdzie: G operator funkcjonowania obiektu, X wektor zmiennych cech stanu opisujcy struktur obiektu, S wektor zmiennych wyjciowych (odpowied obiektu), przedstawiajcy zbiór zawierajcy przeksztacon energi Z, moe to by proces roboczy, wzgldnie jako produktu lub procesy resztkowe, E wektor zmiennych wejciowych (wymuszenia), okrela sposób sterowania obiektem oraz oddziaywania urzdze diagnostycznych i warunki pracy, N wektor zmiennych zakóce. Wektor stanu obiektu dla danego czasu eksploatacji okrela si zalenoci: X = g(s,e,z,n) (2) gdzie: g operator wielkoci skadowych modelu. Stosujc uproszczenie dla potrzeb eksperymentu, zakada sie stao w sensie wartoci rednich wektorów E, Z = 0, w wyniku, czego uzyskujemy uproszczony wzór stanu obiektu: X = F(S) (E,Z = const) + N (3) Uwzgldniajc dziedziny poszczególnych wektorów tej relacji otrzymuje si podstawowe równanie stanu w nastpujcej formule: X(t,,r) = A(r,) S(,r) + N (,r) (4) Wektorowy opis struktury obiektu, jego wej: zasilania, sterowania i zakóce oraz wyj energetycznych (uytecznych i resztkowych) prowadzi do opisu moliwych relacji diagnostycznych.[4, 6] Podczas projektowania eksperymentu zaproponowano model generacji sygnau diagnostycznego spalinowego, który przedstawiono na rys. 2. n(t,) Cig zdarze pierwotnych u1(t,) u2(t,) u3(t,) u4(t,) un(t,) Ukad dynamiczny czstkowy Wspópracujce pary kinematyczne h1(t,) Ukady regulacji pracy h2(t,) Osprzt z elementami wirujcymi h3(t,) Ukad mocowania stanowiskowego h4(t,) Pozostae hn(t,) Rys.2. Model generacji sygnau diagnostycznego zaproponowany dla spalinowego [7, 8] Odbierane sygnay wyjciowe w dowolnym miejscu korpusu s sum odpowiedzi na wszystkie zdarzenia elementarne u n (t,), wystpujce w poszczególnych ukadach dynamicznych czstkowych o impulsowej funkcji przejcia h n (t,). Oddziaywania te po przejciu przez waciwe ukady dynamiczne sumuj si na korpusie, na którym w wybranych punktach umieszczono przetworniki drga tak, by mona byo w wyniku przeprowadzonych pomiarów sygnaów wyjciowych i zastosowaniu eksploatacyjnej analizy modalnej wyznaczy model modalny badanego. Przez n(t, ), oznaczono tutaj przypadkowe oddziaywanie wystpujce z tytuu obecnoci mikrozjawisk dynamicznych takich jak tarcie itp.[5, 7, 8]. Ze wzgldu na zoono procesów zachodzcych w silniku mamy du ilo cigów zdarze elementarnych, które maj wpyw na wyniki prowadzonych bada. Ocen wpywu rozwijajcego si uszkodzenia na parametry modelu modalnego mona oszacowa stosujc teori wraliwoci do modelu strukturalnego w postaci:... M C K x(t) (5) gdzie: M, C, K macierze mas, tumienia... x1(t,) x2(t,) x3(t,) x4(t,) xn(t,) Korpus i sztywnoci, - wektory przyspiesze, prdkoci i przemieszcze, x(t) - wektor si wymuszajcych [2, 3]. n 1 2 3 4 r Moliwe miejsca odbioru sygnau Analiza Modalna
DIAGNOSTYKA 1 (37)/2006 85 Równanie mona przeksztaci do wspórzdnych gównych, stosujc transformacj dan wzorem: x(t) q(t) n r1 q (t r r ) (6) gdzie: jest macierz modaln, której kolumny s postaciami drga wasnych odpowiadajcych danej czstoci wasnej, q(t) jest wspórzdn gówn (modaln). [2, 3]. W celu wyznaczenia parametrów modelu modalnego naley rozwiza zagadnienie wasne w postaci: i im i 0 K (7) i gdzie: i - wartoci wasne, - wektory wasne. Po serii przeksztace uzyskano w efekcie zaleno: f i 1 T K fi T M i i 2 i (8) i p 8 fi p 2 p W przeprowadzonych badaniach empirycznych, wykorzystano metod LSCE, za pomoc, której aproksymuje si przebieg funkcji korelacji sum zanikajcych wykadniczo funkcji harmonicznych. [2, 3, 4, 5]. 3. BADANIA STANOWISKOWE Obiektem bada empirycznych by silnik spalinowy nr 138 C.2.048 o pojemnoci skokowej 1,4dm 3 mocy 55kW/75KM, powszechnie stosowany w modelu Fiat Uno 75i.e. a przedstawiony na rys. 3. Silnik wyposaony we wtrysk paliwa firmy Bosch typu L-Jetronic znajduje si na stanowisku badawczym laboratorium silników spalinowych i umoliwia prezentacj generowanych sygnaów drganiowych oraz badanie wpywu jego rozregulowa na zmian sygnaów wibroakustycznych. ukadu uszkodzonego (uszkodzona wieca zaponowa) oraz dokonaniu oceny wpywu otrzymanych wyników drganiowych na zmiany parametrów modelu modalnego. Dla potrzeb przeprowadzenia eksperymentu zasymulowano nastpujce modele stanu : pierwszy (A) - odpowiada stanowi zdatnoci ; drugi (B) - odpowiada stanowi, w którym w trakcie pracy na pierwszym cylindrze jest uszkodzona wieca zaponowa; trzeci (C) - odpowiada stanowi, w którym w trakcie pracy na drugim cylindrze jest uszkodzona wieca zaponowa; czwarty (D) - odpowiada stanowi, w którym w trakcie pracy na trzecim cylindrze jest uszkodzona wieca zaponowa; pity (E) - odpowiada stanowi, w którym w trakcie pracy na czwartym cylindrze jest uszkodzona wieca zaponowa; Uszkodzenie wiecy zaponowej polegao na usuniciu elektrody w wyniku czego niemoliwym sta si zapon mieszaniny paliwowo powietrznej w danym cylindrze, co zakócao prac badanego. Tylko taki sposób uszkodzenia wiecy zaponowej gwarantowa poprawno uzyskanych wyników, gdy samo zdjcie przewodu wysokiego napicia ze wiecy w trakcie pracy powodowao przypadkowe, niekontrolowane przeskoki adunku elektrycznego na korpus. Przeskok taki wiza si z moliwoci uszkodzenia ukadu pomiarowego oraz zakóca poprawn prac czujników piezoelektrycznych. Sposób uszkodzenia wiecy przedstawiono na rys. 4. a) b) Rys. 3. Silnik spalinowy na stanowisku badawczym Przeprowadzone badania stanowiskowe spalinowego polegay na wyznaczeniu miar drganiowych w stanie zdatnoci i porównaniu ich z miarami wyznaczonymi dla Rys. 4. Uszkodzona wieca zaponowa: a) wieca zaponowa, b) usunita elektroda
86 DIAGNOSTYKA 1 (37)/2006 Dla celów eksperymentu zaoono nastpujce parametry pracy i ukadu pomiarowego: 900 obr/min prdko obrotowa biegu jaowego spalinowego, silnik w stanie równowagi cieplnej, pomiarów dokonano dla zakresu czstoci od 0 200 Hz i liczbie próbkowania 2048. Otrzymane dane pomiarowe przetworzono za pomoc pakietu oprogramowania do analizy modalnej Vioma przy zastosowaniu metody LSCE. Metoda LSCE identyfikacji parametrów modelu modalnego jest realizowana w dziedzinie czasu, stosowana do odpowiedzi impulsowej ukadu jest dobrze znan technik w klasycznej eksploatacyjnej analizie modalnej dajc estymatory globalne biegunów ukadu w postaci czstoci wasnych i modalnych wspóczynników tumienia. Dla zaoonych stanów technicznych otrzymano metod LSCE diagramy stabilizacyjne, przedstawione na rysunkach 5, 6, 7, 8, 9. Rys. 7. Diagram stabilizacyjny dla stanu C Rys. 8. Diagram stabilizacyjny dla stanu D Rys. 5. Diagram stabilizacyjny dla stanu A Rys. 9. Diagram dla stanu E Rys. 6. Diagram stabilizacyjny dla stanu B 4. WYNIKI BADA Na podstawie otrzymanych wyników pomiarowych stworzono model modalny spalinowego dla zaoonych stanów dynamicznych. W modelu podano wielkoci rzdu modalnego, czstoci drga wasnych oraz wspóczynników tumienia. Model modalny dla otrzymany na podstawie diagramów stabilizacyjnych zosta przedstawiony w tablicy 1.
DIAGNOSTYKA 1 (37)/2006 87 Tablica 1. Parametry modelu modalnego badanego. Order rzd modelu modalnego, F warto czstoci wasnych, D wspóczynnik tumienia A B C D E Order 18 17 F (Hz) 23,27 46,96 D(%) 0,67 1,34 Order 25 17 18 F (Hz) 17,59 23,58 45,93 D(%) 3,83 0,71 1,27 Order 23 18 24 20 F (Hz) 16,50 21,89 37,74 46,34 D(%) 11,47 1,21 6,33 1,78 Order 19 17 29 27 26 F (Hz) 16,52 20,70 25,51 41,43 47,43 D(%) 10,11 2,48 6,73 4,61 4,07 Order 18 24 23 23 F (Hz) 20,13 22,05 39,08 49,60 D(%) 1,93 7,93 6,98 4,80 Rys. 11. Charakterystyki amplitudowe stan E 4. WNIOSKI Tak utworzony model modalny zestawiono z charakterystykami amplitudowymi badanego sygnau, dziki czemu zostay zidentyfikowane czstoci charakterystyczne dla przyjtego stanu. Przykadowe porównanie modelu modalnego z charakterystyk amplitudow przedstawiono na rysunkach 10 i 11 - w których przedstawiono zestawienie stanu A, w którym zaoono peen stan zdatnoci oraz E w, którym zaoono, e w trakcie pracy na czwartym cylindrze jest uszkodzona wieca zaponowa. Na charakterystykach tych w tabelach zakrelone zostay zidentyfikowane wartoci czstoci modelu modalnego dla zaoonych stanów. Rys.10. Charakterystyki amplitudowe stan A Otrzymane w eksperymencie parametry modalne oraz estymaty liczbowe wielkoci sygnau drganiowego wskazuj jednoznacznie, e zaoone w eksperymencie wybrane stany zdatnoci spalinowego day si odwzorowa w parametrach modalnych oraz innych wielkociach charakteryzujcych drgania i s moliwe do identyfikacji. W otrzymanych diagramach stabilizacyjnych i wynikach zestawionych w tabeli modele modalne ukadu dla zaoonych stanów dynamicznych róni si midzy sob wartociami poszczególnych parametrów modalnych: czstociami wasnymi, rzdem modelu modalnego i wspóczynnikami tumienia, mimo zastosowania jednego typu uszkodzenia dla poszczególnych cylindrów. Dziki uzyskaniu rónych wartoci parametrów modalnych dla danych uszkodze jestemy w stanie rozróni poszczególne stany techniczne obiektu oraz wskaza jednoznacznie miejsce i moliw przyczyn zaistniaego uszkodzenia. Bazujc na otrzymanych wynikach bada, dokonujc pomiarów na innym obiekcie tego typu jestemy w stanie okreli aktualny stan techniczny badanego obiektu, poprzez porównanie otrzymanych wyników z wynikami wzorcowymi i przypisaniu ich do konkretnego stanu wzorcowego, który odpowiada konkretnemu uszkodzeniu obiektu lub jego braku. Zastosowanie eksploatacyjnej analizy modalnej w badaniach diagnostycznych znajduje wic swoje zastosowanie jako jedna z wielu metod wyznaczania aktualnego stanu technicznego badanego obiektu. Obecne prace badawcze dla przedstawionej metody identyfikacji stanu technicznego spalinowego przy zastosowaniu metod eksploatacyjnej analizy modalnej s w fazie bada i dlatego zaoone stany s stanami, które
88 DIAGNOSTYKA 1 (37)/2006 zdecydowanie ingeruj w prawidowe funkcjonowanie i co si z tym wie s dobrze odwzorowane w sygnale wibroakustycznym. Przedstawione w pracy wyniki bada s czci realizowanego projektu badawczego KBN Nr 1461/T07/2005/28 i nie opisuj caoci zagadnienia badawczego, tylko wybrane jego aspekty. LITERATURA [1] ukasiewicz M.: Zastosowanie analizy modalnej w badaniu stanu przekadni zbatych, Mechanika 53 ATR Bydgoszcz 2002. [2] Uhl T.: Komputerowo wspomagana identyfikacja modeli konstrukcji mechanicznych WNT Warszawa 1997. [3] Uhl T., Kurowski P.: VIOMA instrukcja uytkownika AGH Kraków 2002. [4] ótowski B.: Elementy dynamiki maszyn, ATR Bydgoszcz 2002. [5] ótowski B.: Badania dynamiki maszyn, ATR Bydgoszcz 2002. [6] ótowski B.: Badania wibroakustyczne w pojazdach mechanicznych, Mechanika 33 ATR Bydgoszcz. [7] ótowski B., ukasiewicz M., Bas W.: Próba odwzorowania modelu modalnego w miarach procesu drganiowego w zastosowaniu do bada diagnostycznych Materiay konferencyjne Wgierska Górka 2005. [8] ukasiewicz M.: Próba odwzorowania modelu modalnego stanu technicznego spalinowego w zastosowaniu do bada diagnostycznych, 2005, Diagnostyka vol. 33. Mgr in. Marcin UKASIEWICZ jest asystentem w Katedrze Maszyn Roboczych i Pojazdów Wydziau Mechanicznego Akademii Techniczno Rolniczej w Bydgoszczy, czonek SIMP, PTDT. W pracy naukowej zajmuje si zagadnieniami wibroakustyki z uwzgldnieniem problematyki analizy modalnej oraz zagadnieniami rozpoznawania i klasyfikacji stanów obiektów mechanicznych, w szczególnoci badaniem silników spalinowych oraz aparatur diagnostyczn. Autor kilkudziesiciu publikacji z zakresu wibroakustyki oraz analizy modalnej.