内燃机振动的主动控制
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2000 年 ( 第 29 卷 ) 第 2 期
小
型
内
燃
机
No 2 ( Vol 29) 2000
内燃机振动的主动控制
天津大学
( 天津
张俊红
付鲁华
张殿昌
300072)
摘要
本文详细分析了对内燃机振动所采取的一些主动减振措施及实施情况, 并探讨了内燃机振动的 振动 主动控制
主动控制问题。 关键词 内燃机
Active Control over Vibration of I. C. Engines
46
小
型
内
燃
机
No 2 ( Vol 29) 2000
机上的装机匹配试验表明 , 可以削减该机主谐次最大 扭振幅值 70% 以上。大量试验证明 , 电磁式主动减 振器的减振效果优于动力减振器, 并且完全适用于横 向振动系统。 内燃机振动主动控制的试验研究工作, 在实际机 器上的研究成果还比较少 , 仍处于理论分析、模拟计 算和台架模拟试验等方面的工作。 近年来, 国内已有学者在内燃机振动的主动隔振 理论方面进行了大量的研究和分析工作。对双层隔振 系统, 在主动控 制条件下力传递性仿真 分析的基础 上, 针对柴油机振动具有很强周期性的特点 , 还对周 期振动主动隔离技术进行了初步的试验研究 [ 7~ 10] 。 首先 , 针对内燃机的振动特点与规律研制了一种 电磁式有源控制吸振器, 通过改变励磁电流来改变电 磁弹簧的刚度值 , 以达到调整吸振器固 有频率的目 的。然后 , 在双层隔振试验台的上层隔振器并联安装 电磁式执行器构成主动隔振试验台 , 再利用试验台模 拟柴油机的振动形式。在主动隔振过程中, 采用自适 应控制算法, 并根据实际情况进行相应的修改, 而后 再进行柴油机振动的模拟主动隔振。这是一种将有源 控制吸振器与被动隔振技术相结合的 组合式减振装 置, 其优点是由隔振器承担全部载荷, 执行器只提供 动态控制力。此外, 在主 动控制环节不 工作的情况 下, 仍具有一定的隔振能力。
[ 1- 2]
。它是Leabharlann Baidu过一种主
动控制减振装置控制内燃机的整机振动 , 该装置采用 控制技术使一个可调频的动力减振器自动跟踪发动机 主振动频率 ( 根据主振动频率可主动改变吸振器中的 弹簧刚度系数) , 并使之始终保持在最佳状态。通过 对一台四缸四冲程柴油机的二级往复惯性力进行的减 振试验研究, 其结果表明该主动控制减振装置在全部 工况范围内可有效地降低发动机的振动 , 使其达到国 家规定的振动限值标准。 在国外, 日本学者对内燃机振动的双层隔振采用 主动控制技术在船用主机的振动隔离中取得了显著效 果[ 3] 。在主动隔振系统中 , 利用液压装置 ( 电液式执 行机构 ) 和橡胶元件 ( 橡胶减振器 ) 组成主动隔振 器。当柴油机受到激励产生振动位移时 , 柴油机的静 载荷由橡胶元件承担 , 控制系统应用自动适应控制方 法, 控制液压缸产生抵消柴油机和基础之间的支撑元
控制的基本理论 , 提高系统的阻尼 , 对降低系统的共 振响应及缩短自由振动衰减的时间具有显著的效果, 但采用传统控制方法所能控制的阻尼量比较小, 而采 用主动控制方法 , 理论上可以把系统的阻尼控制提高 1~ 3 个数量级, 因而可大幅度提高控制效果。 主动阻尼控制系统实际上是一个阻尼力做控制力 的反馈控制系统 , 一般情况下 , 阻尼控制矢量是位移 响应及其导数的函数。在主动阻尼控制系统中, 根据 一定的控制规律 , 主动调整阻尼器的参数, 或通过控
都得到了很大提高。 同传统的控制技术相比较 , 随着计算方法与计算 手段的发展, 可用弹性波理论精确分析振动系统 , 尤 其是弹性连续体的振动系统研究已初步显示出其优越 性。已有学者利用扭转波传播理论对内燃机曲轴轴系 进行了建模及扭振动力响应的分析计算 , 并取得了良 好的结果 。弹性波主动控制是基于波动方程的解 析分析, 即将系统的振动用波动方程描述, 展示成行 波, 然后设计控制器并使之尽可能多的吸收或阻断行 波的传播。虽然 , 扭转波主动控制理论及试验研究工 作还很不完善, 但可以预见, 该项技术在内燃机振动 的主动控制中还是很有应用前景的。 随着主动控制技术的发展以及对内燃机振动控制 要求的日益提高 , 主动控制技术将会越来越多的应用 于内燃机的振动控制 , 它不仅仅局限于理论分析和模 拟计算, 并将会在实体振动控制中得到更多应用。 参 考 文 献
control over vibrat ion of I. C. engines are discussed in this paper. Key words I. C. Engine, Vibrat ion, Act ive control
1
前言
随着人们对内燃机质量的要求越来越高 , 由内燃
主动式动力吸振器是通过改变吸振器的频率来抑 制内燃机的振动 , 通常是以干扰力频率为目标主动改 变吸振器参数, 如动力吸振器中的弹簧刚度系数或吸 振器的减振块质量等都使得吸振器始终处于反共振状 态, 从而达到吸振器本身的固有频率跟踪激振频率的 目的。其控制原理如图 1 所示。 2 2 主动隔振 隔振是采用附加子系统 ( 隔振器) 将振源与需减 振的结构或系统隔开 , 以减小结构或系统的振动。由 于内燃机是一种宽频带激振源 , 故目前所研究的主动 隔振都是基于双层隔振基础之上的 , 其原理如图 2 所 示。 在主动隔振过程中 , 控制系统根据质量块 M1 和 M2 的振动响应产生控制振动所需的力或运动, 使中 间质量块 M 2 保持静止不动, 则下面的弹簧、阻尼元 件不承受动态压缩 , 故传给基础的动态作用力为零, 从而实现了理论上传递率为零的隔振。 2 3 主动阻尼控制 阻振是利用附加子系统消耗振动能量。根据振动
2
内燃机振动的主动控制技术
目前对于阻振、吸振和隔振技术, 均已开展了相
应的主动控制技术研究。从研究结果来看, 在内燃机 振动的主动控制领域 , 由于阻尼机理的复杂性, 主要 研究工作还集中在主动吸振和主动隔 振的控制技术 上, 并取得了一定的效果。下面简单介绍一下振动主 动控制原理。 2 1 主动式动力吸振器
机振动引发的故障以及对环境所造成的污染也越发引 起人们的重视, 尤其是现代工业中使用的内燃机越来 越大型化、大功率化 , 导 致振动问题更加 严重。因 此, 为改善生活质量 , 提高内燃机的性能, 迫切需要 对内燃机振动采取一定的控制措施。 对内燃机的减振一般有以下三方面措施 : ( 1) 避 免共振; ( 2) 减小干扰力; ( 3) 减小干扰力的传递。 在设计阶段可以提高机体的自振频率和刚度 , 优化各 零部件的结构, 增加弹性接触等。对于已经成型的内 燃机 , 为控制其振动 , 一般是安装动力减振器或阻尼 减振器, 或是采取现场平衡等措施。若从控制方法上 讲, 有吸振、阻振和隔振。这些减振措施经多年的发 展, 其理论和技术已日趋完善 , 但它们均属于被动式 的振动控制措 施, 有效控制 频带窄, 面 对宽频带振 动, 缺乏灵活、主动的控制方法, 从而限制了其在工 程中的广泛应用。为满足日益增长的对内燃机振动控 制的要求 , 出现了新的振动控制方法 主动控制。 内燃机振动的
s vibrat ion
[ 12]
1 Hao Z, et al. An invest igation of act ive control for the body
of I. C. engine. Proceedings of SETC, SAE, Milwaukee, U SA , 1989, 9 2 3 郝志勇等 内燃机主动控制减振装置的研究 内 燃机学报 , 1991 ( 2) M it suhashi K , et al. Applicat ion of active vibrat ion isolating system to diesel mounting. Proceeding 18th International Congress on Combust ion Engine, Diesel Engine Volume, 1989 4 5 霍拳忠等 主动控制扭振减振器原 理与试验研 究 1992 ( 4) 郝志勇等 内燃机轴系扭振主动控 制系统研究 1994 ( 3) 6 Hao Z, et al. On the act ive control of the torsional vibrat ion in an I. C. engine crankshaft syst em. Proceedings of the 2nd MOVIC 94003, Yoko hama, Japan, 1994 7 刘志刚等 ( 1) 8 9 张洪田等 1995 ( 6) 张洪田等 电磁式 主动隔 振装置 性能实 验研究 制 , 1996 ( 1) 10 张洪田等 ( 2) 11 12 M eirovit ch L. Dynamics and control of structures, John Wiley and Sons, New York, 1990 Nadolski W, et al. Dynamic invest igation of the crankshaft of three cyl inder single bank engines using t orsional elastic waves, Proceedings of the 15th Internat ional conf erence on Dynamics of Machines, 1985 13 14 张洪 田等 1996 ( 3) 顾仲权等 振动控制评述 噪声与振动控制 , 1988 ( 1)
但是由于内燃机的振动频 率变化范围大、振动幅值 高, 而且内燃机工作环境极其恶劣 , 使得在内燃机上 应用主动控制减振技术具有一定的难度和复杂性 , 因 此, 振动的主动控制技术应用于内燃机的控制方面尚 不多见。 国内在 80 年代末和 90 年代初便已开展了内燃机 振动主动控制的试验研究 , 最先是在内燃机整机振动 的控制方面取得了良好的效果
Tianjin University
( Tianjin 300072)
Zhang Junhong Fu Luhua Zhang Dianchang
Abstract
The methods to reduce vibrat ion of I. C. engines are analyzed in detail and some problems about active
2000 年 ( 第 29 卷 ) 第 2 期
内燃机振动的主动控制
45
制系统提供相应的阻尼量 , 吸收振动能量便可达到抑
制振动的目的。
图1
主动式动力吸振器原理图
图2
主动隔振原理图
3
内燃机振动主动控制的研究现状
虽然振动的主动控制技术已取得了一定的进展,
件残余振动作用力, 从而实现隔振的主动控制。实践 证明, 采用主动隔 振不仅使系统具有良 好的隔振效 果, 并同时降低了柴油机本身的振动。 在内燃机的振动中, 曲轴轴系的扭转振动是危害 很大的振动问题 , 人们很早就已对曲轴的扭振开展了 振动控制 , 常用的方法就是安装扭振减振器。对于内 燃机曲轴扭振系统, 试验证明 , 若在自由端施加控制 力矩 , 则曲轴的扭振可以控制。 在普通动力扭振减振器的基础上, 增加一控制力 矩, 根据曲轴的扭振情况利用控制系统来调节控制力 矩的大小与相位 , 理论上可使主振体振幅在一定频率 范围内都能达到零。在文献 [ 4~ 6] 中 , 提出了一种 轴系扭振主动控制系统 , 它根据内燃机 曲轴扭振特 点, 采用了一种改装的直流电机作为内燃机轴系电磁 式扭振主动控制减振器的主体 , 通过控制磁场可自动 反馈主系统扭振状态 , 并形成具有机械特性的电磁刚 度和电磁阻尼。通过调节励磁电流可以控制电磁主动 减振器的固有频率, 使其产生反共振效果, 亦可利用 干扰扭矩主谐次反馈产生相应的电磁阻振力矩, 有效 地控制曲轴轴系的扭振响应。此种电磁主动减振器工 作时 , 阻尼自动生成 , 因此系统具有良好的工作稳定 性和瞬态响应特性。此与动力式主动减振器不同 , 电 磁扭振减振器在有电磁阻尼的情况下仍然能使主系统 的反共振点处振幅为零。将电磁主动减振器应用于内 燃机曲轴轴系的扭振控制, 通过在一台 6130 型柴油
小
型
内
燃
机
No 2 ( Vol 29) 2000
内燃机振动的主动控制
天津大学
( 天津
张俊红
付鲁华
张殿昌
300072)
摘要
本文详细分析了对内燃机振动所采取的一些主动减振措施及实施情况, 并探讨了内燃机振动的 振动 主动控制
主动控制问题。 关键词 内燃机
Active Control over Vibration of I. C. Engines
46
小
型
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燃
机
No 2 ( Vol 29) 2000
机上的装机匹配试验表明 , 可以削减该机主谐次最大 扭振幅值 70% 以上。大量试验证明 , 电磁式主动减 振器的减振效果优于动力减振器, 并且完全适用于横 向振动系统。 内燃机振动主动控制的试验研究工作, 在实际机 器上的研究成果还比较少 , 仍处于理论分析、模拟计 算和台架模拟试验等方面的工作。 近年来, 国内已有学者在内燃机振动的主动隔振 理论方面进行了大量的研究和分析工作。对双层隔振 系统, 在主动控 制条件下力传递性仿真 分析的基础 上, 针对柴油机振动具有很强周期性的特点 , 还对周 期振动主动隔离技术进行了初步的试验研究 [ 7~ 10] 。 首先 , 针对内燃机的振动特点与规律研制了一种 电磁式有源控制吸振器, 通过改变励磁电流来改变电 磁弹簧的刚度值 , 以达到调整吸振器固 有频率的目 的。然后 , 在双层隔振试验台的上层隔振器并联安装 电磁式执行器构成主动隔振试验台 , 再利用试验台模 拟柴油机的振动形式。在主动隔振过程中, 采用自适 应控制算法, 并根据实际情况进行相应的修改, 而后 再进行柴油机振动的模拟主动隔振。这是一种将有源 控制吸振器与被动隔振技术相结合的 组合式减振装 置, 其优点是由隔振器承担全部载荷, 执行器只提供 动态控制力。此外, 在主 动控制环节不 工作的情况 下, 仍具有一定的隔振能力。
[ 1- 2]
。它是Leabharlann Baidu过一种主
动控制减振装置控制内燃机的整机振动 , 该装置采用 控制技术使一个可调频的动力减振器自动跟踪发动机 主振动频率 ( 根据主振动频率可主动改变吸振器中的 弹簧刚度系数) , 并使之始终保持在最佳状态。通过 对一台四缸四冲程柴油机的二级往复惯性力进行的减 振试验研究, 其结果表明该主动控制减振装置在全部 工况范围内可有效地降低发动机的振动 , 使其达到国 家规定的振动限值标准。 在国外, 日本学者对内燃机振动的双层隔振采用 主动控制技术在船用主机的振动隔离中取得了显著效 果[ 3] 。在主动隔振系统中 , 利用液压装置 ( 电液式执 行机构 ) 和橡胶元件 ( 橡胶减振器 ) 组成主动隔振 器。当柴油机受到激励产生振动位移时 , 柴油机的静 载荷由橡胶元件承担 , 控制系统应用自动适应控制方 法, 控制液压缸产生抵消柴油机和基础之间的支撑元
控制的基本理论 , 提高系统的阻尼 , 对降低系统的共 振响应及缩短自由振动衰减的时间具有显著的效果, 但采用传统控制方法所能控制的阻尼量比较小, 而采 用主动控制方法 , 理论上可以把系统的阻尼控制提高 1~ 3 个数量级, 因而可大幅度提高控制效果。 主动阻尼控制系统实际上是一个阻尼力做控制力 的反馈控制系统 , 一般情况下 , 阻尼控制矢量是位移 响应及其导数的函数。在主动阻尼控制系统中, 根据 一定的控制规律 , 主动调整阻尼器的参数, 或通过控
都得到了很大提高。 同传统的控制技术相比较 , 随着计算方法与计算 手段的发展, 可用弹性波理论精确分析振动系统 , 尤 其是弹性连续体的振动系统研究已初步显示出其优越 性。已有学者利用扭转波传播理论对内燃机曲轴轴系 进行了建模及扭振动力响应的分析计算 , 并取得了良 好的结果 。弹性波主动控制是基于波动方程的解 析分析, 即将系统的振动用波动方程描述, 展示成行 波, 然后设计控制器并使之尽可能多的吸收或阻断行 波的传播。虽然 , 扭转波主动控制理论及试验研究工 作还很不完善, 但可以预见, 该项技术在内燃机振动 的主动控制中还是很有应用前景的。 随着主动控制技术的发展以及对内燃机振动控制 要求的日益提高 , 主动控制技术将会越来越多的应用 于内燃机的振动控制 , 它不仅仅局限于理论分析和模 拟计算, 并将会在实体振动控制中得到更多应用。 参 考 文 献
control over vibrat ion of I. C. engines are discussed in this paper. Key words I. C. Engine, Vibrat ion, Act ive control
1
前言
随着人们对内燃机质量的要求越来越高 , 由内燃
主动式动力吸振器是通过改变吸振器的频率来抑 制内燃机的振动 , 通常是以干扰力频率为目标主动改 变吸振器参数, 如动力吸振器中的弹簧刚度系数或吸 振器的减振块质量等都使得吸振器始终处于反共振状 态, 从而达到吸振器本身的固有频率跟踪激振频率的 目的。其控制原理如图 1 所示。 2 2 主动隔振 隔振是采用附加子系统 ( 隔振器) 将振源与需减 振的结构或系统隔开 , 以减小结构或系统的振动。由 于内燃机是一种宽频带激振源 , 故目前所研究的主动 隔振都是基于双层隔振基础之上的 , 其原理如图 2 所 示。 在主动隔振过程中 , 控制系统根据质量块 M1 和 M2 的振动响应产生控制振动所需的力或运动, 使中 间质量块 M 2 保持静止不动, 则下面的弹簧、阻尼元 件不承受动态压缩 , 故传给基础的动态作用力为零, 从而实现了理论上传递率为零的隔振。 2 3 主动阻尼控制 阻振是利用附加子系统消耗振动能量。根据振动
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内燃机振动的主动控制技术
目前对于阻振、吸振和隔振技术, 均已开展了相
应的主动控制技术研究。从研究结果来看, 在内燃机 振动的主动控制领域 , 由于阻尼机理的复杂性, 主要 研究工作还集中在主动吸振和主动隔 振的控制技术 上, 并取得了一定的效果。下面简单介绍一下振动主 动控制原理。 2 1 主动式动力吸振器
机振动引发的故障以及对环境所造成的污染也越发引 起人们的重视, 尤其是现代工业中使用的内燃机越来 越大型化、大功率化 , 导 致振动问题更加 严重。因 此, 为改善生活质量 , 提高内燃机的性能, 迫切需要 对内燃机振动采取一定的控制措施。 对内燃机的减振一般有以下三方面措施 : ( 1) 避 免共振; ( 2) 减小干扰力; ( 3) 减小干扰力的传递。 在设计阶段可以提高机体的自振频率和刚度 , 优化各 零部件的结构, 增加弹性接触等。对于已经成型的内 燃机 , 为控制其振动 , 一般是安装动力减振器或阻尼 减振器, 或是采取现场平衡等措施。若从控制方法上 讲, 有吸振、阻振和隔振。这些减振措施经多年的发 展, 其理论和技术已日趋完善 , 但它们均属于被动式 的振动控制措 施, 有效控制 频带窄, 面 对宽频带振 动, 缺乏灵活、主动的控制方法, 从而限制了其在工 程中的广泛应用。为满足日益增长的对内燃机振动控 制的要求 , 出现了新的振动控制方法 主动控制。 内燃机振动的
s vibrat ion
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1 Hao Z, et al. An invest igation of act ive control for the body
of I. C. engine. Proceedings of SETC, SAE, Milwaukee, U SA , 1989, 9 2 3 郝志勇等 内燃机主动控制减振装置的研究 内 燃机学报 , 1991 ( 2) M it suhashi K , et al. Applicat ion of active vibrat ion isolating system to diesel mounting. Proceeding 18th International Congress on Combust ion Engine, Diesel Engine Volume, 1989 4 5 霍拳忠等 主动控制扭振减振器原 理与试验研 究 1992 ( 4) 郝志勇等 内燃机轴系扭振主动控 制系统研究 1994 ( 3) 6 Hao Z, et al. On the act ive control of the torsional vibrat ion in an I. C. engine crankshaft syst em. Proceedings of the 2nd MOVIC 94003, Yoko hama, Japan, 1994 7 刘志刚等 ( 1) 8 9 张洪田等 1995 ( 6) 张洪田等 电磁式 主动隔 振装置 性能实 验研究 制 , 1996 ( 1) 10 张洪田等 ( 2) 11 12 M eirovit ch L. Dynamics and control of structures, John Wiley and Sons, New York, 1990 Nadolski W, et al. Dynamic invest igation of the crankshaft of three cyl inder single bank engines using t orsional elastic waves, Proceedings of the 15th Internat ional conf erence on Dynamics of Machines, 1985 13 14 张洪 田等 1996 ( 3) 顾仲权等 振动控制评述 噪声与振动控制 , 1988 ( 1)
但是由于内燃机的振动频 率变化范围大、振动幅值 高, 而且内燃机工作环境极其恶劣 , 使得在内燃机上 应用主动控制减振技术具有一定的难度和复杂性 , 因 此, 振动的主动控制技术应用于内燃机的控制方面尚 不多见。 国内在 80 年代末和 90 年代初便已开展了内燃机 振动主动控制的试验研究 , 最先是在内燃机整机振动 的控制方面取得了良好的效果
Tianjin University
( Tianjin 300072)
Zhang Junhong Fu Luhua Zhang Dianchang
Abstract
The methods to reduce vibrat ion of I. C. engines are analyzed in detail and some problems about active
2000 年 ( 第 29 卷 ) 第 2 期
内燃机振动的主动控制
45
制系统提供相应的阻尼量 , 吸收振动能量便可达到抑
制振动的目的。
图1
主动式动力吸振器原理图
图2
主动隔振原理图
3
内燃机振动主动控制的研究现状
虽然振动的主动控制技术已取得了一定的进展,
件残余振动作用力, 从而实现隔振的主动控制。实践 证明, 采用主动隔 振不仅使系统具有良 好的隔振效 果, 并同时降低了柴油机本身的振动。 在内燃机的振动中, 曲轴轴系的扭转振动是危害 很大的振动问题 , 人们很早就已对曲轴的扭振开展了 振动控制 , 常用的方法就是安装扭振减振器。对于内 燃机曲轴扭振系统, 试验证明 , 若在自由端施加控制 力矩 , 则曲轴的扭振可以控制。 在普通动力扭振减振器的基础上, 增加一控制力 矩, 根据曲轴的扭振情况利用控制系统来调节控制力 矩的大小与相位 , 理论上可使主振体振幅在一定频率 范围内都能达到零。在文献 [ 4~ 6] 中 , 提出了一种 轴系扭振主动控制系统 , 它根据内燃机 曲轴扭振特 点, 采用了一种改装的直流电机作为内燃机轴系电磁 式扭振主动控制减振器的主体 , 通过控制磁场可自动 反馈主系统扭振状态 , 并形成具有机械特性的电磁刚 度和电磁阻尼。通过调节励磁电流可以控制电磁主动 减振器的固有频率, 使其产生反共振效果, 亦可利用 干扰扭矩主谐次反馈产生相应的电磁阻振力矩, 有效 地控制曲轴轴系的扭振响应。此种电磁主动减振器工 作时 , 阻尼自动生成 , 因此系统具有良好的工作稳定 性和瞬态响应特性。此与动力式主动减振器不同 , 电 磁扭振减振器在有电磁阻尼的情况下仍然能使主系统 的反共振点处振幅为零。将电磁主动减振器应用于内 燃机曲轴轴系的扭振控制, 通过在一台 6130 型柴油