柴油机振动烈度的研究与分析

(2)进气门变化
在转速1600r/min，供油提前角（标准）18°，喷油 压力（标准）125Mpa，在同一转速下，不同气门间隙下 （进气门改变）测得的振动烈度：

绘制成折线图，横坐标代表进气门间隙（mm），纵 坐标代表振动烈度（mm/s）
进气门变化 22 振动烈度值
振动烈度（mm/s）
21 20 19 18 17 16 0.2 0.35 0.5 0.65 0.8 进气门（mm）
图1.单自由度系统强迫振动力学模型

根据单自由度系统强迫振动模型图列出牛顿方程：
mx 2mpx mp x F0 sin t
'' ' 2
式中：m为物体的质量；x为物体运动位移；系统 固有频率为 p 2 k / m
c c 其中k为弹性系数，系统阻尼比为 2 pm 2 km
2.振动烈度的分析与计算
通常根据设备振动信号频率特征来选择测量参数。 振动测量参数有加速度、速度和位移。 下面分别介绍两种振动烈度的计算方法 。

2.1 基于振动速度的振动烈度的计算方法

2.2 基于振动能量的振动烈度的分析计算
2.1 基于振动速度的振动烈度的计算方法

振动烈度是检测发动机运行状态的物理量，也是 最常用的状态特征。 定义为振动速度的均方根值 （有效值）表示 ：
从图上可以看出它们的振动烈度围绕着平均值20.786mm/s在不断的变化。

4.供油提前角异常
转速1500r/min，供油提前角异常，标准喷油压力，
标准气门间隙的情况下的基于振动能量的振动烈度，
计算33组数据的振动烈度。

将上面数据绘成折线图，横坐标代表组数，纵坐标代 表振动烈度（mm/s），如下图
行状态监测、故障诊断的预测，以便制定合理的维修
计划。

本论文研究了基于振动能量的振动烈度的分析计算方 法，目前国内外普遍采用的是基于振动速度的振动烈 度来评价设备振动情况，它只考虑了振动的动能，未 考虑振动势能对振动烈度的影响，虽然基于振动速度
的振动烈度可以作为设备的检测标准，但是并不精确，
基于振动能量的等效振动烈度能够真实的评价设备振 动水平。

4.不同供油提前角
在1200r/min时，标准气门间隙进气门0.35mm，
排气门0.45mm，标准喷油压力125Mpa，振动烈度随
着供油提前角的变化如下表

绘制成折线图，横坐标代表供油提前角（°），纵坐 标代表振动烈度（mm/s），如下图
不同供油提前角振动烈度值
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 12 14 16 18 20 22 24 26 供油提前角（°）
2015届本科生毕业论文（设计）
题目：柴油机振动烈度的研究与分析
柴油机振动烈度的研究与分析

1.研究意义
2.振动烈度的分析与计算
3.发动机振动烈度数据分析

4.总结
1.研究意义

通常，机械振动在大多数情况下会破坏机械设备的正 常工作，缩短使用寿命，降低其性能，甚至造成机毁 人亡的重大事故 。但是在另一方面，机械振动信号中 包含着反映设备性能好坏的信息，可以用来对设备进
分析：在16°到24°之间变化幅度相比其他角度变化比较大，1200r/min 时，供油提前角为24°振动烈度最小，标准供油提前角18°，在 1200r/min下振动烈度呈现了相对比较大的值，可能是数据采集时出现了 误差引起的，也可能是1200r/min的最佳供油提前角是24°
振动烈度（mm/s）
4.总结
部分数据的振动加速度，振动速度以及振动位移曲线 图 如下

2.气门间隙异常 （1）进气门异常
转速为1500r/min，标准供油提前角，标准喷油压
力，进气门间隙异常情况下的35组数据

将上面35组数据制成折线图以方便分析，横坐标代表 组，纵坐标代表振动烈度（mm/s）
进气门异常振动烈度
35
振动烈度（mm/s）
Erms

对于上式，也可以仿照振动烈度求得系统的等效振动 速度 Veq ，因此用等效振动速度来评价系统振动就比 较准确
veq v
N 1
2 rms
p x
2
2 rms
其中 Vrms
v n
2
N
这里 X rms 表示为 X rms
X N

我们不求振动能量，只要能求得等效振动速度即可分 析系统的振动状态，基于MATLAB编程，从而处理不 同情况下的数据，得出每组数据的等效振动烈度
供油提前角异常 60
振动烈度（mm/s）
50 40 30 20 10 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 组
图中有两组数据的振动烈度数值在50mm/s之上,可能是在这一时 刻，测得的数据有误差，除去在那两个点，其他组振动烈度均围绕着 平均值26.5mm/s上下变化，属于在供油提前角异常时的正常值 。
3.发动机振动烈度数据分析

分析不同情况下振动烈度 1.正常情况下 2.气门间隙异常 3.喷油压力异常 4.供油提前角异常

1.正常情况下
转速为1500r/min，标准供油提前角，标准气门间 隙，标准喷油压力下的30组数据

为了便于分析与比较，将上面的烈度数据绘制成同一 转速下的振动烈度折线图，横坐标代表组数，纵坐标 代表振动烈度（mm/s）
3.发动机振动烈度数据分析
采用单因素分析法

不同转速 不同气门间隙 不同喷油压力 不同供油提前角

1.不同转速
在不同转速下采集数据，然后计算出每一组转速 下的振动烈度，然后进行等级评价。其中其他因素保 持不变，都为正常状态

将上面数据绘制成折线图，只绘制基于振动能量的振 动烈度,横坐标代表转速（r/min），纵坐标代表振动烈
100 80 60 40 20 0 0.2 0.45 0.55 0.65 排气门间隙mm 0.8 0.95
分析：在转速为800r/min时，振动烈度已经达到90mm/s以上， 此时设备的振动会很大，严重影响机器的性能。随着排气门的增 大，发动机的振动烈度先减小后增大，当排气门0.55mm时，振 动烈度最小，但为C级别，可以短时工作 。
通过以上数据分析，有的数据过于偏大，可能说
明了该机器的振动正好达到了它的固有频率点，这样 我们就能够通过简单的数据来评判机器的振动状态，
避免使机器在共振点上工作。
基于振动能量的振动烈度是一种新的评价设备振 动的方法，在国内外原有的基于振动速度的振动烈度 基础上，更进一步的完善了计算振动烈度的方法 。
振动烈度（mm/s）

3.喷油压力异常
转速1500r/min，喷油压力异常，标准供油提前角，
标准气门间隙的基于振动能量的振动烈度，计算32组
数据的振动烈度。

将上面数据绘成折线图，横坐标代表组数，纵坐标代 表振动烈度（mm/s），如下图
喷油压力异常
30
振动烈度（mm/s）
25 20 15 10 5 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 组

绘制成折线图，横坐标代表喷油压力（Mpa），纵坐 标代表振动烈度（mm/s），如下图 ：
喷油压力变化 振动烈度值
25
振动烈度（mm）
20 15 10 5 0 95 105 115 125 135 145 喷油压力（Mpa）
分析：喷油压力达到145Mpa时，振动烈度比其他喷油压力时增大很 多，因此发动机不能再过高的喷油压力下工作 ，否则，机器振动加 大，产生过大的噪声，更有可能使机器产生共振，使机器损坏。
转速1500r/min，标准喷油压力，标准供油提前角， 排气门异常下的基于振动能量的振动烈度，计算32组 数据的振动烈度。

将上面数据绘成折线图，横坐标代表组数，纵坐标代 表振动烈度（mm/s），如下图：
排气门异常 35 30 25 20 15 10 5 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 组
解得的通解为：
x Ae
pt
sin(d t )
F0 sin(t ) (k m 2 ) 2 (c) 2

第一项为其齐次方程的通解，即系统有阻尼自由振动， 由于阻尼的存在，自由振动在很短的时间内迅速消失， 称为瞬态振动。 振动的频率是自由振动频率 d

右边第二项为非齐次方程特解，是与激励力频率相同
度（mm/s）
不同转速的振动烈度
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 800 1000 1200 1400 1500 1600 1800 2100 转速（r/min）
当转速在1400r/min时，发动机的振动烈度最小，同时也验证了此 转速是发动机的最佳转速
振动烈度（mm/s）

的强迫振动，即以激励频率ω做简谐振动，振幅不随
时间衰减，为系统的稳态运动，即稳态响应。 所以由通解可知，系统的稳态位移响应为：
F0 x(t ) k
sin(t ) (1 r 2 ) 2 (2 ) 2

振动的动能T为：
1 2 1 2 T mv (t ) mx 0 cos 2 (t ) 2 2
Erms 1 1 2 2 mV rms kx rms 2 2
1 2 2 m(Vrms p 2 xrms ) 2
Vi （i=1,2，…N）,对应的位移信号
（i=1,2，…N）,对应 ai
位移有效值 X rms ，得到振动能量有效值 E rms 为
2 p k / m 代入上式得 将各自由度固有频率
1 2 E mx 0 2 p 2 2 p 2 cos 2(t ) 4




将以上分析过程运用在柴油机振动的分析上，我们都知道
柴油机振动是一个多自由度系统振动，所以我们运用上面
的方法继续分析

压电传感器测得到的振动信号
的振动速度信号为
为
X i （i=1,2，…N），可以求得速度有效值 Vrms 和
分析：在转速1600r/min保持不变，随着进气门间隙的逐渐增大，发动机 的振动烈度呈现先增大后减小的趋势 ，在进气门间隙为0.5mm时的振动 烈度最大 ，从总体上来看，进气门间隙的改变，振动烈度的变化幅度并 不是太大，所以进气门的变化对发动机振动烈度的影响不是很大。

3.不同喷油压力
在2000转每分钟时，标准供油提前角18°，标准 气门间隙进气门0.35mm，排气门0.45mm
2.不同气门间隙
在转速800r/min，供油提前角（标准）18°，喷油压
力（标准）125Mpa，在同一转速下不同气门间隙下（排气 门改变）测得的振动烈度
(1)排气门变化

将上面数据绘制成折线图，横坐标代表排气门间隙， 纵坐标代表振动烈度（mm/s），如图：
排气门变化 振动烈度分析 120
振动烈度（mm/s）

振动的势能U为：
U 1 2 1 2 2 kx (t ) kx 0 sin (t ) 2 2

系统振动能量之和 E为：
E T U 1 1 2 m(x0 ) 2 cos 2 (t ) kx 0 sin 2 (t ) 2 2
将 k p 2 m 带入上式中，得
Vrms 1 2 t dt m m/ s V T 0
T

由于我们将要分析的信号为离散型信号，所以基 于振动速度的振动烈度的计算公式为：
Vrms
v n
2 1
N
N
2.2基于振动能量的振动烈度的分析计算

源自文库
我们以单自由度振动系统在简谐激振作用下的振动能 量为基础，分析振动能量
正常情况下振动烈度值
正常情况下的振动烈度
25
振动烈度（mm/s）
25
振动烈度（mm/s）
20 15 10 5 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 组
20 15 10 5 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 组
30 25 20 15 10 5 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 组
分析：相比正常情况下，振动烈度大了一点，说明当发动机异常时，
振动烈度就会增加，从而准确判断发动机的运行状态。
部分数据的振动加速度，速度，位移的曲线图如下：
（2）排气门异常