一、 前言
振動分析法便是藉由正常運轉與異常時振動的變化找出故障的振動的特征。機械系統(tǒng)經(jīng)過長時間使用后會產(chǎn)生過度的振動，通常是與機械的異常及故障有關。事實上機械振動的改變可用于故障、過度磨損或結構損壞等的預測上。目前工業(yè)界常使用的非破壞性檢測方式如超音波、紫外線、磁粉探傷、渦電流檢測等方法已行之多年，它們能夠精確有效地找出旋轉元件上的缺陷如軸及葉片裂痕，但這種離線(offline)檢驗方式的缺點是機械必須在完全靜止的情況下才能實施。若要對旋轉機械的運轉有更完整的掌控，則需要能即時線上偵測(on-line detection)。本研究目的即在發(fā)展由引擎運轉時量測的振動信號偵測引擎故障的技術。引擎正常時在怠速為穩(wěn)定運轉，但當某些異常情形發(fā)生時會造成引擎運轉的不穩(wěn)定。若將此不穩(wěn)定的振動信號利用傳統(tǒng)的傅立葉轉換頻譜分析，會造成頻譜泄漏且振動特征頻率模糊而不易辨別。
一般動態(tài)信號的二維表式法采用時-頻分析技術并且廣泛用于旋轉機械的故障診斷上，另一方面亦用于醫(yī)學工程上。本研究采用短時間傅立葉轉換(Short Time Fourier Transform)的時-頻分析法[5]，探討引擎振動信號與故障間的關系并予以解釋。本文第一部份描述引擎產(chǎn)生的振動信號，第二部份則是描述時-頻分析的原理，最后部份則是以中華三菱菱帥(Lancer)汽車實車測試，于怠速運轉下以時-頻分析正常運轉與異常時的振動信號以找出故障時振動的特征。
二、引擎的振動信號
引擎中主要活動零件上所受的力包含三種：氣體壓力、往復運動部份的慣性力及轉動部份上的慣性力與離心力。若引擎為低轉速時氣體壓力為最主要之作用力，但當轉速增高時，慣性力及離心力則變?yōu)橹匾?。氣體壓力產(chǎn)生的曲軸瞬間扭矩與角度的關系式為：
方程式(3)為引擎動態(tài)系統(tǒng)的輸入，若假設h(θ)為動態(tài)系統(tǒng)的脈沖響應函數(shù)（可由模態(tài)測試求得），則引擎動態(tài)系統(tǒng)的輸出可利用疊積(convolution)求出 ，因此可由此方法來估計引擎產(chǎn)生的振動信號。由于轉動角度θ=ω×t，因此由上述可得知引擎的振動與曲軸轉速間的關系。
因為本研究中實驗車輛為四行程四缸的引擎，動力間隔為180°，即曲軸轉2圈會產(chǎn)生四次動力。這意謂著曲軸轉一圈由方程式(1)中的sinθ項會出現(xiàn)兩次，即為二階次的振動（曲軸轉速的二倍頻）。因為曲軸轉一圈有兩缸產(chǎn)生動力，故方程式中sin2θ會出現(xiàn)四階次振動。因此四缸四行程引擎的振動主要分布為二階次及四階次。這可由本次實驗車輛的轉速位于840rpm，而振動信號主要分布在14Hz(轉速，即一階次)、28Hz(二階次)、56Hz(四階次)，其中一階次振動系因轉動件配重不平衡所導致。
三、時-頻分析原理
時域信號經(jīng)由傅立葉轉換可得到頻譜分布，但是對于不穩(wěn)定的時間信號而言僅可保有頻率域的資訊，但某一時間點的頻率分量則無法得知。時-頻分析采用所謂的短時間傅立葉轉換，則是將不穩(wěn)定的時域信號分為許多區(qū)段，并乘上相同長度的視窗[本研究采用4096點的漢寧(Hanning Window)視窗]，經(jīng)由傅立葉轉換再映射成時間－頻率的二維函數(shù)。其中每一段信號的時頻轉換(Spectrogram)如下式所示：
四、實驗設備
實驗使用三菱菱帥(Lancer)，排氣量1600㏄，電腦控制噴射，橫置式線列四缸四行程之電子點火引擎。其基本設定為點火正時于上死點前10°點火，火星塞間隙0.9mm。實驗時引擎在正常運轉及各種故障測試時皆將排檔桿置于P檔，引擎為怠速(即氣門關閉)無負載狀態(tài)下的定速運轉。使用DYTRAN Model 3136A型加速度規(guī)(加速度規(guī)1)于活塞沖擊面量測引擎的橫向振動，及Model 3031BG型加速度規(guī)(加速度規(guī)2)量測引擎曲軸軸向振動。由于引擎長時間運轉后汽缸表面溫度極高，經(jīng)由Fluke 78量測會超過加速規(guī)之最大工作溫度250℉。為了防止加速度規(guī)損壞，本實驗于加速規(guī)底座裝設有電木用于隔熱，振動量測位置如圖一所示。四、實驗設備
實驗使用三菱菱帥(Lancer)，排氣量1600㏄，電腦控制噴射，橫置式線列四缸四行程之電子點火引擎。其基本設定為點火正時于上死點前10°點火，火星塞間隙0.9mm。實驗時引擎在正常運轉及各種故障測試時皆將排檔桿置于P檔，引擎為怠速(即氣門關閉)無負載狀態(tài)下的定速運轉。使用DYTRAN Model 3136A型加速度規(guī)(加速度規(guī)1)于活塞沖擊面量測引擎的橫向振動，及Model 3031BG型加速度規(guī)(加速度規(guī)2)量測引擎曲軸軸向振動。由于引擎長時間運轉后汽缸表面溫度極高，經(jīng)由Fluke 78量測會超過加速規(guī)之最大工作溫度250℉。為了防止加速度規(guī)損壞，本實驗于加速規(guī)底座裝設有電木用于隔熱，振動量測位置如圖一所示。
加速度規(guī)1：量測引擎橫向振動信號
加速度規(guī)2：量測引擎軸向振動信號
五、信號分析與結果討論
本實驗的信號取系統(tǒng)采用SIGLAB (DSPT20-42)，取樣頻率設為2560Hz，分析點數(shù)為163,840點。取的信號經(jīng)過反假象過濾波器，而轉速觸發(fā)利用凸輪軸上死點(TDC)傳感器信號的9%位準。如圖2所示上圖為傳感器時間域的方波訊號，下圖為頻率域訊號；因為凸輪軸轉速為曲軸轉速的兩倍，故第一峰值為點火的頻率(7Hz)、第二峰值為轉速的頻率(14Hz)。
經(jīng)由研究[10，11]中可知引擎之橫向振動較為敏感，因此以下之分析皆以橫向振動為主。
由圖三可看出引擎振動與曲軸(引擎)轉速有關。引擎中的曲柄-活塞-連桿機構，雖然于曲軸有加配重，但只能平衡上下的激振，并會引發(fā)橫向振動的增加。故在引擎運轉時會造成動態(tài)不平衡，此不平衡力會造成與曲軸轉速相同頻率的激振。此周期性的激振會顯現(xiàn)在頻譜中轉速的頻率及其他整數(shù)的倍頻上。
因四缸引擎曲軸每旋轉兩轉就有四次的點火，也就是說曲軸每轉就會產(chǎn)生二次的激振(氣體壓力造成引擎扭矩與活塞慣性力)，而產(chǎn)生二階振動。此周期性的激振會顯現(xiàn)在頻譜中轉速的偶倍頻率上。由上述的解釋可印證圖三之時-頻分布圖的特征位于1、2、4階次，且由圖中可知此時引擎的轉速在某一范圍內穩(wěn)定運轉。
接下的研究以引擎常見的異常振動現(xiàn)象加以分析：
引擎的噴油嘴有問題時，將造成噴射不良使某缸的氣體壓力變小，故壓縮壓力推動活塞至曲軸扭矩會變小而造成動力不平衡。圖四所示為第4缸噴油嘴故障引發(fā)的引擎振動現(xiàn)象。而高振動能量集中于特征頻率在0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5等轉速的倍數(shù)頻率，此振動信號隨時間的變化并不很大屬于較穩(wěn)定的信號。此動力不平衡的振動特征為曲軸轉二圈時，曲軸輸出扭矩有三個缸為大輸出，而噴油嘴故障缸則為較小或沒有動力輸出，這可解釋振動除含有正常運轉時主要的1、2、4階次振動，另含有曲軸轉速1.5倍頻及0.5倍頻。至于2.5、3.5、4.5等倍頻則是頻率為0.5倍頻之周期性振動所具有之頻率分布。
(CASE2) 單缸火星塞積碳或電極磨損
(1)第1缸火星塞間隙積碳變?yōu)?/SPAN>0.2mm：
引擎經(jīng)過長時間使用后，火星塞表面積碳使間隙變?yōu)?/SPAN>0.2mm，此時可發(fā)現(xiàn)引擎振動有異常的現(xiàn)象。由圖五利用時-頻分析引擎振動的能量分布，可得知A區(qū)(轉速的0.5至2倍頻)的振動能量有模糊現(xiàn)象，而位于B區(qū)(轉速的4倍頻處)亦有能量模糊現(xiàn)象。由此可發(fā)現(xiàn)第1缸為部份燃燒導致引擎動態(tài)不平衡，與圖四比對頻譜的峰值較小。由于簡諧頻率在多處有峰值，因此這類故障時引擎為不穩(wěn)定運轉。
(2)第1缸火星塞間隙積碳變?yōu)?/SPAN>0.5mm：
當火星塞間隙為0.5mm，因間隙小故跳火電壓較小，而缸壓大易造成燃燒速度變慢，形成單缸的最大燃燒壓力產(chǎn)生動力的延遲。圖六中之時-頻分析與圖三的正常運轉比較可發(fā)現(xiàn)振動能量會出現(xiàn)于轉速的2至4倍頻區(qū)間中，而2階振動值也會降低。
(3)第1缸火星塞間隙積碳變?yōu)?/SPAN>0.7mm：
在此則是探討定量的問題，當火星塞故障間隙為0.7mm，此間隙比廠家(0.9-1.1mm)規(guī)定小。此時火星塞的跳火電壓稍微減弱但其燃燒速度與廠家規(guī)定的間隙產(chǎn)生的差異并不大，故引擎的振動情況與圖三正常時相似。如圖七所示，主要的振動時-頻特征與正常之差異為在轉速的1至2倍頻之間有振動能量散布以及6階次的振動能量降低。
此案例探討當?shù)?/SPAN>1缸火星塞電極磨損后對引擎振動的影響，其振動如圖八所示之時-頻圖中有A、B、C三個區(qū)域沒有振動能量分布。而B與C區(qū)并無振動能量出現(xiàn)主要是此故障現(xiàn)象的汽缸中燃燒與慣性力產(chǎn)生的振動特征在轉速的2至4與4至6倍頻處較為平衡。圖中A區(qū)域在轉速的1倍頻其振動之能量亦減少許多。
(CASE3) 發(fā)電機皮帶松動：
發(fā)電機驅動皮帶為連接引擎曲軸與發(fā)電機，故發(fā)電機轉動速度與曲軸相同。其傳動方向為引擎的橫向亦即為壓縮與動力沖擊面，就旋轉機器而言皮帶松動故障的振動頻率應為皮帶轉速的1、2、3、4倍。
主要的振動特征為轉速的1至2倍頻之間有振動能量散布且6階次的振動能量也很明顯，另外振動信號呈現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。
(CASE4) 點火正時錯誤
(1)點火提前為15°：
點火正時是引擎正常運轉的一項重要條件，因為最大動力輸出系依賴于產(chǎn)生最大燃燒氣體壓力時活塞的位置。因此理想的正時是活塞在上死點前約10°為最佳可產(chǎn)生最大動力。若點火提前太多，除了降低引擎的輸出馬力外，亦容易造成爆震。因為正時過早會提高燃燒室內的最高壓力與溫度，而使尾氣承受過高的壓力、溫度而造成爆震。
點火提前為15度時，頻譜中的峰值有分頻(sub-harmonic)的產(chǎn)生。轉速的2倍頻峰值增大超過0.01(m/s2)，這是因為引擎燃燒的循環(huán)變化在某些循環(huán)中產(chǎn)生了爆震現(xiàn)象。另6階次沒有出現(xiàn)振動能量的分布。
(2)點火提前為0°：
若點火正時過晚，則除了損失馬力外引擎也會有過熱的傾向，因為爆發(fā)壓力最高時，溫度也最高。如果活塞在產(chǎn)生最高溫時已向下運動則大量的汽缸壁曝露于高溫中，會造成冷卻系統(tǒng)吸收過多熱量而導致引擎過熱。當點火提前于0°時，引擎振動時-頻分布如圖十一所示，并未產(chǎn)生爆震現(xiàn)象只是點火時間延后與廠家規(guī)范(上死點前10°)有差異。其引擎內部的燃燒壓力較提前過多時為小且內部扭力變化較小，這是因為多缸引擎的各缸操作于不同的平均有效壓力。以四行程而言，此缸對于缸的變化(cylinder-cylinder variations)可得到速度與扭力變化，其一般發(fā)生于轉速的倍數(shù)上，而二倍頻產(chǎn)生的振動比圖三正常運轉小。
(CASE5) 四缸火星塞表面皆異常時
(1)四缸火星塞的表面有油污：
若燃燒不完全時，容易造成火星塞電極表面有未燃燒的殘留油污，會造成某一缸的間歇性失火。如圖十二所示引擎振動之時-頻分析，特征頻率主要分布為1階及2階，4倍頻以上并沒有振動能量出現(xiàn)。從其頻譜上在轉速頻率附近有相當多散亂的峰值出現(xiàn)，主要是燃燒的不規(guī)則造成轉速不穩(wěn)定所產(chǎn)生。
(2) 四缸火星塞的間隙為0.64mm：
火星塞間隙變小，使點火電壓變小，使燃燒速度變慢造成動態(tài)不平衡。圖十三所示的頻譜特征為峰值分布于0.5、1、1.5、2、2.5等成0.5倍頻的位置。此圖出現(xiàn)之特征現(xiàn)象與圖四噴油嘴失效很類似，僅6階的振動能量較小。
(3)四缸火星塞的間隙為1.27mm：
若四缸火星塞磨損間隙變?yōu)?/SPAN>1.27mm時，其引擎振動之時-頻分析如圖十二所示，位于圖中A、B、C三區(qū)中并沒有振動的能量發(fā)生。僅轉速的2倍頻及2倍頻振動較明顯。
六、結論
引擎故障常導致振動量的增加，本研究利用時-頻分析可得到變動的振動于各時間點的頻率與能量分布圖，可改善傳統(tǒng)傅立葉轉換分析引擎故障時的振動信號頻率模糊現(xiàn)象。由時-頻分析結果可得到引擎復雜的機構各類故障所產(chǎn)生的振動特征圖譜，并可適當?shù)慕忉屍浒l(fā)生的原因。此振動特征圖譜可應用于車輛故障的偵測，以及未來配合類神經(jīng)網(wǎng)路或模糊理論應用于智慧型車輛上的專家診斷系統(tǒng)。后繼研究則可探討(1)各類故障對不同車款及車種其時-頻振動特征圖譜的變異，(2)時-頻振動征圖譜應用于各類故障其故障程度大小的判定。
（轉載）
