发动机曲轴主轴承磨损对机体表面振动特性影响的仿真分析

杜灿谊，喻菲菲

（广东技术师范学院，广州 510635）

0 引言

发动机曲轴轴承作为发动机重要部件之一，承受复杂交变载荷作用，工作条件苛刻恶劣，长期运行难免出现机械磨损，使发动机产生异常振动和噪声。由于曲轴轴承位于发动机最内部，拆检困难，所以，研究不拆检方法进行有效故障诊断显得十分重要。目前，有众多学者利用机体表面振动信号，通过一系列信号处理方法进行曲轴轴承故障特征提取和诊断研究，取得很多成果[1～5]，但研究重点通常放在信号的分析处理上，而对故障引起振动信号异常的原因和机理分析较少。因此，提出利用模型仿真分析方法，获取轴承油膜压力、轴承载荷等难以测量的重要参数数据，了解故障对曲轴轴承载荷的影响，从而可从激励力变化角度分析故障对机体表面振动信号的影响，为故障特征提取研究提供更可靠的分析依据。

利用AVL EXCITE Power Unit平台，搭建发动机多体动力学仿真模型进行故障模拟分析，以见诸报道[6～8]，通过改变模型结构或性能相关参数实现故障模拟，可轻易获得故障状态下相关激励力数据和机体任意位置振动信号数据，所以，基于模型仿真分析方法可使分析范围更加广阔、分析程度更深入。

1 仿真模型设计与分析

AVL EXCITE平台专为发动机动力学建模与分析而开发，在发动机NVH分析方面有很大优势，广泛应用于结构振动和噪声分析、轴承油膜分析、曲轴动态技术等领域。

1.1 发动机动力总成模型[6]

利用EXCITE Power Unit提供的发动机机体总成、曲轴有限元模型和活塞连杆组简化体（无质量梁和质量点），通过内部多种类型的非线性耦合单元连接构成刚柔耦合的多体动力学模型，如图1所示，其中机体总成有限元模型包含缸体、缸盖、气门座、凸轮轴盖座、进排气总管、油底壳、悬置支架和变速器等；发动机外围附件视为质量点，其中包含发电机、起动机、空调压缩机和动力转向泵等，利用梁单元或刚性体单元RBE2与机机体进行连接。

EXCITE Power Unit提供多种非线性耦合单元用于部件连接，包括非线性弹簧-阻尼模型、液动滑动轴承、轴向推力轴承模型、活塞缸套导向等，并且连接单元也可进行参数设置，使模型仿真更接近实际。

另外，活塞敲击激励和配气机构激励由EXCITE配套系列软件Piston &Rings和Timing Drive建模仿真计算获得，再作为外部载荷载入Power Unit建立的动力总成模型，计算结果更加可靠。

图1 发动机动力总成模型

1.2 ENHD轴承模型分析

作为发动机重要的作用力传递部件，曲轴轴承的建模质量对计算结果影响非常大，而且为模拟轴承磨损，模型必须能提供相关间隙调整参数设置，综合考虑计算精度和效率，选用ENHD扩展液力滑动轴承模型作为发动机主轴承连接部件。ENHD模型把轴颈作刚性处理，而轴瓦作弹性处理，可考虑轴承间隙、不对中等问题，用于振动噪声分析，其精度满足要求。

实际上，曲轴轴承磨损过度后，轴承间隙增大，油膜压力发生变化，从而导致轴承载荷变化，因而引起机体表面振动信号相应变化。通过模型仿真，可得到油膜压力变化情况。ENHD模型在很大程度上简化了油膜压力的求解，计算效率较高，实际上就是基于一定假设条件下进行推导和求解Reyonlds方程[9,10]。如图2所示为轴承结构与运动参数示意图[9]，这种边界条件认为从最大间隙hmax到最小间隙hmin的整个半周油膜间隙内都有完整油膜，在油膜收敛区φ～φ +π 形成正压力，压力p＞0；在φ和φ +π 两端点位置，p=0；发散区油膜全部破裂，其压力等于某一固定值；轴瓦两端点位置，

图2 轴承结构和运动参数示意图

根据上述边界条件假设，动力滑动轴承油膜压力方程可以表示为一谐波合成表达式[9]：

实际计算时，ENHD模型将轴瓦作为缩减的一系列节点处理，轴向节点有3排，每排圆周分布24个，每个节点有X、Y和Z三个方向自由度。轴承座有与之相连的节点进行对接，轴颈上也有3个节点与轴瓦3排圆周分布的节点进行点对面的连接，如图3所示。

图3 轴承有限元节点布置

2 故障设置及轴承载荷分析

由于轴承磨损使得轴瓦与轴颈之间径向间隙增大，由式(1)可知，这将导致油膜厚度、压力等相关参数变化，最终使轴承载荷产生变化。本文通过调整主轴承ENHD模型参数，实现轴承磨损故障的模拟。

2.1 故障设置

正常状态下，发动机主轴承间隙在0.02mm～0.025mm之间，根据分析需要，把5个主轴承半径间隙数值同时设置为0.05mm、0.1mm和0.2mm，这样就可以模拟轴承磨损故障，故障程度分别为轻微、中等和严重。需要注意的是，数值设置不能太大，否则可能超出EHND模型正常计算范围，导致计算出错。

2.2 轴承载荷分析

通过仿真计算，可以获取主轴承载荷数据，由于主轴承作用力直接作用于机体而引起其振动，所以可从激励力这一本质要素着手分析机体表面振动异常的原因，因此，重点分析不同状态下的主轴承作用力情况。

如图4所示为不同状态下的各主轴承Z向轴承反力，此时发动机转速2000r/min。在各缸气体爆发时刻，与该缸相邻的两个主轴承的轴承反力达到最大值，无论正常状态还是磨损故障状态，轴承反力幅值较大段曲线变化相差不大。但在幅值较小的波谷段曲线，有较显著差异，可以看到，随着轴承间隙的增大，幅值较小区间的轴承力曲线波动显著增强。

图4 各状态下的主轴承Z向轴承反力

同样的，对于Y向轴承反力，也有相同规律，即随轴承间隙增大，轴承反力波动加剧，如图5所示。实际上，其他转速工况下的轴承反力变化情况也大致相同，这里不再列举。

图5 各状态下的主轴承Y向轴承反力

对于轴承力波动加剧的原因，是由于间隙增大，油膜厚度增大，刚度减小，对曲轴的支撑约束作用有所减弱，曲轴轴颈动态弹性力增强，经油膜作用，使轴承对机体作用力波动趋势增强；另一方面，油膜厚度增加，其动态效应也增强，油膜力波动更明显。

3 不同轴承磨损状态下机体表面振动信号分析

经上述分析，主轴承磨损导致轴承力波动加剧，再作用于机体，会对机体表面振动信号产生影响。因此，可通过机体表面振动响应信号来间接获取主轴承故障状态信息。

3.1 时域信号分析

为减少干扰，提高信号传递直接性和有效性，应选取轴承力作用点较近区域的振动信号进行分析，本文提取曲轴轴承座附近的缸体中下部位置的表面振动加速度信号。如图6所示为发动机转速2000r/min时的Y向振动加速度信号时域波形，图6(a)为正常状态，图6(b)为轴承间隙0.2mm的严重故障状态，可以看到，比起正常状态信号波形，磨损故障状态下的机体表面振动响应加速度信号更加复杂多变，频率成分更丰富。从上述分析可知，是由于轴承力的波动加剧引起的，可进一步通过频谱分析其频率成分组成。

图6 不同状态Y向振动加速度信号时域波形对比

实际上，从Z向振动加速度时域信号波形，也可看到相同规律，如图7(a)、图7(b)所示。

图7 不同状态Y向振动加速度信号时域波形对比

3.2 频谱分析

为了了解轴承力波动加剧对机体表面振动加速度信号的影响，对发动机不同状态的机体表面振动加速度信号作频谱分析，如图8所示为发动机转速2000r/min工况下的各状态频谱图。从图可知，与正常状态相比，磨损故障状态在200Hz～1000Hz附近内的低频段的振动能量有明显增强，而且随着磨损间隙增大，此频段振动能量也越大，频率成分幅值增长突出；正常状态时，此频段除主要几个阶次频率成分外，其他频率成分不突出，振动能量较小。

事实上，分析可知此变化正是由于作用于机体的主轴承反力波动加剧，致使机体表面振动加速度在200Hz～1000Hz范围内的中低频响应增强。因此，作为机体振动重要激励力的轴承反力的变化，是直接形成这一特征的原因，可作为主轴承磨损故障诊断的一个特征。

图8 不同状态Y向振动加速度信号频谱

对于Z向振动加速度信号频谱，也可得到相同规律，而且高转速时更加明显。如图9所示为发动机转速3000r/min时的正常状态和磨损故障状态的机体表面振动加速度信号频谱。可见，故障状态下200Hz～1000Hz内的中低频振动能量显著增加，故障特征明显。

图9 不同状态Z向振动加速度信号频谱

上述仿真分析结论实际上与一些文献通过实验分析得到的结论具有一致性。从文献[11]对正常状态和曲轴轴承异响的振动信号功率谱图对比可知，曲轴轴承异响振动能量在0.2kHz～1.1kHz频段有显著增长。从文献[12]对轴承磨损故障的实验数据分析可知，振动能量开300Hz以上扩散，特别是300Hz～600Hz、600Hz～900Hz频段能量增加较明显。因此，由此也可验证本文通过轴承磨损故障仿真分析的合理性。

4 结论

通过基于模型仿真的曲轴主轴承磨损故障分析，掌握了由于轴承磨损导致的轴承反力波动加剧情况，这种轴承反力的波动，作为重要激励力作用于机体引起机体表面振动信号的200Hz～1000Hz的中低频振动能量增加。因此，基于模型仿真分析方法可从激励力等多方面分析故障的表现特征，有助于故障的准确诊断。

[1]贾继德,孔凡让,李志远,等.基于时频分析的内燃机曲轴轴承磨损故障的诊断研究[J].中国科学技术大学学报,2003,39(6)：38-44.

[2]秦萍,阎兵,李辉.小波分析在柴油机滑动主轴承接触摩擦故障诊断中的应用[J].内燃机工程,2003,24(3)：56-60.

[3]张玲玲,廖红云,曹亚娟,等.基于EEMD和模糊C均值聚类算法诊断发动机曲轴轴承故障[J].内燃机学报,2011,29(4)：332-336.

[4]程利军,张英堂,李志宁,等.基于时频分析及阶比跟踪的曲轴轴承故障诊断研究[J].振动与冲击,2012,31(19)：73-78.

[5]赵慧敏,夏超英,肖云魁,等.柴油发动机曲轴轴承振动信号的双谱分析[J].振动、测试与诊断,2009,29(1)：14-18.

[6]杜灿谊,喻菲菲,曾祥坤.发动机活塞敲击故障仿真与诊断分析[J].车用发动机,2013,(2)：79-84.

[7]杜灿谊,丁康,杨志坚.基于有限元与多体动力学仿真的发动机失火故障特征提取研究[J].振动与冲击,2012,31(9)：18-23.

[8]Du Canyi,Yu Feifei.Analysis of Engine Camshaft Bearing Loosening Fault Based-on Model Simulation and Vibration Signal.Advanced Materials Research,2013,V694-697,P896-900.

[9]AVL List GmbH.Reference Manual Version 2009：Excite Power Unit Theory[M].April 2009.

[10]林琼,郝志勇,郭磊.曲轴系统多体动力与油膜动力润滑耦合的数字化仿真研究[J].内燃机工程,2007,28(3)：45-48.

[11]藏玉萍,张德江,王维正.基于小波变换技术的发动机异响故障诊断[J].机械工程学报,2009,45(6)：239-245.

[12]贾继德,张玲玲,梅检民,等.非平稳循环特征极坐标增强及其在发动机故障诊断中的应用[J].振动工程学报,2013,26(6)：960-964.