基于小波變換和角度域分析的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門機(jī)構(gòu)異響排查
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小波變換作為一種新的數(shù)學(xué)理論和方法，已得到了廣泛的應(yīng)用。尤其近年來在振動(dòng)信號(hào)分析、故障診斷等領(lǐng)域得到了愈來愈多的重視。但是介紹小波變換理論的文獻(xiàn)資料往往都基于比較高深的泛函分析、測度空間等數(shù)學(xué)理論，給廣大工程技術(shù)人員帶來理解方面的困難。本文從工程的角度出發(fā)，結(jié)合案例對小波變換在非平穩(wěn)信號(hào)分析中起到的作用進(jìn)行闡述。
角度域分析是將信號(hào)與參考旋轉(zhuǎn)角度相關(guān)聯(lián)，完成時(shí)域信號(hào)到角度域信號(hào)的轉(zhuǎn)換，根據(jù)系統(tǒng)周期特性對角度域數(shù)據(jù)進(jìn)行對應(yīng)。本文通過對某缸蓋異常敲擊振動(dòng)和異響采用角度域分析，并與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角進(jìn)行對應(yīng)分析，從而精確找出異響產(chǎn)生的根源部位。
1 小波變換
在很多故障問題中，有時(shí)需特別關(guān)心的是信號(hào)在局部范圍內(nèi)的時(shí)域特征，例如缸蓋敲擊異響是在什么時(shí)間發(fā)生的，這種分析對時(shí)域分辨率要求很高，對頻域分辨率要求低，而信號(hào)中高頻部分對應(yīng)時(shí)域中的快變成分，低頻成分對應(yīng)時(shí)域中慢變成分。由于針對類似特定的問題分析時(shí)往往在要求高的時(shí)域分辨率同時(shí)，也需要滿足一定的頻率分辨率，使得對信號(hào)分析需要時(shí)必須權(quán)衡時(shí)域和頻域二者分辨率的選取。信號(hào)分析中最常用的傅里葉變換，其實(shí)質(zhì)是把一個(gè)任意波形用一系列不同頻率的正弦波來表示，它不能有效分析局部信號(hào)，不具備精確的時(shí)間局部化分析的能力；短時(shí)傅里葉變換是典型的時(shí)頻分析方法，它具備時(shí)頻局部化分析的特點(diǎn)，但是其時(shí)間和頻率分辨率都是確定不變，不能敏感地反映信號(hào)的突變，因此不能很好地刻畫突變的信息；小波變換具備很好的時(shí)間局部性和變化的時(shí)頻分辨率，因此滿足了很多非平穩(wěn)信號(hào)需要多分辨率的時(shí)頻局部化的分析要求。三種方式分析都具有統(tǒng)一內(nèi)積運(yùn)算形式，不同點(diǎn)體現(xiàn)在基函數(shù)的差異，圖1列舉三種變換方式基函數(shù)示意圖。
圖1 三種變換基函數(shù)示意圖
2 某型發(fā)動(dòng)機(jī)“嗒嗒”異響信號(hào)的分析
發(fā)動(dòng)機(jī)氣門機(jī)構(gòu)是復(fù)雜旋轉(zhuǎn)機(jī)械的系統(tǒng)，其受到的激勵(lì)以及響應(yīng)非常復(fù)雜，并且非線性極強(qiáng)，使得對缸蓋表面拾取的振動(dòng)和噪聲信號(hào)信噪比很低，采用傳統(tǒng)的傅里葉變換很難去除背景噪聲頻率，導(dǎo)致過多地掩蓋振動(dòng)噪聲信號(hào)中的時(shí)變規(guī)律，很難準(zhǔn)確提取氣門機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的信息。本文針對某缸蓋系統(tǒng)嗒嗒異響進(jìn)行小波處理，準(zhǔn)確提取異響的振動(dòng)和噪聲特征，并在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角角度域中對異響進(jìn)行準(zhǔn)確定義故障點(diǎn)。
2.1 小波分析對異響信號(hào)的提取
在對某整車NVH主觀評價(jià)過程中，評價(jià)人員感覺在車內(nèi)有輕微間隔性的“嗒嗒”異響，此異響發(fā)生節(jié)奏很有規(guī)律，很容易引起客戶感知和抱怨。通過進(jìn)一步主觀判斷，該“嗒嗒”異響來自于發(fā)動(dòng)機(jī)上部；為進(jìn)一步調(diào)查該“嗒嗒“異響產(chǎn)生的原因，將異響發(fā)動(dòng)機(jī)從上整車拆除后在消聲室中對該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測試分析。對缸蓋頂部近場的噪聲測試，通過對噪聲測試信號(hào)的常規(guī)傅里葉變換頻譜分析和小波分析對比，如下圖2至圖4。明顯看出圖3中常規(guī)頻譜分析所得到的頻譜圖上沒有呈現(xiàn)出與主觀回放相對應(yīng)的間隔性敲擊異響，而圖4中小波分析圖譜上則很規(guī)律地呈現(xiàn)了間隔性的敲擊信號(hào)。經(jīng)小波分析后回放試聽，確定該異響在怠速760r/min時(shí)發(fā)生的頻次為6次/1s，即曲軸旋轉(zhuǎn)2次異響發(fā)生一次，主要頻段集中在2300-3700Hz。經(jīng)與時(shí)域數(shù)據(jù)對應(yīng)，小波分析圖譜與時(shí)域數(shù)據(jù)中敲擊時(shí)刻有很好的對應(yīng)關(guān)系。
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