通用小型汽油机的振动测试与分析_刘胜吉

1、333333333333333333333333333333333333333333333*来稿日期:2010-06-23*基金项目:江苏省科技厅科技成果转化项目(BA2007086参考文献1池树增.国外某厂尿素合成塔爆破事故原因初探J .中氮肥,2006(2:1113472陆晓燕.某多层包扎氮气储罐的应力分析及安全评定.设计计算,20063刘东学.用有限元法对多层高压容器筒体的弹塑性分析J .机械强度,1983(4:1134Moaveni S.有限元分析-Ansys 理论与应用M .北京:电子工业出版社,2003:2122305龚曙光,谢桂兰.ANSYS 操作命令与参数化编程M .北京:机械

2、工业出版社,2004:1721966倪栋,段进,徐久成.通用有限元分析ANSYS7.0实例精解M .北京:电子工业出版社,2003:380412通用小型汽油机的振动测试与分析*刘胜吉李志丹张振宁王建(江苏大学汽车与交通工程学院,镇江212013Vibration test and analyse of non-road spark-ignition small engineLIU Sheng-ji ,LI Zhi-dan ,ZHANG Zhen-ning ,WANG Jian(School of Automobile &Traffic Engineering ,Jiangsu Univ

3、ersity ,Zhenjiang 212013,China 文章编号:1001-3997(201104-0034-03【摘要】振动是影响通用小型汽油机可靠性、耐久性的重要指标。按照国家标准GB/T 10398推荐的试验装置要求建立了一套通用小型汽油机振动测试系统,以168F 汽油机为研究样机,分析了通用小型汽油机的结构特点及影响振动的因素;对168F 汽油机进行多工况的振动测试与分析,结果表明168F 汽油机由于采用无轴平衡方式平衡往复惯性力,整机当量振动烈度偏大,分析给出了减小振动的方法和措施。关键词:通用小型汽油机;振动;测试;振动烈度;平衡【Abstract 】Vibration is

4、 an important factor to the dependability and durability of non-road spark-ig -nition small engine.Based on the 168F gasoline engine ,build a system for the vibration test of non-road spark-ignition small engine and do a vibration test instructed by the standard GB/T 10398“Small gasoline engines -Ev

5、aluation and measurement of vibration ”.Analyse its structure and vibration factors ;Do vibration test on several work conditions and analyse the results.Test results show that the equivalent vibration inten -sity of 168F gasoline engine is big ,for there s no balance shaft to balance the reciprocat

6、ing inertia force.Explain the methods to reduce vibration.Key words :Non-road spark-ignition small engine ;Vibration ;Test ;Vibration intensity ;Balance*中图分类号:TH16文献标识码:A1引言通用小型汽油机在我国定义为30kW 以下、在欧美是指功率在19kW 以下的小型发动机。其主要用作发电、草坪花园设备、农业机械、小型工程机械及非道路用车辆的动力。近年,我国通用小型汽油机产业发展迅速,已从2000年的200多万台上升到2008年的近2000

7、万台(行业统计,中国正成为世界制造大国,年产量仅次于美国,居世界第二位。我国的产品有80%以上用于出口,市场也由东南亚转向欧美等发达国家。虽然我国的通用小型汽油机在规模、机型和产量方面已经有了长足的进步,但在发动机的性能方面和国外同类机器相比还有较大的差距。主要问题是批量生产的通用小型汽油机噪声、排放等质量指标散差较大,很难完全满足发达国家法规限值要求;汽油机振动较大,振动引起噪声增加、零部件早期损坏、整机可靠性下降已是外商关注的焦点,因此振动问题正成为继安全、排放之后,产品出口的又一技术壁垒,但是由于振动尚不是美国、欧盟等国的强制性限制指标,目前研究工作尚少、企业生产质量控制也不够。以我国产

8、量大、用途广的168F 通用小型汽油机为研究样机,组建了一套通用小型汽油机振动测试系统并对样机进行了振动测试研究,对振动测试结果进行分析,探讨此类结构机型减振的方法。2通用小型汽油机结构受力分析及振动评价方法2.1通用小型汽油机结构受力分析通用小型汽油机基本结构大多采用气缸体斜置结构,缸径小于70mm 的多采用无轴平衡机构,缸径大于70mm 的采用单轴平衡机构,按产量分缸径小于70mm 占80%以上。如图1所示,是168F 汽油机的结构简化模型和受力分析,气缸斜置25°布置,F 1为曲柄连杆机构往复运动质量产生的往复惯性力在气缸中心线上,曲轴采用过量平衡的方法,平衡块质量平衡了全部旋

9、转惯性力后仍有旋转离心力F 2,F 2在气缸中心线上的分力F 22与F 1作用产生合力F 3(M 为F 22平移所产生的力矩,F 21平移到O 点的力(M 1为F 21平移所产生的力矩与F 3所产生的合力F 即为发动机的激振力,合力F 大小随曲轴旋转周期变化,控制平衡块质量即F 2大小及气缸斜置角度都可改变激振力的峰值及变化规律。所Machinery Design &Manufacture机械设计与制造第4期2011年4月34以,对于曲柄连杆机构的平衡计算及控制平衡块质量偏差就显得很重要。在斜置角度一定时,过量平衡量多少使斜置发动机激振力最小,是汽油机减振的关键。F 1A25°

10、;F 3B O MF 22CM 1FF 21F 2W图1结构简化模型和受力分析2.2通用小型汽油机振动评价方法国家标准GB/T 10398-2008小型汽油机振动评级和测试方法规定1,通用小型汽油机振动的量标以振动烈度,即以振动速度的均方根值(有效值表示:V rms =1T乙V 2(t dt 姨(mm/s 式中:V (t 振动速度随时间变化的函数(mm/s ;T 振动周期(s 。因此试验测量汽油机当量振动烈度V s 作为振动评级的量值,它是描述汽油机振动状态的一个综合特性参数。3试验研究对象及测试条件3.1168F 汽油机主要技术参数研究对象是168F 汽油机,目前国内生产的缸径70mm 以下

11、的四冲程汽油机基本结构与168F 汽油机基本相同,有一定的代表性。168F 汽油机主要技术参数,如表1所示。表1168F 汽油机主要结构参数结构型式单缸、风冷、四冲程、手拉起动缸径×行程/mm 68×54总排量/cm 3196压缩比8:1标定功率及转速/kW/r ·min -14/36003.2试验台及测试系统Z汽油机固紧装置平板X 弹簧支座弹簧Y L 14Z 2R RSS3BXH图2汽油机振动试验台架按照国家标准GB/T 10398要求制作了通用小型汽油机振动试验专用试验平台。结构如图2所示,振动测点布置在平板的x 、y 轴上,并要求与平板中心对称,测点数为四个

12、。如图2所示中1、2、3、4为测点位置。每个测点安装有3方向的加速度传感器拾取x 、y 、z 三个方向上的振动信号,振动信号接入数字示波器,可直接读取振动速度的最大均方根值2。汽油机安装在测试平板上,汽油机曲轴中心线的投影与x 轴重合。实验时要将传感器与平板通过螺纹紧密连接;务必将各个连线接头连接牢固,试验要求传感器、电荷放大器形成的测试系统的输入阻抗必须满足测量的要求,否则会对结果造成很大影响。测试用设备及仪器,如表2所示。表2测试用设备及仪器加速度传感器CA-YD-116扬州无线电二厂电荷放大器YE5858扬州无线电二厂转速表SE-1100上海转速表厂数字示波器TDS3034C Tektr

13、onix 公司3.3试验测试工况按照国家标准GB/T 10398,通用小型汽油机振动评价是在试验平台上测试标定转速、空载运行时的振动结果,并按标准限值给出通用小型汽油机振动等级。168F 汽油机标定转速3600r/min ,考虑到我们研究分析的因素,试验时汽油机分别运行于1800、2200、2500、2800、3200、3600、4000r/min ,待运行工况稳定后分别进行各测点的振动测量。4试验结果及分析4.1当量振动烈度Vs 的计算方法将实验中测得的各个测点3个方向上的振动速度均方根值代入以下公式中,可以得到汽油机的当量振动烈度1:V s =M V 2p +I x 2姨V p =v 1x

14、 +v 2x +v 3x +v 4x442+v 1y +v 2y +v 3y +v 4y442+v 2z +v 4z442姨=v 1z+v 3z2-v 2z +v 4z244/R 式中:V p 汽油机平板系统的平动振动速度;汽油机平板系统的摆动角速度;M 汽油机平板系统质量;m 汽油机质量;I x 汽油机平板系统绕x 轴转动惯量;V ix 、V iy 、V iz 、4个测点在x 、y 、z 三个方向上的振动速度均方根值;R 测点1(或3至平板中心距离。4.2结果分析实验得到不同转速下168F 汽油机的当量振动烈度,如图3所示。随着转速的升高,汽油机当量振动烈度增大。70605040V s /(

15、m m /s 18002400300036004200n/(r/min 图3不同转速下当量振动烈度曲线原因有二:(1是往复惯性力及离心力随着转速的升高而增大,结果168F 汽油机的激振合力F ,如图1所示增大。(2是随着转速的升高,缸内空气扰动加剧,通过活塞环的漏气损失及散热损失减少,进气被加热,化油器中油气混合更加均匀,燃烧更加充分;每循环进入气缸的可燃混合气增多,燃烧放热增多,使得压缩第4期刘胜吉等:通用小型汽油机的振动测试与分析35温度、最高燃烧压力和气缸压力升高率都有所增大,曲柄连杆机构受力对机体的冲击增大,转速增加冲击频率增加,导致振动增大。发动机在2500r/min 时当量振动烈度

16、最小,为47.3mm/s 。在怠速1800r/min 时,由于汽油机低速工作循环波动大一些,与平板弹簧产生了共振,振动较大,为53.0mm/s 。国标GB/T 10398-2008小型汽油机振动评级和测试方法规定标定转速下的当量振动烈度为发动机振动大小的量标,在标定转速3600r/min 时汽油机实测当量振动烈度达到58.4mm/s ,根据国标振动品质评级,处于(45112mm/s 的C 级档,振动品质为合格级。如图46所示,测点1在x 、y 、z 三个方向上振动速度均方根值均为最大,这是因为168F 汽油机气缸为25°斜置,测点1距离气缸盖位置最近,气缸盖离汽油机固定安装底座距离最

17、远且为悬置,使得振动最为剧烈。各测点y 向振动速度均方根值比其它方向要大,是由于气缸中心线在平板上的投影在此方向,前已述及168F 汽油机采用无轴平衡方法,在曲轴的平衡块上采用过量平衡的质量块部分平衡气缸轴线方向的往复惯性力,y 向振动速度均方根值大说明过量平衡的质量值不是最优值。试验结果还表明:各测点y 向和z 向振动速度随转速变化趋势基本一致,y 、z 向对各测点的影响基本相同,x 向有差异,说明高速时振动主要是曲柄连杆机构平衡性引起。18002400300036004200n/(r/min 12341210864V x /(m m /s 图4各测点不同转速下x 向振动速度18002400

18、300036004200n/(r/min 123414121086V x /(m m /s 图5各测点不同转速下y 向振动速度18002400300036004200n/(r/min 1234V x /(m m /s 1211109876图6各测点不同转速下z 向振动速度为进一步验证168F 汽油机的振动特性,我们又对同一企业的两台168F 汽油机进行振动测试(分别标记为A 、C ,测试结果如图7所示,A 机器当量振动烈度最大,C 机器最小,如图3所示,为B 机器振动测试结果,我们把三台发动机放在水平地面上自由状态下运转,结果A 机器运转时振动大,机器在地面上任意转动最为剧烈,C 机器运转时振

19、动最小,机器在地面上任意旋转幅度较小,这与振动测试结果是一致的。上述判定振动大小也是外商采购验货常用的方法。说明该振动测试平台检测通用小型汽油机振动大小与用户使用的判定是一致的。在3600r/min 时,A 机器当量振动烈度为63.7mm/s ,C 机器为54.5mm/s ,C 机器比A 机器振动烈度数值低17%。18002400300036004200n/(r/min A B CV x /(m m /s 8070605040图7A 、B 、C 三台汽油机当量振动烈度变化曲线如表3所示,给出三台汽油机的2、3测点的试验结果,可以看出,y 方向数值都较x 、z 方向大得多,说明往复惯性力是影响发动机整机振动大小的重要因素。表33600r/min