一 概述

發(fā)動機曲軸的扭轉(zhuǎn)振動是軸系振動的一個自然現(xiàn)象。如果軸系扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率落在發(fā)動機工作的常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，會引起曲軸的扭轉(zhuǎn)共振，從而引起發(fā)動機的振動和噪聲，輕則加劇發(fā)動機的振動和噪聲，重則使曲軸斷裂損壞發(fā)動機，造成嚴(yán)重事故。因此，對發(fā)動機曲軸的扭轉(zhuǎn)振動測量對于汽車行業(yè)和發(fā)動機行業(yè)都是很重要的工作。

雖然計算機輔助設(shè)計現(xiàn)在已能對發(fā)動機曲軸進(jìn)行模擬計算，但最終仍然需要對發(fā)動機的曲軸進(jìn)行實際扭振測量，并且根據(jù)測量結(jié)果，判定曲軸的扭振狀態(tài)是否可以保證發(fā)動機安全、可靠性的工作。

因此，方便、快捷、準(zhǔn)確地測量發(fā)動機曲軸的扭轉(zhuǎn)振動的儀器開發(fā)，一直是工程技術(shù)人員在不斷地追求。LMS QTV很好地實現(xiàn)了這一追求。

二 QTV的結(jié)構(gòu)原理

與SCADAS III的其它模塊相同，QTV由兩個模塊組成。其電壓輸入調(diào)理模塊，確保 100kHz的模擬信號帶寬，用于對輸入轉(zhuǎn)速信號的調(diào)理、放大或衰減，以保證其SP 90模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊正確地采集數(shù)據(jù)。過零檢測和rpm變化量的計算，則是通過一個高性能的數(shù)字信號處理器（DSP）在數(shù)字域內(nèi)實現(xiàn)。

QTV的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。它說明了QTV如何將模擬式轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為高精度、寬頻帶的rpm變化量。圖中只給出一個通道的框圖，實際上，一個QTV模塊有四個通道，能同時對旋轉(zhuǎn)件四個不同部位的扭振信號進(jìn)行測量分析。

圖1 QTV結(jié)構(gòu)原理圖

內(nèi)涵有扭振信息的轉(zhuǎn)速信號，先饋入一個帶寬很寬的模擬式調(diào)理電路，該電路可選擇適當(dāng)?shù)姆糯蠡蛩p因子。必要時，還可插入一高通濾波電路，但一般情況下，不推薦這樣做，因為會引起相位失真和不希望的瞬態(tài)響應(yīng)。抗混濾波器和24 bit 、204.8 kHz 采樣率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可保證精確采集原始的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。對原始信號作精確的數(shù)字化處理后，再由DSP作進(jìn)一步的運算處理。

首先，對ADC輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行二倍升采樣。這個過程相對簡單，利用FIR（有限沖激響應(yīng)）插值濾波器，保證運算過程非常精確。然后，對升采樣后的數(shù)據(jù)（此時的采樣間隔為2.5μs）進(jìn)行零位檢測。

圖2 內(nèi)插值方法

達(dá)到上述采樣間隔后，利用可靠、精確的拉格朗日多項式插值法（16階），再進(jìn)行32倍插值。此時，對原始轉(zhuǎn)速信號的估計，達(dá)到76ns的時間分辨率。而最初的ADC采樣率為204.8KHz（4.9ms的時間分辨率）。最后，對拉格朗日插值后的采樣信號再進(jìn)行檢測，查找其“＋”、“－”值的轉(zhuǎn)換點，并用線性插值法確定精確的過零時刻。由于最后一步的線性插值是在超高的過采樣后進(jìn)行的，可以認(rèn)為輸入數(shù)據(jù)具有極好的線性度，它有效地保證了最佳的RPM精度。仿真處理表明，理論上，QTV處理的時間分辨率等效于工作在幾個GHz的計數(shù)器。

三 扭振傳感器

在以往的扭振測量中，常常使用齒盤和磁電傳感器作為扭振傳感器。其缺點是不同發(fā)動機要加工不同齒盤，通用性差。其次，一般齒盤是鐵質(zhì)，且直徑較大，其質(zhì)量往往不能忽略，軸系附加了一定質(zhì)量，從而使軸系的固有頻率降低，給測量帶來了誤差。

為了克服上述缺點，我們采用長春第一光學(xué)有限公司生產(chǎn)的ZKT-56A-120B-G12E型光電編碼器。該光電編碼器每轉(zhuǎn)輸出120個脈沖，采用通孔形式，用鍵槽固定。整個編碼器的質(zhì)量《0.1kg。為了與曲軸前端連接，采用一個兩端螺紋的螺栓，一端直接與曲軸螺紋孔相連，另一端用于固定光電編碼器，因此在現(xiàn)場安裝非常方便。

圖3 光電編碼器安裝圖

由于光柵采用光刻技術(shù)，能保證絕對角度誤差≤0.2T，周期誤差≤0.05T，能保證測量精度。

四 試驗信號檢測

1 光電編碼器的輸出（A，B路任一個）一路接至LMS310的轉(zhuǎn)速輸入通道作為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號，另一路接至QTV作為扭振輸入信號。設(shè)定頻率范圍0-1024Hz。

2 發(fā)動機運轉(zhuǎn)，當(dāng)油溫和水溫正常后，在全負(fù)荷狀態(tài)下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速均勻地從1000r/min升至額定轉(zhuǎn)速。記錄下全過程的數(shù)據(jù)。

3 后處理，繪制發(fā)動機扭振的彩圖和階次圖，并確定共振頻率。

五 利用LMS QTV進(jìn)行扭振測量的優(yōu)點

1 LMS QTV把扭振測量與分析融合成一體，可以方便地在現(xiàn)場對測量信號進(jìn)行分析處理。

2 利用發(fā)動機的扭振彩圖，可以清楚地判定曲軸的共振頻率。

3 利用發(fā)動機扭振階次圖可以清楚地判定曲軸的共振階次，共振振幅。

4 QTV采用拉格朗日插值法，能保證測量結(jié)果的高精度。

六 案例分析

圖4 某四缸機曲軸扭振彩圖

圖5 共振頻率下的階次圖

圖6 階次跟蹤圖

圖7 階次跟蹤圖

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