CN104198031B - 一种发动机曲轴扭振信号检测方法及装置 - Google Patents

一种发动机曲轴扭振信号检测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明是一种发动机曲轴扭振信号检测方法及装置，包括采集发动机曲轴前端旋转脉冲信号，将采集所得旋转脉冲信号转换为转速信号和角速度信号，然后提取角速度信号的高频分量，将其进行逐点积分，将积分所得高频时域信号利用快速傅立叶逐点变换成频域信号，最后发动机三维扭振数据生成模块将各均分信号Qk的转速信号nk和角位移频域信号Yk顺序输入到三维坐标系中，可以得到横坐标、左纵坐标和右纵坐标分别为发动机扭振频率、幅值和转速相关的三维发动机扭振数据。本发明采用组合式设计，安装方便，不受发动机及外界振动影响，可靠性好，测量精度高，分析计算方便，适应性较强，重量轻，便携性强。

Description

一种发动机曲轴扭振信号检测方法及装置
技术领域
本发明属于发动机测试领域，具体涉及一种发动机曲轴扭振信号检测方法及装置。
背景技术
目前，发动机扭振测量多采用激光多普勒扭振仪和磁电传感器，激光多普勒扭振仪对发动机台架的振动较敏感,且设备体积巨大，只能在发动机台架使用，不适合便携工作，且成本较高，如果台架振动大则无法得到稳定的信号。磁电传感器测试需要针对不同的机型加工信号采集盘，适应性较差，且对测试距离和安装位置要求很高，测试距离偏大或偏小，安装位置有振动，都无法得到稳定有效的扭振信号。
上述测试方法因其存在以上缺陷，不适用于发动机曲轴扭振信号的采集。因此如何创造一种结构简单,安装方便，成本较低，且可得到发动机曲轴实时扭振数据的方法及装置是业界迫切需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发动机曲轴扭振信号检测方法及装置,用于实时采集并计算发动机曲轴扭振数据。
本发明的技术方案如下：
本发明的一种发动机曲轴扭振信号检测方法包括以下步骤：
1)通过信号采集机构的编码器采集发动机曲轴前端时间为T的旋转脉冲信号Q，T是R的整数倍，并将该信号均分成每段时间为R的脉冲信号
2)将均分脉冲信号Qk转化成转速信号nk和角速度信号ωk，根据以下公式得到：其中Nk为分段脉冲信号Qk中的脉冲数，A为编码器每转脉冲数,R为分辨率；
3)将角速度信号ωk进行高通5Hz滤波处理提取其高频分量信号；
4)将角速度信号的高频分量进行逐点积分得到角位移信号
根据以下公式可得：其中R为分辨率；
5)将积分所得高频时域角位移信号利用快速傅立叶逐点变换成频域信号，根据以下公式可得：
其中L为信号的数量，R为分辨率；
6)将各均分信号Qk的转速信号nk和角位移频域信号Yk顺序输入到三维坐标系中，可以得到横坐标、左纵坐标和右纵坐标分别为发动机扭振频率、幅值和转速相关的三维发动机扭振数据。
所述分辨率R的要求将信号Q均分成每段时间为R的信号Qk，其中R为分辨率，取1或2，单位为秒。
所述的编码器采用轴式增量式旋转编码器，每转脉冲输出个数A＝60～1000。
所述的步骤4)中t＝0.001～0.0001秒。
本发明的一种发动机曲轴扭振信号检测装置包括安装在发动机曲轴减振器前端的发动机曲轴扭振信号采集机构和与之连接的信号分析处理系统，信号分析处理系统包括信号均分模块、转速信号生成模块、角速度信号生成模块、高通滤波模块、角位移信号积分模块、傅立叶变换模块和发动机三维扭振数据生成模块；信号均分模块、角速度信号生成模块、高通滤波模块、角位移信号积分模块、傅立叶变换模块依次连接，转速信号生成模块和傅立叶变换模块连接到发动机三维扭振数据生成模块。
所述的信号均分模块：是将信号采集机构采集的发动机曲轴前端时间为T的旋转脉冲信号Q均分成每段时间为R的脉冲信号，T是R的整数倍；
转速信号生成模块：根据以公式得到转速信号nk，其中Nk为分段脉冲信号Qk中的脉冲数，A为编码器每转脉冲数,R为分辨率；
角速度信号生成模块：根据以公式得到角速度信号，其中Nk为分段脉冲信号Qk中的脉冲数，A为编码器每转脉冲数,R为分辨率；
角位移信号积分模块：根据以下公式可得：将角速度信号的高频分量进行逐点积分得到角位移信号其中R为分辨率；
傅立叶变换模块：将积分所得高频时域角位移信号利用快速傅立叶逐点变换成频域信号，根据以下公式可得：
其中L为信号的数量，R为分辨率；
发动机三维扭振数据生成模块：将各均分信号Qk的转速信号nk和角位移频域信号Yk顺序输入到三维坐标系中，可以得到横坐标、左纵坐标和右纵坐标分别为发动机扭振频率、幅值和转速相关的三维发动机扭振数据。
所述的发动机曲轴扭振信号采集机构包括信号采集单元和支撑单元，信号采集单元的编码器安装在支撑壳体顶部，编码器轴通过联轴器与旋转轴连接，旋转轴上的轴法兰与连接在适配器上的过渡法兰连接，编码器轴和联轴器置于支撑壳体中，编码器轴穿过支撑壳体顶部的孔，支撑壳体顶部与支撑单元连接，支撑壳体的下部通过轴承与旋转轴连接；支撑单元包括与支撑壳体顶部连接的横向支撑杆和与横向支撑杆另一端连接的立架，立架的下部连接在缸体上。
所述的横向支撑杆包括前部半圆弧叉和根部的调节螺杆，半圆弧叉与支撑壳体的顶部连接，调节螺杆穿在立架上的连接孔中，通过螺母与立架连接；所述的立架上的连接孔是竖直方向的长孔。
所述的编码器采用轴式增量式旋转编码器，每转脉冲输出个数A＝60～1000。
所述支撑壳体周围成圆筒式结构，侧面开有3个大U型安装窗口。
本发明的优点：本发明采用组合式设计，结构简单,安装方便，不受发动机及外界振动影响，可靠性好，测量精度高，分析计算方便，适应性较强，重量轻，便携性强。
附图说明
图1为本发明装置的总体框图。
图2为本发明方法步骤1)中的均匀分段信号图。
图3为本发明方法步骤2)中的发动机曲轴转速信号图。
图4为本发明方法步骤2)中的发动机曲轴角速度信号图。
图5为本发明方法步骤3)中的发动机曲轴角速度信号高频分量图。
图6为本发明方法步骤4)中的发动机曲轴角位移信号图。
图7为本发明方法步骤5)中的发动机曲轴角位移信号频谱图。
图8为本发明方法步骤6)中的发动机曲轴扭振信号三维瀑布图。
图9为发动机曲轴扭振信号采集机构的总体结构示意图。
图10为发动机曲轴扭振信号采集机构的信号采集单元爆炸示意图。
图11为发动机曲轴扭振信号采集机构的支撑单元横向支撑杆示意图。
图12为发动机曲轴扭振信号采集机构的支撑单元立架示意图。
图13为发动机曲轴扭振信号采集机构的支撑单元横向支撑杆与支撑壳体安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实例作进一步描述。本发明的一种发动机曲轴扭振信号检测方法，其特征包括以下步骤：
1)通过信号采集机构的编码器采集发动机曲轴前端时间为T的旋转脉冲信号Q，T是R的整数倍，并将该信号均分成每段时间为R的脉冲信号如图2；
2)将均分脉冲信号Qk转化成转速信号nk和角速度信号ωk根据以下公式得到：其中Nk为分段脉冲信号Qk中的脉冲数，A为编码器每转脉冲数,R为分辨率；如图3、图4；
3)将角速度信号ωk进行高通5Hz滤波处理提取其高频分量信号；如图5；
4)将角速度信号ωk的高频分量进行逐点积分得到角位移信号
根据以下公式可得：其中R为分辨率；如图6；
5)将积分所得高频时域角位移信号利用快速傅立叶逐点变换成频域信号，根据以下公式可得：
其中L为信号的数量，R为分辨率；如图7；
6)将各均分信号Qk的转速信号nk和角位移频域信号Yk顺序输入到三维坐标系中，可以得到横坐标、左纵坐标和右纵坐标分别为发动机扭振频率、幅值和转速相关的三维发动机扭振数据；如图8。
所述分辨率R的要求将信号Q均分成每段时间为R的信号Qk，其中R为分辨率，取1或2，单位为秒。
所述的编码器采用轴式增量式旋转编码器，每转脉冲输出个数A＝60～1000。
所述的步骤4)中t＝0.001～0.0001秒。
下面结合附图对本发明提供的装置实例作进一步描述。
图1为本发明装置的总体框图：本发明的一种发动机曲轴扭振信号检测装置包括安装在发动机曲轴减振器前端的发动机曲轴扭振信号采集机构和与之连接的信号分析处理系统，信号分析处理系统包括信号均分模块、转速信号生成模块、角速度信号生成模块、高通滤波模块、角位移信号积分模块、傅立叶变换模块和发动机三维扭振数据生成模块；信号均分模块、角速度信号生成模块、高通滤波模块、角位移信号积分模块、傅立叶变换模块依次连接，转速信号生成模块和傅立叶变换模块连接到发动机三维扭振数据生成模块。
所述的信号均分模块：是将信号采集机构采集的发动机曲轴前端时间为T的旋转脉冲信号Q均分成每段时间为R的脉冲信号，T是R的整数倍；
转速信号生成模块：根据以公式得到转速信号其中Nk为分段脉冲信号Qk中的脉冲数，A为编码器每转脉冲数,R为分辨率；
角速度信号生成模块：根据以公式得到角速度信号，其中Nk为分段脉冲信号Qk中的脉冲数，A为编码器每转脉冲数,R为分辨率；
角位移信号积分模块：根据以下公式可得：将角速度信号ωk的高频分量进行逐点积分得到角位移信号其中R为分辨率；
傅立叶变换模块：将积分所得高频时域角位移信号利用快速傅立叶逐点变换成频域信号，根据以下公式可得：
其中L为信号的数量，R为分辨率；
发动机三维扭振数据生成模块：将各均分信号的转速信号和角位移频域信号Yk顺序输入到三维坐标系中，可以得到横坐标、左纵坐标和右纵坐标分别为发动机扭振频率、幅值和转速相关的三维发动机扭振数据。
如图9、图10、图11、图12、图13：
所述的发动机曲轴扭振信号采集机构包括信号采集单元1和支撑单元4，信号采集单元1的编码器1a安装在支撑壳体1c顶部1c1，编码器轴1a1通过联轴器1b与旋转轴1e连接，旋转轴1e上的轴法兰1f与连接在适配器5上的过渡法兰6连接，编码器轴1a1和联轴器1b置于支撑壳体1c中，编码器轴1a1穿过支撑壳体1c顶部1c1的孔，支撑壳体1c顶部1c1与支撑单元4连接，支撑壳体1c的下部通过轴承1d与旋转轴1e连接；支撑单元4包括与支撑壳体1c顶部1c1连接的横向支撑杆4a和与横向支撑杆4a另一端连接的立架4b，立架4b的下部连接在缸体上。过渡法兰6通过发动机曲轴减振器3前端的皮带轮2定位与适配器5连接，固定在发动机曲轴前端。
所述的横向支撑杆4a包括前部半圆弧叉4a1和根部的调节螺杆4a2，半圆弧叉4a1与支撑壳体1c的顶部1c1连接，调节螺杆4a2穿在立架4b上的连接孔4b1中，通过螺母与立架4b连接；所述的立架4b上的连接孔4b1是竖直方向的长孔。
所述的编码器1a采用轴式增量式旋转编码器，每转脉冲输出个数A＝60～1000。
如图12，所述的立架4b上的连接孔4b1是竖直方向的长孔。
如图10，所述支撑壳体1c周围成圆筒式结构，侧面开有3个大U型安装窗口1c2，方便编码器轴1a1、联轴器1b与旋转轴1e三者连接。U型安装窗口1c2可根据不同的发动机减振器3以及支撑单元4的安装螺纹孔进行安装调节，可保证支撑壳体1c在发动机曲轴扭振测试中不会随发动机曲轴旋转，可保证信号采集精度。
所述旋转轴1e设计成阶梯结构，前端为联轴器1b的连接位置，中部为轴承1d安装位置，后端是过渡法兰6的安装位置。轴承1d承载编码器1a和支撑壳体1c的重量，可延长编码器轴承的寿命，保证信号采集单元的可靠性。信号采集单元1装配顺序是先将轴承1d外圈和支撑壳体1c转配在一起，再将轴承1d内圈和旋转轴1e过盈配合，然后在旋转轴1e上套上联轴器1b，将编码器1a与支撑壳体1c上部连接，最后通过支撑壳体1c上的大U型安装窗口1c2紧固编码器轴1a1、联轴器1b和旋转轴1e，装配完成后即可进行发动机扭振信号采集。信号采集单元1可作为一个整体进行信号采集，在对不同发动机机型进行扭振信号采集时不需要再次组装，方便携带，安装简易。通过支撑壳体1c和支撑单元4将该信号采集单元固定到发动机缸体上，防止信号采集单元支撑壳体1c在运转过程中旋转，装配成功后即可进行发动机曲轴扭振信号采集工作。
具体工作过程如下：发动机运行时，曲轴的旋转脉冲信号通过法兰6、旋转轴1e、联轴器1b，传递到编码器轴1a1上。本发明装置的增量式编码器1a每转可输出100个脉冲，即编码器1a输出的脉冲数为曲轴转速的100倍。将编码器1a采集到发动机曲轴旋转脉冲信号的进行均分，转化成发动机曲轴转速和角速度信号，然后提取高频分量进行积分运算，再利用快速傅立叶变换将时域信号转换为频域信号，再结合发动机转速信号分析计算就可得到发动机转速、角位移频率和幅值的三维发动机扭振数据。

Claims (7)

1.一种发动机曲轴扭振信号检测方法，其特征包括以下步骤：
1)通过信号采集机构的编码器采集发动机曲轴前端时间为T的旋转脉冲信号Q，T是R的整数倍，并将该信号均分成每段时间为R的均分脉冲信号其中R为时间分辨率，取1或2，单位为秒；
2)将均分脉冲信号Qk转化成转速信号nk和角速度信号ωk，根据以下公式得到：其中Nk为均分脉冲信号Qk中的脉冲数，A为编码器每转脉冲数,R为时间分辨率；
3)将角速度信号ωk进行高通5Hz滤波处理提取其高频分量信号；
4)将角速度信号ωk的高频分量进行逐点积分得到角位移信号
根据以下公式可得：其中R为时间分辨率；
5)将积分所得高频时域角位移信号利用快速傅立叶逐点变换成频域信号，根据以下公式可得：
其中L为信号的数量，R为时间分辨率；
6)将均分脉冲信号Qk的转速信号nk和角位移频域信号Yk顺序输入到三维坐标系中，可以得到横坐标、左纵坐标和右纵坐标分别为发动机扭振频率、幅值和转速相关的三维发动机扭振数据。
2.根据权利要求1所述的一种发动机曲轴扭振信号检测方法，其特征在于：所述的编码器采用轴式增量式旋转编码器，每转脉冲输出个数A＝60～1000。
3.一种发动机曲轴扭振信号检测装置，包括安装在发动机曲轴减振器前端的发动机曲轴扭振信号采集机构和与之连接的信号分析处理系统，其特征在于：信号分析处理系统包括信号均分模块、转速信号生成模块、角速度信号生成模块、高通滤波模块、角位移信号积分模块、傅立叶变换模块和发动机三维扭振数据生成模块；信号均分模块、角速度信号生成模块、高通滤波模块、角位移信号积分模块、傅立叶变换模块依次连接，转速信号生成模块和傅立叶变换模块连接到发动机三维扭振数据生成模块；
所述的信号均分模块：是将信号采集机构的编码器采集的发动机曲轴前端时间为T的旋转脉冲信号Q均分成每段时间为R的均分脉冲信号 T是R的整数倍；
所述的转速信号生成模块：根据以下公式得到转速信号nk，其中Nk为均分脉冲信号Qk中的脉冲数，A为编码器每转脉冲数,R为时间分辨率；
所述的角速度信号生成模块：根据以下公式得到角速度信号，其中Nk为均分脉冲信号Qk中的脉冲数，A为编码器每转脉冲数,R为时间分辨率；
所述的角位移信号积分模块：根据以下公式可得：将角速度信号ωk的高频分量进行逐点积分得到角位移信号其中R为时间分辨率；
所述的傅立叶变换模块：将积分所得高频时域角位移信号利用快速傅立叶逐点变换成频域信号，根据以下公式可得：
其中L为信号的数量，R为时间分辨率；
所述的发动机三维扭振数据生成模块：将各均分脉冲信号Qk的转速信号nk和角位移频域信号Yk顺序输入到三维坐标系中，可以得到横坐标、左纵坐标和右纵坐标分别为发动机扭振频率、幅值和转速相关的三维发动机扭振数据。
4.根据权利要求3所述的发动机曲轴扭振信号检测装置，其特征在于：发动机曲轴扭振信号采集机构包括信号采集单元(1)和支撑单元(4)，信号采集单元(1)的编码器(1a)安装在支撑壳体(1c)顶部(1c1)，编码器轴(1a1)通过联轴器(1b)与旋转轴(1e)连接，旋转轴(1e)上的轴法兰(1f)与连接在适配器(5)上的过渡法兰(6)连接，编码器轴(1a1)和联轴器(1b)置于支撑壳体(1c)中，编码器轴(1a1)穿过支撑壳体(1c)顶部(1c1)的孔，支撑壳体(1c)顶部(1c1)与支撑单元(4)连接，支撑壳体(1c)的下部通过轴承(1d)与旋转轴(1e)连接；支撑单元(4)包括与支撑壳体(1c)顶部(1c1)连接的横向支撑杆(4a)和与横向支撑杆(4a)另一端连接的立架(4b)，立架(4b)的下部连接在缸体上。
5.根据权利要求4所述的发动机曲轴扭振信号检测装置，其特征在于：所述的横向支撑杆(4a)包括前部半圆弧叉(4a1)和根部的调节螺杆(4a2)，半圆弧叉(4a1)与支撑壳体(1c)的顶部(1c1)连接，调节螺杆(4a2)穿在立架(4b)上的连接孔(4b1)中，通过螺母与立架(4b)连接；所述的立架(4b)上的连接孔(4b1)是竖直方向的长孔。
6.根据权利要求4或5所述的发动机曲轴扭振信号检测装置，其特征在于：所述的编码器(1a)采用轴式增量式旋转编码器，每转脉冲输出个数A＝60～1000。
7.根据权利要求4或5所述的发动机曲轴扭振信号检测装置，其特征在于：所述支撑壳体(1c)周围成圆筒式结构，侧面开有3个大U型安装窗口(1c2)。
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