氣門和氣門座是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件十分惡劣的摩擦副之一，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中氣門不斷開啟和關(guān)閉，并承受很高的沖擊負(fù)荷和熾熱燃?xì)獾母咚贈(zèng)_擊；由于不易散熱，長期處于600 ℃～800 ℃的高溫狀態(tài)。因硬質(zhì)燃燒產(chǎn)物、積碳、高溫腐蝕和零件變形，造成氣門密封錐面的磨損與燒蝕，使氣門密封不嚴(yán)，造成漏氣現(xiàn)象的出現(xiàn)，使燃燒室氣密性受到破壞，排氣溫度上升，功率下降。因此，對(duì)氣門漏氣故障實(shí)現(xiàn)早期預(yù)報(bào)是很有必要的。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，即使有經(jīng)驗(yàn)的操作人員也很難發(fā)現(xiàn)氣門早期的漏氣故障，目前根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的排氣管溫度和氣缸內(nèi)壓力判斷漏氣故障還不是一種有效的方法。利用氣缸蓋表面的振動(dòng)信號(hào)來檢測氣門的工作狀態(tài)，具有傳感器安裝方便，檢測結(jié)果準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

1　氣門漏氣聲學(xué)特性及其振動(dòng)診斷的機(jī)理

　　發(fā)動(dòng)機(jī)氣門漏氣是高溫高壓氣體通過氣門與氣門座之間很小的縫隙在有限空腔中產(chǎn)生的阻塞噴注，因此引發(fā)缸蓋表面的局部振動(dòng)；另一方面形成的高頻噴注噪聲沿排氣管道傳播。根據(jù)流體噴注中的一般波動(dòng)方程張量形式，有廣義Lighthill方程：
　　　

式中：　　　　ρ——流體密度；
　　　　　　　t——時(shí)間；
　　　　　　　——拉普拉斯算子，=
　　　　　　　　　　
　　　　x1，x2，x3——直角坐標(biāo)；
　　　　I，j，k——代表3個(gè)坐標(biāo)方向的單位向量；
　　　　Q(x，t)——簡單聲源強(qiáng)度，等于在點(diǎn)x(x1，x2，x3)和時(shí)刻t處每單位體積每單位時(shí)間增加的流體質(zhì)量；
　　　　FI(x，t)——外加作用力的xI分量；
　　　　Tij——Lighthill應(yīng)力張量。

　　方程(1)右邊第1項(xiàng)代表單極子源，第2項(xiàng)代表偶極子源，第3項(xiàng)代表四極子源。發(fā)動(dòng)機(jī)氣門漏氣產(chǎn)生的噴注噪聲包括簡單聲源、固體聲源和湍流聲源，分別與上面3項(xiàng)相對(duì)應(yīng)。其中，簡單聲源與排氣的流量變化率有關(guān)，應(yīng)采用與發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)中比較大的時(shí)間尺度來描述，其頻譜表現(xiàn)為低頻特性；固體聲源與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣道內(nèi)形態(tài)和結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，其頻譜表現(xiàn)為中高頻特性；湍流聲源必須采用微時(shí)間尺度來研究，其頻譜表現(xiàn)為高頻特性。

　　因此，利用缸蓋表面振動(dòng)信號(hào)對(duì)氣門漏氣進(jìn)行診斷時(shí)，應(yīng)著重選取反映漏氣程度的四極子源湍流聲源，研究其高頻特性，并選擇缸內(nèi)外壓差最大時(shí)的表面振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。具體來說，應(yīng)選擇最大燃爆壓力附近的缸蓋振動(dòng)信號(hào)，分析其高頻成分，作為氣門漏氣的判斷標(biāo)準(zhǔn)。由于氣體燃爆產(chǎn)生的振動(dòng)屬于低頻成分，因此兩者并不存在沖突。

2　試驗(yàn)研究

　　試驗(yàn)在F3L912發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行，轉(zhuǎn)速為900 r/min，怠速、采樣頻率為40 kHz。測量和診斷系統(tǒng)如圖1所示。為了試驗(yàn)系統(tǒng)的簡單性，故障模擬為均勻漏氣，即調(diào)節(jié)排氣門間隙使之為負(fù)值，則氣門無法落座。漏氣程度由氣門間隙的調(diào)節(jié)螺距來衡量。

3　特征值提取和故障診斷

　　圖2所示為不同漏氣狀態(tài)下缸蓋振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形，a、b、c分別為正常工作、排氣門輕微漏氣及排氣門嚴(yán)重漏氣等3種狀態(tài)。圖3為功率譜分析結(jié)果。從圖3可以看出，隨著排氣門的漏氣的嚴(yán)重程度變化，10 kHz以下的能量幾乎未發(fā)生變化，而10 kHz以上的能量明顯增加，為此提取高頻(＞10 kHz)能量與總能量之比Eh/E作為特征參數(shù)，3種狀態(tài)下的Eh/E列于表1，其所示結(jié)果與上面的理論分析是相符的。

表13種狀態(tài)下的Eh/E

　　狀況 帶內(nèi)能量比Eh／E
　　正常 0.23
　　輕微漏氣 0.30
　　嚴(yán)重漏氣 0.54

4　結(jié)論
　　發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)缸蓋表面的振動(dòng)信號(hào)隱含著氣門漏氣的故障信息，通過測取缸蓋表面的振動(dòng)信號(hào)，提取高頻帶與總頻帶能量比這一特征參數(shù)，可以比較直觀、準(zhǔn)確地檢測氣門漏氣故障。(軍械工程學(xué)院 張英堂　沈壽林　李國章)