图1  “小波分析”方法原理

耐久试验和原型机测试是汽车产品研发的绝对先决条件。过去，开发人员基于统计原理在有足够多的同一类测试物经受得住工作负荷时就很满意了；但在今天，发动机和变速器的运行越来越接近其物理极限，借助于莱尔浩福公司的早期故障检测系统则能够在发生无法预料的严重损毁前挽救发动机并简化故障分析过程。

引言

当前的开发工作聚焦于多种参数如材料、设计和工艺组合的优化，虽然第一台原型（机）一般而言已经通过模拟程序进行了相当好的计算，但真实的负荷试验依然是达到最终优化的必须手段，这当然要花费昂贵的开发时间。然而借助于适当的测量技术能够很早地、事实上是在故障初发时和在导致产生永久性的测试物毁坏之前就发现故障。

一般来说，故障在初发时虽然只会产生非常小的损坏但最后却会导致巨大的损坏，在极端的情况下一个微小的初始损坏会引起继发损坏从而摧毁测试物。测试物非常昂贵，而且有时还会殃及试验台。在测试物损毁情况下，从残骸中往往无法查找到故障起因。对于完整有效的发动机试验，振动分析提供了发动机随时间变化的过程信息，而这是其他测试技术所无法检测到的，这就是结构声辐射。当机械振动的振幅发生变化并且超过一个报警限值时，可以切断试验，然后借助于记录的数据可以相对准确地判断出故障部位和发生时间点以及观察故障的成长过程。德国莱尔浩福公司（Reilhofer KG）的德尔塔分析仪（delta-ANALYSER）就提供了这种解决方案，从2005年开始，德尔塔分析仪广泛应用于德国大众公司的发动机耐久试验中，用来监控测试发动机的“健康”状态。

图2   增压器故障的趋势指数图和变化谱瀑布图

测试方法

发动机在故障初发时就会改变其振动特性，一个灵敏的诊断设备可以检测到这种变化并使试验台停止运行。在内燃机试验运行时每个循环中的最大燃烧压力会不可预见地晃动试验发动机，机器受到机械激励就会产生噪声。如前所述，故障的发生会改变发动机的振动特性，但是与激励的不稳定性相比会改变多少？机器的总体噪声不能提供足够的结果，而且总体噪声排放水平在故障开始的时间点上总是要超过由于损坏而产生的振动噪声很多倍，另外试图使用未损坏机械结构的振动特性作为比较的基准也是毫无意义的，即使两个测试物型号相同，但由于其个体的差异它们所具有的振动特性偏差则要远远大于可检测到的故障初发后导致的变化。

因此，为了检测到故障发生只能对比同一个测试物，该诊断系统在试验开始时会自动学习测试物在每个运行工况时典型的“健康”特性，监控始于学习到频谱基准值以后，然后在试验进程中会时刻分析评估当前振动特性与原始振动特性的偏差。

图3  气门弹簧断裂故障的趋势指数图和变化谱瀑布图

为此要注意每个谱线的特性状态，如果一条谱线稳定的典型特性发生了变化，那么这就是一个可靠的提示，需要您有选择性地和优先地注意它。在诊断系统中同时使用了多种检测方法，以便能够正确地理解发展中故障过程的真正起因。

1. 阶次分析

阶次分析生成与转速同步的谱线，我们的兴趣不在于谱线的振幅，而是关注特定谱线振幅分布的构成，构成规律较大的变化是结构变化的指示器和可能的故障过程开始。

2. 频率分析

频率分析说明例如就自激频率而言故障对发动机缸体的影响程度（振幅分布的构成规律）。

3. 相对频谱

频率分析和阶次分析同时所使用的一种额外的分析方法，它注重于振幅分布的变化概率。

4. 时间信号分类

时间信号分类对每一个运行工况点（转速、转矩）的振动时间信号进行振幅的正态分布统计，以发现仅激发出很小振动能量的故障。

5. 小波分析

“小波分析”(Hunting Wavelets）方法用于识别在弹簧/质量系统中产生非线性机械激励的非周期现象，由此可以察觉到敲击、摩擦、刮擦声和几乎所有类似的令人讨厌的噪声。

一台发动机在以较小的转速/负荷运行时要比在高转速/大负荷运行时安静，因为一个测试程序往往不只是仅由一个转速和一种负荷组成，而是包括不同的转速/负荷点，因此每一个转速/负荷点都需要带有各自容差带的参考基准。

图4  活塞环损坏的趋势指数图和变化谱瀑布图

为了正确地描绘这些动态的转速/负荷点的振动特性并同时设置适度的容差带，将建立代表不同工况点的数据卡，此外动态变化的条件参数（油门、机油温度、转矩等）也会全部存储在各自相应的数据卡中。

对于每个负荷工况点将捕捉其特有的振动特性（带有容差带的基准），在该学习阶段之后系统会自动进入监控阶段。在监控阶段每一个采集到的分析结果都将与在学习阶段形成的容差带进行对比，并且由此得到一个变化谱（见图1）。对变化频谱中的每个变化值进行求和并作为所谓的趋势指数进行描绘，趋势指数图描绘了所有变化值之和随时间的变化，它说明了发动机的故障发展过程。

测量结构

为进行测量至少需要测试物的转速和通过一个固定在测试物上的加速度传感器测得的机械振动信号，此外通过模拟/数字和基于CAN总线通信所获取的其他信号也很有意义，尤其是节气门位置信号和/或者转矩信号以及机油温度已被证明对分析很有裨益。发动机缸体是安装加速度传感器的理想位置，可使用缸体上闲置的、原本用于固定附件的螺纹孔安装加速度传感器。

试验台测试结果

在下面所有的示例中，发动机既没有安装易于损坏的部件，也没有安装已损坏的部件。这些试验过程是经过选择的，以便能够更好地理解不同类型的损坏和振动变化之间的联系，这种联系通过趋势指数曲线（随时间的变化）和变化谱对应的瀑布图表现出来。

1. 废气增压器涡轮从轴上松脱

在这个试验中废气增压器是试验件，在试验开始时新的测试物表现出轻微的磨合特性（0～300次分析），基于该效应趋势指数略微升高（见图2）。在这段时间之后趋势指数并没有太大的变化，但从第1 800次分析之后可以看到趋势指数开始进一步升高，这说明废气增压器出现了初期故障，该初期故障在变化谱中通过30阶的升高可以判断出来。将增压器的转速除以曲轴转速，就会得到30阶，也即6 000 r/min相当于1阶，30阶相当于180000r/min（废气增压器转速）。

图5  轴瓦点蚀的趋势指数图和变化谱瀑布图

2. 一台V型发动机的气门弹簧断裂

在该示例中一个气门弹簧在试验过程中断裂，为了能够正确地区分部件阶次，可以使用下面的公式来计算气门弹簧阶次：

通过趋势指数曲线的发展变化（见图3），可以清楚地观察到气门弹簧的故障发生和发展过程。故障始发于第700次分析，该时间点变化谱中突出的阶次与计算结果很好地相符，在转速6 250 r/min时气门弹簧的基频阶次为3.56，其整数倍谐波（本示例中为7.12、10.68、14.25和17.81）也可以看到，在气门弹簧完全断裂后试验台被紧急切断。

3. 活塞环损坏

图4中的趋势指数变化揭示了两个令人感兴趣的区域，第一个区域表现为缓慢的升高（微小变化），第二个区域以一个趋势指数跳跃开始然后也是缓慢地升高，最后趋势指数的垂直跳跃升高指示出活塞环已经断裂。

在变化谱中可以看到两个变化集中区：第一个区包含了低频部分（左边）和其机械起因；第二个区包含了由于活塞环裂纹和断裂导致的较高的频率分布（右边）。在低频部分直至约15阶（相当于约1 kHz）为止阶次变小，表明燃烧变弱和燃烧压力变低，听觉上发动机的燃烧变得安静一些；在高频部分自250阶至420阶（相当于17 ～30 kHz）变化越来越大。通过这个过程我们可以推断出损坏是逐渐形成的并最终导致部件失效。发动机的机械部件是不会在该范围内产生噪声排放的，超声波范围内的频率只能是由于金属相互接触摩擦而产生，因此这是一个由于活塞环在环槽内松动而开始围绕其固有频率激振而产生摩擦噪声的明显证据。

4. 两个连杆轴瓦点蚀

该试验过程中在2个不同的连杆轴瓦上出现了2个点蚀。趋势指数（见图5）曲线随着试验时间有轻微升高，在变化谱上尤其是环绕0.5阶的区域突起，该变化并非表现为准确和狭窄的谱线，而是表现为较宽的山丘状突起。

这种现象是发动机转速不规则波动的清晰指示器，在这种情况下，转速的不规则波动源自于连杆轴瓦处润滑过程的变动：当油膜达到点蚀部位，总是会失去其相对“稳定”的形状而沉入点蚀区域，油膜运动位移变得较长并在短时间后会重新返回正常的运行轨迹中；在较晚的时间点上随着点蚀情况的进一步恶化，润滑油膜将不再能够隔离旋转部件和静止部件，润滑油膜被破坏而失效，轴颈与轴瓦接触，这就是基于摩擦变异的故障开始点并且曲轴阶次（1阶）开始可见，因为油膜可认为是以曲轴转速的一半速度运动，所以油膜的阶次表现为0.5。

收益和财务分析

自2005年起德国大众公司开始在试验室使用德尔塔分析仪监控耐久试验，在此期间很多发动机得以避免严重的次生损坏并获得了很多令人信服有关故障起源的知识，同时也积累了丰富的、深层次的有关结构振动分析的知识、技巧以及相关试验切断限值设定的经验。事实上，使用德尔塔分析仪最突出的优点是不但节省宝贵的时间而且还显著地降低了试验费用，另外有关部件可靠性的清晰结论还可以作为指导方针为缩短相关联的产品开发时间作贡献。

展望

德国莱尔浩福公司一直在开发这种用于寻找结构损坏真正起因的方法。借助于故障位置定位，故障的鉴别变得非常容易，并且从这些试验中得到的令人信服并带有故障发展过程及其相对应特征阶次的知识则可以进一步地传递到生产中，当完成开发的发动机以后在批量生产中进行热试或者冷试、出现故障需要检测和鉴别时，可以汇总这些知识用于批量生产中的故障模式识别系统。