Pomimo ciągłego doskonalenia oprogramowania CAD/CAE, nie da się – na etapie konstruowania silnika – do końca przewidzieć potencjalnych jego uszkodzeń i nieprawidłowości funkcjonowania, dlatego ważne jest przeprowadzanie badań na prawdziwych obiektach. W artykule opisujemy badania wibroakustyczne, jakim poddany został prototypowy rzędowy czterocylindrowy turbodoładowany silnik spalinowy o zapłonie iskrowym – w celu znalezienia źródła niepożądanego rezonansu.
Piotr Cabaj
Po badaniach akustycznych zostały również przeprowadzone badania drganiowe, gdyż, jak już pisaliśmy, założono istnienie podobieństwa podczas analizy diagramów Campbell’a poziomu hałasu akustycznego SPL i poziomu prędkości drgań LV. Rezonans o częstotliwości 1250 Hz powinien być widoczny także na diagramach poziomu prędkości drgań LV. Umocowano zatem sześć czujników drgań na powierzchni przedniej pokrywy silnika.
Rys. 12 Rozmieszczenie czujników drgań na przedniej pokrywie silnika
Rysunek 12 pokazuje miejsca ich zamocowania (przy pomocy kleju cyjanoakrylowego) na przedniej pokrywie silnika. Są oznaczone następująco: FC TL – górny lewy, FC TR – górny prawy, FC MH – środkowy górny, FC ML – środkowy dolny, FC BL – dolny lewy, FC BR – dolny prawy.
Na diagramach prędkości drgań LV dolnych czujników (Rys. 13) nie stwierdzono występowania rezonansu przy częstotliwości 1250 Hz. Udało się natomiast go zaobserwować dla częstotliwości 4100 Hz dla dolnego lewego czujnika.
Rys. 13 Diagramy Campbell’a przedstawiające poziomy prędkości drgań LV dolnego prawego (FC BR) i dolnego lewego (FC BL) czujnika
Po analizie diagramów prędkości drgań LV środkowych czujników (Rys. 14) nie stwierdzono rezonansu o częstotliwości 1250 Hz. Zauważalne są natomiast inne częstotliwości rezonansowe o różnych, nie powiązanych ze sobą wartościach.
Rys. 14 Diagramy Campbell’a przedstawiające poziomy prędkości drgań LV środkowego dolnego (FC ML) i środkowego prawego (FC MH) czujnika
Także dla górnych czujników (Rys. 15) poszukiwana wartość rezonansu nie występuje. Interesującym zjawiskiem jest natomiast fakt, że poziom prędkości drgań górnego lewego czujnika jest wyższy od pozostałych, co łatwo zauważyć poprzez dużą powierzchnię obszaru o najwyższej (kolor czerwony – 20 [dB]) wartości.
Rys. 15 Diagramy Campbell’a przedstawiające poziomy prędkości drgań LV górnego lewego (FC TL) i górnego prawego (FC TR) czujnika
Po dokonaniu pomiaru przeprowadzono porównanie diagramów Campbell’a w celu wykrycia ewentualnych analogii pomiędzy poziomem hałasu akustycznego SPL a poziomem prędkości drgań LV. Nie udało się ich zauważyć, co przedstawia poniższe zestawienie. Żaden z diagramów przedstawiający poziom prędkości drgań nie był choć w części podobny do diagramów ukazujących poziomy hałasu. Same diagramy poziomu prędkości drgań nie są nawet do siebie zbliżone w przeciwieństwie do diagramów poziomu hałasu, gdzie na każdym widać wyraźnie częstotliwość rezonansową o wartości 1250 Hz.
Rys. 16a Porównanie diagramów Campbell’a przedstawiających poziom prędkości drgań LV z diagramami ukazującymi poziomy hałasu SPL
Na rysunku 16a umieszczone zostały diagramy Campbell’a poziomu prędkości drgań czujników przyśpieszeń LV (pierwsze sześć zaznaczone niebieską ramką), diagramy poziomu hałasu SPL urządzeń pomocniczych (pozostałe) oraz lokalizacja czujników i mikrofonów pomiarowych (Rys 16b).
Rys. 16b
Pomimo niepowodzenia podjęto kolejne próby zlokalizowania przyczyny powstawania rezonansu. Tym razem zastosowano metodę „Online FFT”, która polegała na pomiarze przy włączonym silniku wyszczególnionych na rysunku 17 szesnastu obszarów przy pomocy mikrofonu. Przy każdym z nich następował pomiar w odległości 10 cm, trwający 10 sekund. Jednocześnie następowała obserwacja „na żywo” poziomu hałasu w celu zlokalizowania obszarów o jego największej wartości.
Rys. 17 Obszary przedniej części silnika mierzone metodą „Online FFT”
Tym razem wyniki badań były o wiele bardziej interesujące, gdyż podczas analizy wykryto obszary, w których można było zauważyć wyraźny „pik” przy szukanej przez nas częstotliwości 1250 Hz. Oznaczono je odpowiednio numerami: 8, 9, 10, 12 i 13. Są to okolice pompy wody oraz rolki prowadzącej pasek klinowy (przy pompie wody) i napinacza paska klinowego.
Na wykresach (Rys. 18) przedstawiono poziom hałasu w dziedzinie częstotliwości obszarów mierzonych metodą „Online FFT”. Pionową szarą belką zaznaczona jest częstotliwość rezonansowa 1250 Hz oraz jej najbliższe sąsiedztwo. Niebieskie ramki ukazują obszary o wyraźnym rezonansie.
Rys. 18 Widma poziomu hałasu SPL 16 obszarów mierzonych metodą „Online FFT”
Dodano zatem trzy czujniki drgań w okolicy obszarów o wyraźnym rezonansie (Rys. 19). Nie umieszczono ich tam wcześniej, gdyż bliskie sąsiedztwo paska klinowego mogło spowodować ich odklejenie się. Zmieniono nazewnictwo czujników, żeby odróżnić nowe pomiary poziomu prędkości ich drgań od tych, uzyskanych poprzednio. Pierwszy czujnik drgań otrzymał nazwę FC 01, drugi FC 02 i tak aż do dziewiątego (FC 09). Nowe czujniki drgań to: FC 05, FC 06 oraz FC 08; zaznaczone kolorem zielonym, a pozostałe czerwonym.
Rys. 19 Lokalizacja czujników drgań podczas ponownego pomiaru
Wykresy (Rys. 20) uwidaczniają, że dla nowo zainstalowanych czujników można zaobserwować rezonans w szukanej częstotliwości 1250 Hz. Ich widma zostały zaznaczone za pomocą niebieskiej ramki. Dla pozostałych czujników nie zauważono zjawiska rezonansu.
Rys. 20 Diagramy Campbell’a przedstawiające poziomy prędkości drgań LV czujników pomiarowych
Dla upewnienia się, że zlokalizowany obszar jest rzeczywiście źródłem rezonansu, dokonano odizolowania go od reszty za pomocą termoizolacyjnej folii aluminiowej, jak przedstawiono na rysunku 21. Przytwierdzono ją przy pomocy kleju, aby była obecna podczas kolejnych pomiarów.
Rys. 21 Odizolowany obszar powstawania rezonansu
Dokonano ich tym razem z zaizolowanym obszarem występowania rezonansu. Porównano wyniki przed i po wykonaniu izolacji. Jak się okazało, dotychczas występujący rezonans znikł prawie całkowicie, co potwierdziło tylko przypuszczenia o obszarze, który go powodował. Na rysunku 22, oprócz diagramu Campbell’a ukazującego poziom hałasu SPL przy pomiarze bez folii (górne lewe widmo) i z folią (górne prawe widmo), widać również wykres przedstawiający poziom hałasu SPL w dziedzinie obrotów silnika n. Kolorem czarnym zaznaczony jest pomiar w obecności folii. Kolor czerwony prezentuje pomiar bez odizolowania obszaru powstawania rezonansu.
Rys. 22 Porównanie wyników przed (kolor czerwony) i po izolacji (kolor czarny) obszaru rezonansu
Oprócz aluminiowej folii termoizolacyjnej zastosowano aluminiową płytę, o kształcie małego obszaru membranowego, blisko rolki prowadzącej pasek klinowy (Rys. 23).
Rys. 23 Kształt aluminiowej płyty użytej w trakcie badań
Dokonano takich samych badań jak dla aluminiowej folii. Wyniki tylko potwierdziły, że źródłem rezonansu był mały membranowy obszar przedniej obudowy silnika, chroniącej układ rozrządu. Po modyfikacji kształtu obudowy i zamontowaniu jej na silniku dokonano ponownie pomiarów poziomu hałasu SPL oraz prędkości drgań LV. Nie stwierdzono już więcej rezonansu w miejscu, gdzie występował wcześniej. Z taką modyfikacją przedniej obudowy silnik wszedł do fazy produkcyjnej.
Dzięki pomiarom wibroakustycznym udało się zlokalizować źródło niepożądanego rezonansu, które ujawniło się dopiero po wyprodukowaniu prototypowego silnika. Nie zostało ono wykryte na etapie konstrukcji modelu silnika w programach CAD oraz w trakcie późniejszych jego analiz numerycznych, co potwierdza użyteczność przeprowadzania badań na prawdziwym silniku.
Pomiary wibroakustyczne dodatkowo dają się połączyć z pomiarami dynamometrycznymi i analizą spalin, dzięki czemu można dokonać kompleksowej diagnostyki silnika.
Należy także dodać, że interpretacja wyników badań wymaga od użytkownika znajomości budowy silnika i doświadczenia w jego obsłudze, bez których prawidłowe zidentyfikowanie nieprawidłowości będzie wielce utrudnione.
Piotr Cabaj
artykuł pochodzi z wydania 6 (117) czerwiec 2017
