应用改变窗长相位差校正法的发动机激励力测量方法

摘要

本发明公开了应用改变窗长相位差校正法的发动机激励力测量方法，该方法是对发动机缸体表面或悬置点上的振动加速度信号离散采样之后，利用在信号处理中加不同时间长度的汉宁窗(Hanning)而产生的相位差，求出发动机激励频率区间的信号频率误差，用求出振动位移频谱中发动机真实激励频率f，以及幅值和相位信息，从而精确获得激励力测量公式中振动位移矢量值，结合其它已知的发动机参数，计算出激励力F(f)。本发明的提出可以解决发动机激励力测量中因缺乏准确相位信息，而需要求解复杂非线性方程的问题。

主权项

1.应用改变窗长相位差校正法的发动机激励力测量方法，其特征在于包括如下步骤：(1)坐标系建立与相关参数收集：利用发动机转动惯量实验台，测试出发动机质量m，发动机质心O，以O为原点建立坐标系O-XYZ，Y轴正向指向曲轴自由端，Z轴正向竖直向上，按右手定则确定X轴正向；再利用发动机转动惯量实验台测试出发动机绕坐标系X轴的转动惯量J_x、Y轴的转动惯量J_y、Z轴的转动惯量J_z、发动机对X轴和Y轴的惯性积J_xy、对Y轴和Z轴的惯性J_yz、对Z轴和X轴的惯性J_zx，组成发动机质量矩阵M；(2)获取悬置复刚度矩阵：将发动机通过悬置支撑在发动机试验台架；确定发动机悬置个数h，h＝3或h＝3；在发动机的坐标系O-XYZ中，按照X方向由大到小的顺序给悬置标号，定义为第一悬置、第二悬置、…第h悬置，用弹性体测试系统对各悬置的复刚度特性进行测试，获得第一悬置的复刚度第二悬置的复刚度…第h悬置的复刚度组成悬置复刚度矩阵K^*＝[K^*₁ K^*₂ …K^*_h ]；(3)安装传感器：在发动机缸体表面或者悬置点的不同测试点上，安装L个三向加速度传感器，L≥3，每个测试点安装一个三向加速度传感器；传感器连接数据采集器，数据采集器连接便携式计算机；在发动机的坐标系O-XYZ中，按照X方向由大到小的顺序确定三向加速度传感器的坐标分别为[x₁ y₁ z₁]、[x₂ y₂ z₂]、…、[x_L y_L z_L]；(4)在发动机试验台架上，设定发动机以正常工作转速w运行，待工况稳定后，在10s～30s内的采集时间，通过数据采集器采集和同步记录各测试点的X轴正向、Y轴正向和Z轴正向的振动加速度信号X_1n、X_2n…X_Ln；Y_1n、Y_2n…Y_Ln；Z_1n、Z_2n…Z_Ln；其中X_1n为第一测试点X轴正向采集的具有n个点的振动加速度信号序列，X_Ln为第L测试点X轴正向采集的n个点的振动加速度信号序列，Y_1n为第一测试点Y轴正向采集的n个点的振动加速度信号序列，X_Ln第L测试点Y轴正向采集的n个点的振动加速度信号序列；Z_1n为第一测试点Z轴正向采集的n个点的振动加速度信号序列，Z_Ln第L测试点Z轴正向采集的n个点的振动加速度信号序列；采样频率f_s，采样点数N表示离散序列包含的数据点个数，其中n＝0、1、…、N-1，要求f_s＝N＝2^p，P＝9或10，频率分辨率Δf＝f_s/N＝1；(5)根据公式测量发动机激励力，其中：激励力F(f)是指发动机在转速w第η谐次激励频率f下，发动机X轴正向的激励力F_x(f)、绕X轴的激励转矩M_x(f)、Y轴方向的激励力F_y(f)、绕Y轴的激励转矩M_y(f)、Z轴方向的激励力F_z(f)、绕Z轴的激励转矩M_z(f)；K^*＝[K^*₁ K^*₂ …K^*_h]$M=\left[\begin{array}{cccccc}m& & & & & \\ & m& & & & \\ & & m& & & \\ & & & J_x& -J_{\mathrm{xy}}& -J_{\mathrm{zx}}\\ & & & -J_{\mathrm{xy}}& J_y& -J_{\mathrm{yz}}\\ & & & {-J}_{\mathrm{zx}}& -J_{\mathrm{yz}}& J_z\end{array}\right]$$\bar{E}=\left[\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& z_1& -y_1\\ 0& 1& 0& -z_1& 0& x_1\\ 0& 0& 1& y_1& -x_1& 0\\ 1& 0& 0& 0& z_2& -y_2\\ 0& 1& 0& {-z}_2& 0& x_2\\ 0& 0& 1& y_2& -x_2& 0\\ ·& ·& ·& ·& ·& ·\\ ·& ·& ·& ·& ·& ·\\ ·& ·& ·& ·& ·& ·\\ 1& 0& 0& 0& z_3& -y_3\\ 0& 1& 0& {-z}_3& 0& x_3\\ 0& 0& 1& y_3& -x_3& 0\end{array}\right]$$f=\frac{1}{3L}(f_{1x}+f_{1y}+f_{1z}+f_{2x}+f_{2y}+f_{2z}+···+f_{\mathrm{Lx}}+f_{\mathrm{Ly}}+f_{\mathrm{Lz}})$$\bar{S}\left(f\right)={\left[\begin{array}{cccccccc}{\mathrm{dX}}_1& d{Y}_1& {\mathrm{dZ}}_1& {\mathrm{dX}}_2& {\mathrm{dY}}_2& {\mathrm{dZ}}_2···{\mathrm{dX}}_L& {\mathrm{dY}}_L& {\mathrm{dZ}}_L\end{array}\right]}^T$表示矩阵的转置；第η谐次激励频率f和其对应位移矩阵通过如下方法确定：选择发动机激励力分析的谐次η，η＝0.5、1、1.5、2、2.5或3；指定分析发动机转速w的第η谐次后，进行以下运算：对第一测试点X轴正向采集的具有n个点的振动加速度信号序列X_1n，加时间长度T＝1的汉宁窗w(t)0≤t≤T，按照公式(1-1)进行N点快速傅里叶变换，得到幅值谱X₁(f)；对X_1n加时间长度汉宁窗w(t)0≤t≤T，按照公式(1-2)进行N/2点快速傅里叶变换(FFT)，得到幅值谱X₂(f)；$X_1\left(f\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{x}_n[0.5-0.5\cos \left(\frac{2\mathrm{\pi n}}{N}\right){]e}^{-j\frac{2\pi }{N}\mathrm{fn}}=R_1\left(f\right)+{\mathrm{jI}}_1\left(f\right)=y_1\left(f\right)e^{j{\Phi }_1\left(f\right)}$$f=\mathrm{0,1},···,\frac{N}{2}-1---(1-1)$$X_2\left(f\right)=\underset{n=0}{\overset{N/2-1}{\Sigma }}{x}_n[0.5-0.5\cos \left(\frac{4\mathrm{\pi n}}{N}\right){]e}^{-j\frac{4\pi }{N}\mathrm{fn}}=R_2\left(f\right)+{\mathrm{jI}}_2\left(f\right)=y_2\left(f\right)e^{j{\Phi }_2\left(f\right)}$$f=\mathrm{0,1},2···,\frac{N}{4}-1---(1-2)$根据发动机转速w，确定校正频率区间[f₁，f₂]，其中取整数；取整数；在校正频率区间[f₁，f₂]内，X₁(f)的最高峰值对应频率f_i，f_i实部为R₁(f_i)，虚部为I₁(f_i)，相位为Φ₁(f_i)，幅值为y₁(f_i)；X₂(f)的最高峰值频率f_j，相位为Φ₂(f_j)；设校正频率区间[f₁，f₂]内最高峰值真实频率为f₀，f₀对应真实相位真实幅值A₀(f₀)；设f_i的频率误差为f_i与真实频率f₀的差值代人公式(1-3)，求出频率误差$▿f=-2{[\Phi }_1\left(f_i\right)-{\Phi }_2\left(f_j\right)-\frac{\pi (2f_i-f_j)}{2}]/\pi ---(1-3)$计算真实频率f₀计算真实相位汉宁窗的谱函数根据公式(1-6)计算出校正后的幅值A₀(f₀)，组成真实频率f₀和对应的加速度矢量对序列X_2n…X_Ln；Y_1n、Y_2n…Y_Ln；Z_1n、Z_2n…Z_Ln与振动加速度信号序列X_1n进行同样的处理，分别得到发动机转速w第η谐次的激励频率f_2x…f_Lx；f_1y、f_2y…f_Ly；f_1z、f_2z…f_Lz；对于L个传感器测试点中的任意传感器H(1≤H≤L)，测得它的X方向的发动机激励频率为f_Hx，对应加速度矢量为测得Y方向的发动机激励频率为f_Hy，对应加速度矢量为测得Z方向的发动机激励频率为f_Hz，对应加速度矢量为传感器H的X方向位移为dX_H，Y方向位移为dY_H，Z方向位移为dZ_H，由此获得传感器H的位移矩阵：L个传感器的激励频率以及对应的位移矩阵