船舶柴油機曲軸振動監(jiān)測及不平衡量提取

姜世勛，張仕海，于志民

(天津海運職業(yè)學(xué)院，天津300350)

船舶柴油機曲軸振動監(jiān)測及不平衡量提取

姜世勛，張仕海，于志民

(天津海運職業(yè)學(xué)院，天津300350)

結(jié)合船舶柴油機的實際情況，分析船舶柴油機曲軸機構(gòu)不平衡振動監(jiān)測的意義，并對曲軸機構(gòu)不平衡振動的原因及危害進行探討。構(gòu)建船舶柴油機曲軸機構(gòu)振動監(jiān)測系統(tǒng)，并采用Labview語言開發(fā)信號采集、信號分析與監(jiān)控應(yīng)用程序。提出采用最小二乘法擬合曲軸前幾階振動分量的方法，并通過實驗對論文所構(gòu)建的系統(tǒng)及方法的可行性進行了驗證。

柴油機;曲軸;振動監(jiān)測;不平衡

0 引言

柴油機被稱為船舶的心臟，是保證船舶營運安全、提高營運效率的關(guān)鍵設(shè)備。受船上維修條件的限制，當(dāng)柴油機出現(xiàn)故障時，修復(fù)難度較大，很多情況下需靠碼頭或送船廠維修。維修成本較高。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，柴油機機械故障的70%～80%是由振動原因引起，振動故障中的30%～40%是由不平衡引起［1］。而柴油機曲軸機構(gòu)是將活塞往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的重要部件。曲軸不平衡振動是引起柴油機有害振動、噪聲的主要原因之一。這種有害振動可能造成:使機器支撐 (軸承等)受到動載荷的作用，影響支撐的正常工作;動、靜部件磨損，基礎(chǔ)松裂，進而導(dǎo)致柴油機整機振動惡化，致使油管開裂，自動調(diào)節(jié)器失效，機器需要經(jīng)常修理或者過早損壞;擾動機器周圍的機械設(shè)備和儀表，使調(diào)節(jié)裝置和保護系統(tǒng)有可能發(fā)生誤動作而使設(shè)備和儀表無法正常工作;產(chǎn)生過大噪聲，影響工作環(huán)境和操作員健康。因此，開展柴油機曲軸機構(gòu)振動監(jiān)測及動平衡研究可以有效減少柴油機不平衡振動，改善柴油機整機振動和工作性能，延長柴油機及其關(guān)鍵部件的使用壽命。

1 引起船舶柴油機曲軸機構(gòu)不平衡振動的原因及監(jiān)測方法

造成曲軸機構(gòu)不平衡的原因主要是曲柄及曲柄銷本身即為相對回轉(zhuǎn)中心的不平衡量。對多缸柴油機，各曲柄相對回轉(zhuǎn)中心的離心力形成合成離心力矩，而在缸徑、轉(zhuǎn)速相同的情況下，合成力矩完全取決于缸數(shù)和曲柄排列情況。為改善曲柄機構(gòu)的平衡性，一般采用均勻分布的曲柄排列方案［2］。盡可能使合成慣性力首先自平衡。然后在部分或全部曲柄臂的反方向安裝平衡重，以平衡掉曲柄的離心力。以上方法多屬于工藝動平衡技術(shù)。然而，造成曲柄機構(gòu)動不平衡的因素還包含曲柄－軸頸的材質(zhì)不均、加工誤差、安裝誤差、軸承系統(tǒng)同心度不高及磨損不均、曲柄銷的磨損、曲柄相對主軸頸的徑向滑移、飛輪不平衡、齒輪傳動機構(gòu)不平衡、螺旋槳及尾軸機構(gòu)不平衡等方面。因此，曲軸機構(gòu)初始不平衡量由柴油機初始制造和安裝精度所決定。在此基礎(chǔ)上，不平衡量會隨柴油機工作狀態(tài)、使用時間、工作環(huán)境，故障檢修、重新裝配的精度等條件變化而改變。

因此，建立曲軸機構(gòu)不平衡振動監(jiān)測系統(tǒng)，對于了解相關(guān)支撐機構(gòu)的磨損情況，把握機構(gòu)部件的加工及安裝精度情況，對不平衡振動故障進行診斷及趨勢預(yù)測，系統(tǒng)動平衡等問題有顯著意義。

由于柴油機曲軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，不便于直接安裝非接觸式傳感器來測量曲軸的振動信號。而柴油機上的飛輪與曲軸系統(tǒng)同軸安裝，在實際工作中可使柴油機運轉(zhuǎn)均勻，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。因此通過直接監(jiān)測飛輪的振動狀態(tài)來考察曲軸機構(gòu)的不平衡振動情況。信號測量原理如圖1所示。

圖1 曲軸振動監(jiān)測原理Fig.1 The principle of vibration monitoring for crankshaft

首先系統(tǒng)通過一個電渦流傳感器測量飛輪徑向振動位移信號，通過一個光電傳感器測量基準(zhǔn)信號，各傳感器采集信號通過電纜與接線端子對應(yīng)接口相連;然后通過高性能屏蔽電纜接到信號采集卡;最后通過程序軟件對各通道信號進行采集。并在自編軟件中對系統(tǒng)振動信號進行分析。本系統(tǒng)配置的測量儀器與信號處理設(shè)備主要包括:

1)光電傳感器。本系統(tǒng)中光電傳感器用于測量飛輪基準(zhǔn)信號。所選用傳感器的使用方法比較簡單，前方無障礙輸出高電平，有障礙輸出口 (黃色)電平會從高電平變成低電平。輸出的數(shù)字信號端接到NI BNC－2110接線盒，供信號采集卡采集。

2)電渦流位移傳感器。電渦流位移傳感器能非接觸、高線性度、高分辨率地測量被測金屬導(dǎo)體距探頭表面的距離。本系統(tǒng)采用B＆K VIBRO公司生產(chǎn)的IN－081電渦流位移傳感器采集飛輪振動位移信號。該傳感器有一個內(nèi)置的放大器及相連接的延伸電纜。因此不需要額外的放大器及延伸電纜，只需要考慮傳感器的參數(shù)及安裝附件。

3)數(shù)據(jù)采集卡。本系統(tǒng)使用NI公司的高性能多功能信號采集卡PCI－6221。數(shù)據(jù)采集卡PCI6221與BNC2110接線端子配合，二者由68針高性能屏蔽電纜相連。它是高速主軸振動及相關(guān)位置參數(shù)和測控軟件系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通道。最終在軟件系統(tǒng)中完成數(shù)據(jù)測量、信號分析及控制輸出等功能。

本系統(tǒng)振動信號測量及分析軟件采用Labview軟件設(shè)計，系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)計如圖2所示。系統(tǒng)設(shè)計有2個振動監(jiān)測點及1個基準(zhǔn)信號監(jiān)測，也可以用作單點監(jiān)測。

圖2 曲軸振動信號采集與監(jiān)控界面Fig.2 The interface of vibration signal acquisition and monitoring

系統(tǒng)程序采取以下2種工作方式:

1)在線監(jiān)控工作方式，用于柴油機曲軸振動的在線監(jiān)測。系統(tǒng)監(jiān)測前，首先需要根據(jù)柴油機實際情況來設(shè)定監(jiān)測周期和控制精度，其他參數(shù)可選默認值。此時，系統(tǒng)每隔1個監(jiān)測周期采集1次曲軸振動信號，自動計算測點振動信號均值、方差等參數(shù)，并采用最小二乘法擬合振動信號的前三階振動分量。所有參數(shù)均在控制界面中顯示。

同時，系統(tǒng)還具有振動異常報警功能，即系統(tǒng)自動將監(jiān)測信號進行1次去均值處理，然后獲取處理后信號中超過“精度設(shè)定”值的振動信號 (簡稱超精度樣本)，并對超精度樣本信號進行求均值運算，按下式計算測點精度和超精度樣本比。

超精度樣本比=超精度樣本長度/樣本長度。

當(dāng)測點精度＜0.1時，說明曲軸整體振動幅值不大，故障報警欄顯示正常;當(dāng)0.1＜測點精度＜0.3，且超精度樣本比＞0.1時，說明曲軸整體振動幅值較大，故障報警欄顯示預(yù)警;當(dāng)測點精度＞0.3，且超精度樣本比＞0.1時，說明曲軸整體振動幅值很大，故障報警欄顯示超標(biāo)，此時用戶可以根據(jù)所擬合基頻信號的幅值判斷曲軸振動異常是否是由不平衡所引起，以便于查明異常振動原因。這里設(shè)置超精度樣本比的目的是防止小概率隨機干擾所引起的誤診斷。以上臨界參數(shù)可以根據(jù)實際情況進行更改。

2)離線分析方式。以上在線監(jiān)測信號可以自動生成文件名并保存到固定文件夾，用戶可以根據(jù)需要隨時調(diào)取歷史數(shù)據(jù)進行離線分析。用戶可以選取該系統(tǒng)應(yīng)用界面中的“離線分析”模式，此時，系統(tǒng)會以彈出式對話框的模式提示用戶加載歷史數(shù)據(jù)，并可以進行相應(yīng)的信號分析操作。

2 基于最小二乘法的不平衡振動信號提取方法

傳統(tǒng)的利用FFT算法求取振動信號的基頻成分時，一般會有1～3 Hz的頻率誤差 (這是由算法的頻率分辨率引起的)，而且FFT求得的相位信息誤差也偏大。在對柴油機曲軸振動信號的分析中采用最小二乘法擬合振動信號的低階頻率成分，該方法是在獲取曲軸振動信號及基準(zhǔn)信號的基礎(chǔ)上，首先由基準(zhǔn)信號計算當(dāng)前曲軸的轉(zhuǎn)頻，然后把此轉(zhuǎn)頻作為振動信號的基頻，并利用最小二乘法擬合振動信號的前幾階頻率成分。這里以前三階振動信號的擬合為例說明具體算法［3］。

設(shè)柴油機曲軸系統(tǒng)振動信號為

式中:y為曲軸振動信號;b為曲軸振動信號常數(shù)項;Y1，Y2，Y3分別為曲軸振動信號前三階頻率成分幅值;φ1，φ2，φ3分別為曲軸振動信號前三階頻率成分相位。

式(1)展開得:

由最小二乘原理可知，要使得誤差的平方和最小，則要求下式為最小:

式(4)分別對 a1，a2，a3，a4，a5，a6，b 求偏導(dǎo)，并令其等于0，對得到的偏微分方程化簡整理后可得a1，a2，a3，a4，a5，a6，b必須滿足正規(guī)方程組:

利用列主元高斯消去法求解上述7×7階的線性正規(guī)方程組，便可求得 a1，a2，a3，a4，a5，a6，b。然后利用下式求得:

獲得前三階頻率成分的幅值和相位信息后，可采用2種方法進行振動是否由不平衡量引起的判斷:①依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)及曲軸的實際情況，設(shè)定不平衡振動精度范圍。將基頻振動信號的幅值與曲軸精度相比較，如果超過精度要求，則不平衡振動過大，需要平衡;②在忽略熱變形的影響情況下，計算基頻振動信號的能量及曲軸振動信號的總能量，如果基頻振動信號的能量占多數(shù)，則振動是由不平衡量引起。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

本文實驗對象為山東淄博柴油機總公司生產(chǎn)的6300ZLCA號柴油機，柴油機額定功率為 ICN551 kW，額定轉(zhuǎn)速為500 r/min，飛輪端旋轉(zhuǎn)方向為R。采樣頻率為10 kHz，樣本長度為5 K點，基準(zhǔn)信號上升沿觸發(fā)采樣。實驗為轉(zhuǎn)速為300 r/min，監(jiān)測信號如圖3所示，信號分析結(jié)果如表1所示。

圖3 曲軸振動監(jiān)測信號Fig.3 The monitoring signal of crankshaft

表1 實驗數(shù)據(jù)分析Tab.1 The experiment data analysis

由表1可以看出，基頻信號幅值隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，可以看作為不平衡振動信號。同時，基頻信號幅值整體不大，說明被測柴油機曲軸系統(tǒng)不平衡量較小，所測振動信號主要為機構(gòu)耦合干擾所至。

4 結(jié)語

通過開展船舶柴油機曲軸振動信號監(jiān)測及不平衡振動信號提取研究，得出以下結(jié)論:

1)采用Labview語言開發(fā)信號采集、分析與監(jiān)控應(yīng)用程序。從功能上實現(xiàn)船舶柴油機振動信號監(jiān)測、分析和處理于一體，進而為基于曲軸振動信號監(jiān)測的柴油機不平衡振動異常監(jiān)測提供參考。

2)提出采用最小二乘法擬合曲軸前幾階振動分量的方法。該方法相對于傳統(tǒng)的利用FFT算法求取振動信號基頻成分的方法具有一定的優(yōu)勢，不平衡振動信號的提取精度較高。

3)實驗表明，文中所開發(fā)的船舶柴油機曲軸振動信號采集與監(jiān)控系統(tǒng)是有效的。采用課題所提出最小二乘法能夠較準(zhǔn)確地擬合曲軸前三階頻率振動分量，該方法對不平衡振動信號的提取是有效的。

［1］李志敏．基于振動分析的內(nèi)燃機主軸承狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷方法研究［D］．大連:大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院，2001．

［2］杜榮銘．船舶柴油機［M］．大連:大連海事大學(xué)出版社，1999．

［3］伍良生，晁慧泉，張仕海．基于最小二乘法的轉(zhuǎn)子不平衡振動信號的提取［J］．機械設(shè)計與制造，2012(2):194－196．

［4］SMALLEY A J．Automated Balancing of Rotors:Concepts and Initial Feasibility Study［J］．Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，1989，111(4):65 －69．

［5］叢培田，姜洪濤．六缸柴油機曲軸動平衡量分解方法研究［J］．沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2002，21(2):34 －37．

［6］ 鐘一諤，何衍宗．轉(zhuǎn)子動力學(xué)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，1987．

Vibration monitoring and imbalance vibration signal separating for marine diesel engine crankshaft

JIANG Shi-xun，ZHANG Shi-hai，YU Zhi-min
(Tianjin Maritime College，Tianjin 300350，China)

In accordance with the practical situations of marine diesel engine，the imbalance vibration monitoring significance for marine diesel engine crankshaft system was discussed and as well the reasons and harms of the imbalance vibrations were analyzed．The vibration monitoring system for marine diesel engine crankshaft was put forward．The application program for signal acquisition，signal analysis and signal monitoring were designed by Labview language．The method of least square was proposed to fit the first few order branch amount of the crankshaft vibration signal．The feasibility of the proposed system and method are tested via experiments．

diesel engine;crankshaft;vibration monitoring;imbalance

姜世勛(1976－)，男，碩士，講師，主要從事船舶柴油機故障診斷技術(shù)研究。

TK428

A

1672－7649(2013)05－0079－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.05.018

2012－10－15;

2012－11－06

天津市高等學(xué)?？萍及l(fā)展基金資助項目(20100414)