船舶推進(jìn)軸系振動與功率測量系統(tǒng)設(shè)計

朱永祥

(南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通226010)

0 引 言

作為船舶動力設(shè)備的關(guān)鍵組成，船舶推進(jìn)軸系是指主動機(jī)輸出軸與螺旋漿之間的所有傳動軸及其軸附件，其主要功能是將主動機(jī)的能量輸出給螺旋槳并產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，推動船體產(chǎn)生運動［1］。傳動軸系的功率和振動測試是船舶動力測試的主要內(nèi)容，決定著船舶的整體性能，甚至影響到船舶航行的安全和可靠［2］。因此，在新船建造、船舶大修、船舶改裝和軸系轉(zhuǎn)速不正常的情況必須進(jìn)行船舶推進(jìn)軸系功率和振動的測試，以確保航行安全。目前，船舶推進(jìn)軸系功率測試的方法主要包括鋼弦法［3］和應(yīng)變遙測法［4-5］2 種。鋼弦法使用鋼弦傳感器對某一段軸的扭轉(zhuǎn)變形和變化頻率進(jìn)行測量，從而計算出被測軸的扭矩、轉(zhuǎn)速和功率等信息;應(yīng)變遙測法使用應(yīng)變式傳感器測量軸系的主應(yīng)變，具有測量體積小、安裝方式靈活、測量信息噪音小等優(yōu)點。軸系振動的測量方法主要包括機(jī)械式和傳感式［6-8］兩大類。機(jī)械式通常利用杠桿原理將軸的振動形變放大后進(jìn)行記錄數(shù)據(jù)，抗干擾能力強(qiáng);傳感式使用傳感器感知軸系的振動信息，經(jīng)信號放大器放大后獲得采集儀器所需的電平值，可進(jìn)行振動信號的穩(wěn)態(tài)測量［9］。本文利用應(yīng)變遙測法，結(jié)合測試技術(shù)和信息分析處理技術(shù)，設(shè)計一種船舶推進(jìn)軸系振動和功率測量系統(tǒng)，并進(jìn)行實體船舶軸系振動性能測試實驗，以驗證所設(shè)計的系統(tǒng)測試過程的穩(wěn)定性和可靠性。

1 推進(jìn)軸系振動機(jī)理測量方法

1.1 旋轉(zhuǎn)軸振動特性分析

假設(shè)旋轉(zhuǎn)軸的軸心線水平，即轉(zhuǎn)子的2 個支撐點在同一水平線上，如圖1 所示。通常情況下，轉(zhuǎn)子在靜止?fàn)顟B(tài)下因重力產(chǎn)生的靜變形較小，對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動影響較小，可忽略不計。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子在離心力作用下，旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生動變形，此時，轉(zhuǎn)子的運動是自身旋轉(zhuǎn)和弓形轉(zhuǎn)動的疊加，設(shè)轉(zhuǎn)子質(zhì)量為m，則轉(zhuǎn)子的彈性力為:

式中:k 為轉(zhuǎn)子的剛度系數(shù);a 為靜止?fàn)顟B(tài)下質(zhì)心O與轉(zhuǎn)動狀態(tài)下轉(zhuǎn)子中心O′之間的距離。

圖1 圓盤轉(zhuǎn)子振動示意圖Fig.1 The diagram of disc rotor vibration

轉(zhuǎn)子的動微分方程為:

式中:X，Y 為轉(zhuǎn)子振動幅度大小;φx和φy為相位。

通常情況下，橫向振幅X 和縱向振幅Y 大小不等。轉(zhuǎn)子的不平衡、轉(zhuǎn)子的不對中、轉(zhuǎn)子彎曲和油膜震蕩等均會造成轉(zhuǎn)子振動加劇現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2 推進(jìn)軸系振動信號測量方法

采用電渦流傳感器對旋轉(zhuǎn)軸上的某一點進(jìn)行非接觸測量該點的縱向振動和回旋振動。電渦流傳感器測量的基本原理是。當(dāng)高頻電流穿過感應(yīng)線圈時，線圈產(chǎn)生交變的高頻磁場。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸處于交變磁場中時，在旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)部將產(chǎn)生電渦流，從而在旋轉(zhuǎn)軸周圍產(chǎn)生電渦流磁場，該磁場與高頻磁場疊加后形成一定程度的線圈阻抗。阻抗的大小隨旋轉(zhuǎn)軸的振動變化而變化，并轉(zhuǎn)化為可檢測的電信號，最終獲得旋轉(zhuǎn)軸的振動信號。其中，電信號為幅值較小的模擬電壓信號，需經(jīng)過信號放大器放大后才能由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后流經(jīng)計算機(jī)進(jìn)行信號的處理或分析。本文同時采用信號的時域分析和頻域分析進(jìn)行檢測信號的分析和處理。時域分析時的信號幅值的均值定義如下:

該值能夠表征轉(zhuǎn)子振動幅度的大小，振動信號的有效值計算方法如下:

振動信號的有效值反映了信號功率的大小，即機(jī)械振動能量的大小，可作為振動強(qiáng)度的度量。當(dāng)振動周期為T 時上式可變?yōu)?

軸心軌跡測量的目的是為了表征轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時軸線是否對中，不同的轉(zhuǎn)子故障將對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)子軸心軌跡形狀。例如，油膜渦動故障的軸心軌跡形狀為“8”字形。軸心軌跡的測量示意圖如圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)子軸心軌跡測量示意圖Fig.2 The measurement schematic diagram of rotor axis trajectory

當(dāng)2 個電渦流傳感器所測軸心振動位移分別為s1(t)和s2(t)，則該時刻軸心位置坐標(biāo)為:

2 振動測量系統(tǒng)設(shè)計

船舶推進(jìn)軸系振動與功率測量系統(tǒng)的設(shè)計主要包括硬件的設(shè)計、軟件開發(fā)環(huán)境的選擇和系統(tǒng)軟件的設(shè)計。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)軸系振動信號的采集、采集信號的處理、處理后振動信號的顯示和測試結(jié)果的輸出等幾個主要功能。軸系過來測量裝置主要包括應(yīng)變傳感器、遙測扭矩儀、測速表和串口服務(wù)器等;軸系振動測量裝置主要包括電渦流傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和轉(zhuǎn)標(biāo)等。上述2 個裝置的硬件組成示意圖如圖3 所示。

圖3 振動測量系統(tǒng)硬件組成示意圖Fig.3 The schematic diagram of vibration measurement system hardware

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 The flow chart of system software

本文所選用的應(yīng)變式傳感器為KFW/KFWS 防水型箔式電阻應(yīng)變片。采用Nport5230 系列串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行扭矩儀、轉(zhuǎn)速表和工控機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，該服務(wù)器具有傳輸線少和操作簡單等優(yōu)點，能夠同時支持RS232 和RS485 協(xié)議進(jìn)行串口通信。電渦流傳感器的主要性能參數(shù)為:測量范圍2 mm，工作帶寬0 ～5 kHz，探頭直徑8 mm。數(shù)據(jù)采集卡選用研華4711數(shù)據(jù)采集卡，其主要性能參數(shù)為:分辨率12 bit，頻率100 kHz，8 位數(shù)字輸入通道，輸入電壓1 kHz。

使用VB. Net 進(jìn)行系統(tǒng)軟件的開發(fā)并使用MOXA公司的Pcomm 控件進(jìn)行采集信號的分析和處理，以簡化編程過程。系統(tǒng)軟件的程序流程如圖4 所示。

3 系統(tǒng)性能測試

采用設(shè)計的船舶推進(jìn)軸系功率測量系統(tǒng)進(jìn)行某船軸功率和軸系振動測試實驗，以驗證本測試系統(tǒng)的性能。實驗時，軸系振動測量分為縱向振動和回旋振動2 個部分。圖5 所示為某軸轉(zhuǎn)速為63.35 r/min 工況下測得的縱向共振轉(zhuǎn)速，由圖中可以看出，頻率6 021 Hz，振幅1.025 6 mm，峰峰值4.012 3 mm。

圖5 軸系縱向振動信號時域圖Fig.5 The time domain of vertical shaft vibration signal

本文所設(shè)計的系統(tǒng)與現(xiàn)有設(shè)備ZDL-IV 縱向振動測試數(shù)據(jù)對比情況如表1 所示。從表中可看出，2 種系統(tǒng)測得的信號數(shù)據(jù)相對誤差較小，結(jié)果較為接近。

表1 軸系縱向振動測試性能對比Tab.1 The contrast of vertical shafting vibration test performance

圖6 所示為某軸轉(zhuǎn)速為56.95 γ/min 工況下測得的回旋振動轉(zhuǎn)速，由圖中可以看出，頻率6 021 Hz，振幅0.075 6 mm，峰峰值0.863 5 mm。

本文所設(shè)計的系統(tǒng)與現(xiàn)有設(shè)備ZDL -IV 回旋振動測試數(shù)據(jù)對比情況如表2 所示。從表中可看出，2種系統(tǒng)測得的信號數(shù)據(jù)相對誤差較小，結(jié)果較為接近，進(jìn)一步證明了本文所設(shè)計的船舶推進(jìn)軸系振動與功率測量系測量結(jié)果真實可靠。

圖6 軸系回旋振動信號時域圖Fig.6 The time domain of shafting vibration signal

表2 軸系回旋振動測試性能對比Tab.2 The comparison of shafting vibration test performance

圖7 為4 種不同轉(zhuǎn)速下軸系的軸心軌跡測量圖圖形。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下軸心軌跡測量Fig.7 Axis trajectory measurement under different rotational speed

通過對比上述軸心軌跡圖可知，轉(zhuǎn)速越高，軸心軌跡越接近于圓形形狀，且臨界轉(zhuǎn)速為61.23 r/min。當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(如35.10 r/min)，由于軸的不對中或非線性油膜力的影響，軸的縱向振動和回旋振動疊加后，測量振動頻率是基頻和多種振動頻率的疊加，因此軸心軌跡形狀不規(guī)側(cè);當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，由于基頻成為疊加信號中的主頻，即主要振動成分，因此其軸心軌跡接近于圓形。

4 結(jié) 語

本文基于信號分析和處理技術(shù)，設(shè)計了船舶推進(jìn)軸系振動與功率測量裝置，能夠?qū)S系功率和振動信號進(jìn)行測量。采用設(shè)計的船舶推進(jìn)軸系功率測量系統(tǒng)進(jìn)行了某船舶的軸功率和軸系振動測試實驗，實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)所測軸系縱向振動和回旋振動共振轉(zhuǎn)速誤差分別小于1.24%和1.09%，幅值誤差分為小于1.23%和1.06%，峰峰值誤差分別小于2.26%和2.13%，能夠準(zhǔn)確測量出不同轉(zhuǎn)速下軸心軌跡形狀，與理論軌跡趨向相吻合，滿足實際測量要求。

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