船用內(nèi)燃機(jī)扭振測(cè)試分析研究

鄒左明

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣元 628017）

船用內(nèi)燃機(jī)扭振測(cè)試分析研究

鄒左明

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣元 628017）

本文測(cè)試分析目的是通過(guò)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)軸系扭振測(cè)試分析，利用軸系扭振共振頻率等測(cè)試結(jié)果，確定、調(diào)整各設(shè)定工況的轉(zhuǎn)速。在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?60r/min到750r/min范圍內(nèi)的16個(gè)工況下，對(duì)曲軸自由端進(jìn)行扭振測(cè)試。將測(cè)試所得的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)，然后將瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理得到轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線，對(duì)轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線積分得到軸系的角位移曲線，最后通過(guò)頻譜分析得到各諧次的扭振幅值隨轉(zhuǎn)速變化曲線。通過(guò)分析可以得到內(nèi)燃機(jī)曲軸飛輪端綜合扭振角位移幅值、自由端綜合扭振角位移幅值、內(nèi)燃機(jī)的共振轉(zhuǎn)速等。

振測(cè)試分析瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)變化曲線

引言

船用內(nèi)燃機(jī)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是影響船舶安全航行的非常重要因素之一，隨著社會(huì)的高速發(fā)展，在大型船舶領(lǐng)域中，大功率船用柴油機(jī)應(yīng)用非常廣泛，發(fā)展長(zhǎng)行程、超長(zhǎng)行程的船用柴油機(jī)強(qiáng)化程度不斷提高，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中船用柴油機(jī)的軸系承載和傳遞很大的負(fù)荷，軸系扭振狀態(tài)變得更加復(fù)雜，使得計(jì)算和研究船用柴油機(jī)軸系更加重要［1］。假如柴油機(jī)的軸系長(zhǎng)期處于工作的臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)速，則有可能會(huì)導(dǎo)致軸系動(dòng)態(tài)整體功能下降，產(chǎn)生熱變形以及疲勞失效，甚至發(fā)生扭斷現(xiàn)象，為了減少或避免因柴油機(jī)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)破壞的原因事故的產(chǎn)生，不僅在設(shè)計(jì)階段時(shí)柴油機(jī)及其軸系應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的扭振計(jì)算，而且在柴油機(jī)或船舶制造完備后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行扭振測(cè)量，扭振測(cè)量的結(jié)果不僅可以為修改理論、校核計(jì)算結(jié)果提供有效的依據(jù)，而且還可以發(fā)現(xiàn)扭振方面的一些問(wèn)題，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，把一些事故隱患消滅在萌芽狀態(tài)，這樣才能保證船舶的安全運(yùn)行［2］。

1測(cè)試及分析

本文按照內(nèi)燃機(jī)軸系扭振測(cè)試的有關(guān)規(guī)定和扭振分析的需要，研究?jī)蓚€(gè)測(cè)點(diǎn)，即飛輪端和自由端。如圖1所示。

圖1測(cè)點(diǎn)位置

（1）通過(guò)內(nèi)燃機(jī)軸系扭振測(cè)試分析，評(píng)價(jià)該軸系實(shí)際扭振特性；

（2）利用軸系扭振共振轉(zhuǎn)速等測(cè)試結(jié)果，確定、調(diào)整各設(shè)定工況的轉(zhuǎn)速；

在柴油轉(zhuǎn)速?gòu)?50到750r/min范圍內(nèi)的18個(gè)穩(wěn)定工況下，對(duì)飛輪端和自由端進(jìn)行扭振測(cè)試，并進(jìn)行計(jì)算分析；

（3）由測(cè)得的磁電傳感器輸出電壓脈沖數(shù)字信號(hào)，求得該工況下曲軸輸出端的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)；

（4）對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；

（5）對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)積分得到扭振角位移信號(hào)；

（6）對(duì)扭振角位移信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)諧分析；

（7）計(jì)算綜合及各諧次（0.5-12.0）扭振角位移幅值；

（8）利用各工況分析數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)組在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的軸系扭振狀況和幅頻特性進(jìn)行分析；

（9）利用各工況分析數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)組軸系扭振共振頻率等固有特性進(jìn)行分析［3］。

2　信號(hào)處理

處理信號(hào)的作用是將A/D采集卡得到的電壓脈沖信號(hào)變換成扭振分析所需的曲軸瞬時(shí)信號(hào)，并對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)預(yù)處理、扭振角位移計(jì)算、扭振角位移頻譜分析、綜合及各諧次扭振角位移幅值計(jì)算等工作。

2.1各工況原始轉(zhuǎn)速信號(hào)

對(duì)內(nèi)燃機(jī)軸系飛輪端、自由端的各個(gè)工況的的電壓脈沖信號(hào)采用A/D采樣高頻計(jì)數(shù)法，可計(jì)算出瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。圖2是柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為356.879r/min加載工況時(shí)飛輪端的原始瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線。

圖2轉(zhuǎn)速362.931r/min加載工況時(shí)原始瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線

每次測(cè)試采樣時(shí)間為10s，在10s時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)平穩(wěn)的時(shí)間段局部取樣。

各工況的內(nèi)燃機(jī)軸系飛輪端、自由端的原始瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線如圖3所示。

2.2原始轉(zhuǎn)速信號(hào)預(yù)處理

對(duì)經(jīng)過(guò)局部取樣的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行多循環(huán)平均等預(yù)處理，可消除隨機(jī)誤差和轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)扭振分析的影響。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為356.466r/min加載工況時(shí)軸系飛輪端經(jīng)過(guò)預(yù)處理的多循環(huán)平均轉(zhuǎn)速曲線如圖4所示，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為356.466r/min時(shí)，飛輪端經(jīng)零均值化處理后的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線如圖5所示。

圖3第二段原始瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線

圖4轉(zhuǎn)速356.466r/min多循環(huán)平均后曲線

圖5轉(zhuǎn)速356.466r/min加載工況零均值化后轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為356.466r/min時(shí)，自由端經(jīng)過(guò)零均值化處理后的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線如圖6所示。

圖6轉(zhuǎn)速357.366工況零均值化后的轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線

各工況的軸系飛輪端、自由端預(yù)處理后的轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線見(jiàn)附錄2。

3扭振角位移信號(hào)

利用解析積分的分析方法，結(jié)果分別如圖7～8所示。

圖7轉(zhuǎn)速356.466工況時(shí)軸系飛輪端扭振角位移曲線

圖8轉(zhuǎn)速357.366工況時(shí)軸系自由端扭振角位移曲線

各工況的軸系飛輪端、自由端扭振角位移曲線見(jiàn)附錄3。利用扭振角位移曲線可求出扭振角位移綜合幅值。

4　扭振角位移頻譜

對(duì)扭振角位移信號(hào)進(jìn)行離散傅立葉變換，可得到相應(yīng)的扭振角位移頻譜，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為360 r/min加載工況時(shí)軸系飛輪端和自由端扭振角位移頻譜分別如圖9～10所示。

圖9轉(zhuǎn)速356.466r/min工況軸系飛輪端扭振角位移頻譜

各工況的軸系扭振角位移頻譜圖如圖10所示。各諧次扭振角位移頻譜數(shù)據(jù)（各諧次幅值）見(jiàn)表4、表5。

5角位移轉(zhuǎn)速曲線及三維譜陣圖

利用上述軸系飛輪端、自由端扭振角位移在各工況下的綜合及各諧次幅值，可繪制出軸系飛輪端、自由端扭振角位移綜合及主要諧次幅值隨轉(zhuǎn)速變化曲線，分別如圖11～12所示。

由圖可知，該柴油機(jī)曲軸飛輪端綜合扭振角位移幅值在350～750r/min各工況下的最大值為0.372°，小于柴油機(jī)曲軸飛輪端0.5°的常規(guī)限值。

根據(jù)圖可知，該柴油機(jī)曲軸自由端綜合扭振角位移幅值在350～750r/min各工況下的遠(yuǎn)大于0.5°常規(guī)極限值。

飛輪端16個(gè)穩(wěn)定工況扭振角位移主要扭振諧次的最大幅值及其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速見(jiàn)表4。

自由端16個(gè)穩(wěn)定工況扭振角位移主要扭振諧次的最大幅值及其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速見(jiàn)表5。

圖10轉(zhuǎn)速356.466工況軸系飛輪端扭振角位移頻譜

圖11軸系飛輪端扭振角位移及主要諧次幅值變化曲線

圖12軸系自由端扭振角位移綜合及主要諧次幅值隨轉(zhuǎn)速變化曲線

表4飛輪端實(shí)測(cè)扭振主要諧次最大幅值及對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速

表5自由端實(shí)測(cè)扭振主要諧次最大幅值及對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速

軸系飛輪端、自由端扭振角位移在加減速工況下的綜合及各諧次幅值，可繪制出軸系飛輪端、自由端扭振角位移綜合及主要諧次幅值隨轉(zhuǎn)速變化曲線。加速段飛輪端、自由端扭振角位移綜合及主要諧次幅值隨轉(zhuǎn)速變化曲線分別如圖13～14所示。

圖13加速段軸系飛輪端扭振角位移及諧次幅值變化曲線

圖14加速段軸系自由端扭振角位移及諧次幅值變化曲線

比較圖7.5.1～圖7.5.4，在2.5、3、4諧次幅值有很大的變化，通過(guò)分析，利用扭振角位移各諧次幅值隨轉(zhuǎn)速變化曲線，可以得出該軸系部分扭振模態(tài)的固有頻率。2.5諧次固有頻率：2.5*714.89/60=29.787Hz；3諧次固有頻率：3*604.94/60=30.247Hz；4諧次固有頻率：4*450.048/60=30. 003Hz，由此可見(jiàn)，該內(nèi)燃機(jī)組的固有頻率為30Hz左右。繪制出軸系飛輪端、自由端各諧次扭振振幅、頻率及轉(zhuǎn)速的三維譜陣圖，分別如圖15～16所示。

圖15軸系飛輪端三維譜陣圖

圖16軸系自由端三維譜陣圖

6試驗(yàn)結(jié)論

（1）內(nèi)燃機(jī)軸系飛輪端綜合扭振角位移幅值在350-750r/min各工況下的最大值為0.372°，小于曲軸飛輪端0.5°的極限值；曲軸自由端綜合扭振角位移幅值在350-750r/min各工況下的最大值為0.766°，大于曲軸自由端0.5°的常規(guī)極限值。

（2）通過(guò)測(cè)試分析，利用扭振角位移各諧次幅值隨轉(zhuǎn)速變化曲線，可以得出該軸系部分扭振模態(tài)固有頻率。2.5諧次固有頻率：2.5*714.89/60=29.787Hz；3諧次固有頻率：3*604.94/60=30.247Hz；4諧次固有頻率：4*450.048/60 =30.003Hz，由此知，該內(nèi)燃機(jī)組的固有頻率為30Hz左右。

［1］顏運(yùn)濤.船舶柴油機(jī)軸系扭振測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，2013學(xué)位論文

［2］張慶豐船用柴油機(jī)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的分析研究，2011學(xué)位論文

［3］董大偉．基于曲軸角振動(dòng)診斷內(nèi)燃機(jī)各缸作功狀況的研究［D］成都：西南交通大學(xué)，2002，1 1-15：38～46．

［4］］王井新1，閆兵1，馮偉1，孫梅云2，華春蓉1內(nèi)燃動(dòng)車(chē)組C27型柴油發(fā)電機(jī)組軸系扭振研究，西南交通大學(xué)，2010，9：9～11．

Torsional Vibration Test Analysis of Marine Engine

ZOU ZuoMing
（Sichuan Institute of Information Technology，Sichuan Guangyuan 628017）

The purpose of this analysis is to test torsional vibration test system by the internal combustion engine shafting analysis.We usedshafttorsionalresonancefrequencyvibrationtestresultsto determine and adjust the set conditions of speed.In the diesel engine speed from 360r/min to 16 conditions within 750r/min range，we tested the free end of the crankshaft torsional vibration，transferred the resulting test voltage signal into the instantaneous speed signal，then the instantaneous speed signal preprocessing get speed fluctuation curve ofspeedfluctuationcurveobtainedbyintegratingangularshaft displacement curve，and finally got the amplitude of each harmonic times twisted values spectrum analysis with the speed curve.Through the analysis it can be integrated flywheel end crankshaft torsional vibration angular displacement amplitude，the free end of the integrated torsional vibration angular displacement amplitude，resonance speed of the internal combustion engine and the like.

Vibration Test and Analysis；instantaneous speed signal；curve