船用二沖程柴油機機身側面振動信號的特征分析

胡以懷，Munyao Elijah Musango，韓冰，欒泳立，芮曉松

（1.上海海事大學，上海201306；2.上海船舶運輸科學研究所，上海200135；3.中航鼎衡造船有限公司，江都225217）

0 引言

遠洋船舶機艙是一個集機、電、熱、液為一體的復雜系統(tǒng)，且受到惡劣的航行條件、多變的運行工況等多種因素的影響，其運行狀態(tài)直接影響著整個船舶的正常航行。統(tǒng)計資料表明，在引起海難事故的各種因素中，船舶機械設備的故障高居首位。在船舶機艙設備中，船用柴油機系統(tǒng)仍然是事故發(fā)生率最高的部位，特別是活塞、缸套、氣閥、噴油器這些燃燒室周圍的零部件。由于二沖程柴油主機是機艙中最主要的動力設備，因其故障而引發(fā)的事故往往是較大事故［1-3］。船舶機損事故造成的經濟損失動輒上百萬元，甚至危及船舶安全，造成惡劣的環(huán)境污染。船舶柴油機由于其復雜的結構和惡劣的工作條件，是機艙設備中影響船舶安全航行的最大因素，加強船舶柴油機故障診斷技術方面的研究意義重大，有很大的實用價值。

遠洋船舶大多數(shù)采用二沖程十字頭式柴油機作為主機。這種柴油機的十字頭軸承連接著連桿和活塞桿組件，起著傳遞動力的重要作用，同時也承受連桿的側推力。因二沖程柴油機轉速低、壓比高，其十字頭軸承工作環(huán)境十分惡劣，容易發(fā)生故障，故需要了解十字頭軸承的磨損情況，以便及時采取措施保證軸承有良好的潤滑。利用柴油機機身側面的振動信號可以監(jiān)測柴油機缸內燃燒和活塞-缸套的磨損狀態(tài)，這已經在高速四沖程柴油機的振動試驗中得到了證實［4-5］。但是十字頭式低速二沖程柴油機的工作原理與四沖程柴油機不一樣，能否利用二沖程柴油機的機身側面振動信號監(jiān)測十字頭軸承的磨損狀態(tài)，是本論文的主要研究目的。本文通過對柴油機機身側面的振動進行測試與分析，獲得一些重要的特征信息，為低速二沖程十字頭式柴油機十字頭軸承的磨損故障振動診斷的應用奠定基礎。

1 振動測試系統(tǒng)和測點

試驗對象為一臺MAN B＆W 6S35ME-B型船用電控二沖程6缸十字頭式柴油主機，其額定轉速142 r／min，額定功率3 400 kW，發(fā)火順序1-5-3-4-2-6。該型柴油機十字頭采用雙導板結構，依靠十字頭軸承兩邊的滑塊承受側推力 （見圖1），故機身側面的振動測點都布置在各缸上止點位置時的十字頭軸承兩邊滑塊的對應位置，共7個測點。部分機身側面振動測點位置 （1#、2#和3#振動測點位置）如圖2所示，全部振動測點位置見圖3。這樣，1#振動測點可以監(jiān)測1#缸十字頭軸承左側滑塊的振動沖擊，2#測點可以監(jiān)測1#缸十字頭右側滑塊和2#缸十字頭左側滑塊的振動沖擊，3#測點可以監(jiān)測2#缸十字頭右側滑塊和3#缸十字頭左側滑塊的振動沖擊，7#測點可以監(jiān)測6#缸十字頭右側滑塊。測試設備為北京東方振動和噪聲技術研究所開發(fā)的ICP型振動傳感器、DASP-10振動檢測儀、INV3602數(shù)據采集儀和DASP-V10振動分析軟件，測試系統(tǒng)如圖3所示。

圖1 二沖程柴油機十字頭結構示意

圖2 二沖程柴油主機機身側面的測點布置

圖3 二沖程柴油主機的振動測試與分析系統(tǒng)

2 靜態(tài)敲擊試驗

為了解柴油機機身表面振動的傳播特性，在上海海事大學自動化機艙實驗室內對柴油機不同點進行了靜態(tài)敲擊試驗。圖4是在6S35ME-B柴油機1#缸套上部敲擊后獲得的柴油機機身側面1#、2#、3#、4#測點的振動信號?？梢姡捎?#測點最接近缸套敲擊點，故振動幅值最大，而相鄰各缸的振動衰減很快，各機身側面測點的平均振動峰值分別是52.1 m／s2、 22.4 m／s2、 20.7 m／s2和 9.2 m／s2， 說明相鄰各缸機身側面測點之間的振動影響較小。

圖5是在柴油機1#缸機身側面上部敲擊后獲得的柴油機機身側面1#、2#、3#和4#測點的振動信號。可見，1#、2#測點距敲擊點最近，振動也最大，而3#、4#測點的振動明顯較小，再次證明柴油機機身側面相鄰測點之間的振動干擾較小，為各缸十字頭軸承磨損故障振動監(jiān)測提供了便利。

圖4 柴油機1#缸套靜態(tài)敲擊下機身側面1#、2#、3#和4#測點的振動響應

圖5 柴油機1#缸機身上部靜態(tài)敲擊下機身側面1#、2#、3#和4#測點的振動響應

3 動態(tài)測試

在轉速90 r／min、 功率987.0 kW 運行工況下，對該柴油主機進行了振動測試試驗。柴油機機身側面1#、2#和3#測點的振動波形及頻譜分析結果如圖6～7所示?？梢?，1個工作周期內機身側面有6個振動沖擊，振動能量主要分布在高頻6.5 ～7.5 kHz。從圖6還可以看出，1#測點由于最靠近1#缸十字頭左側滑塊，其1#缸對應的振動沖擊最強。2#測點最靠近1#缸十字頭右側滑塊和2#缸十字頭左側滑塊，故其1#缸和2#缸對應的振動沖擊最強。3#測點最靠近2#缸十字頭右側滑塊和3#缸十字頭左側滑塊，故其2#缸和3#缸對應的振動沖擊最強。這些現(xiàn)象充分證明，機身側面的振動沖擊來自于十字頭軸承滑塊對導板的撞擊。

圖8是柴油機在轉速130 r／min、功率2 640kW運行工況下機身側面1#、2#和3#側點的振動信號，圖9是相同工況下機身側面4#、5#和6#測點振動信號。其進一步證實了該6缸十字頭柴油機1個工作周期內機身側面有6個振動沖擊，都分別對應于各缸十字頭滑塊橫向撞擊導板的位置，且相鄰缸的振動沖擊最強?？梢姡ㄟ^監(jiān)測相同運行工況下各缸十字頭處機身側面的振動沖擊強度，可以了解各缸十字頭滑塊和軸承的磨損情況。

圖6 柴油主機90 r／min轉速下機身側面1#、2#和3#測點的振動響應

圖7 柴油機90 r／min轉速下機身側面1#測點的振動波形及頻譜圖

圖8 柴油機130 r／min轉速下機身側面1#、2#和3#測點的振動響應

圖9 柴油機130 r／min轉速下機身側面4#、5#和6#測點的振動響應

4 結論

對船用二沖程低速柴油主機機身側面的振動測試與分析表明，相鄰各缸機身測點之間的振動影響較小，且1個工作周期內機身側面有6個振動沖擊，分別對應于各缸十字頭滑塊橫向撞擊導板的位置，這是與四沖程柴油機機身側面振動的不同之處。雖然利用機身側面的振動信號不能監(jiān)測十字頭柴油機活塞-缸套的磨損間隙，但可以監(jiān)測十字頭滑塊和軸承的磨損狀態(tài)，為二沖程柴油機十字頭的磨損故障振動監(jiān)測提供了一個新的方法。