某6缸V型柴油机振动测量及分析

， ，

(1.中国人民解放军91708部队，广州 510320；2.海军工程大学 船舶与动力学院，武汉 430033)

柴油机振动水平在国家标准和海军标准中均有明确规定，所有船用柴油机正式服役前或经过维修后均需要测量振动[1-2]。柴油机振动信号特性的变化在一定程度上能够反映机器的性能，建立柴油机的振动信号数据库对柴油机的维护保养、修理、状态监测等具有重要的意义。而振动烈度和柴油机振动信号的频谱是重要的指标。以某型柴油机为例，对柴油机振动加速度进行测量，分析该型柴油机振动信号的特点。

1 试验

1.1 试验对象

6缸V型柴油机用作发电机，四冲程、涡轮增压、中间冷却，额定转速1 500 r/min，V型夹角60°，发火顺序A1—B2—A3—B1—A2—B3。从飞轮端看，左侧为A，右侧为B，靠近飞轮端为1。机组弹性安装。

1.2 测点布置

在柴油机上布置4个测点，在发电机上布置1个测点。测点布置的原则是尽量反映机组整体的运动，刚度较差的地方尽量不布点(例如悬臂结构、较薄的壳体等)。测点1在柴油机安装支座上，位于B侧自由端机脚附近；测点2在柴油机B侧输出端机脚螺栓上；测点3在柴油机B1缸缸盖侧面；测点4在发电机罩壳上；测点5在柴油机A侧机体上，位于A侧自由端机脚附近。每个测点测量3个方向，X向(垂向)为垂直于水平方向，Y向(纵向)为平行于柴油机曲轴中心线方向，Z向(横向)与XY平面垂直。

1.3 试验仪器和测量设置

试验仪器见表1。测量系统量程±10 V。加速度计最大可测值100 g， 频率范围0.5 Hz～4.0 kHz。测量时单通道采样频率设定为2 560 Hz，耦合方式ICP耦合，带通滤波范围3 Hz～1 kHz。

表1 试验仪器

2 振动烈度计算

2.1 振动速度有效值计算

实际的采样信号为加速度，而评估振动烈度用的是振动速度，采用数值积分方法得到速度信号。速度有效值计算流程见图1。计算得到的是单个测点单个方向的振动速度有效值，有效值定义如下[3]：

(1)

(2)

(3)

式中：vx(i)、vy(i)、vz(i)——X、Y、Z向第i个测点的振动速度值；

N——平均的点数。

图1 速度有效值计算流

表2为1 500 r/min、空载时各测点各方向的振动速度有效值，可以看出，柴油机上各测点(测点1、2、3、5)横向振动速度最大，垂向次之，纵向最小。电机上测点振动速度(测点4)垂向和纵向相差不大，但横向明显大于其余两个方向。其余工况趋势相同。

表2 转速1 500 r/min，空载时各测点振动速度有效值 (mm·s-1)

2.2 烈度计算

机组烈度Vrms计算公式如下[2]：

(4)

式中：∑Vx、∑Vy、∑Vz——同一工况下，垂向、纵向、横向各测点振动速度有效值的和，mm/s；

Nx、Ny、Nz——同一工况下，垂向、纵向、横向测点数。

2.3 振动烈度结果

采用上述方法对采样信号进行分析，得到振动烈度结果见表3。

表3 振动烈度结果

空载时测量了3个转速下的振动烈度，1 200 r/min时烈度最大，1 500 r/min时次之，900 r/min时振动烈度最小。同一负荷下，烈度随转速的变化不是单调的。额定转速下，从空载逐渐增加负荷，直至额定负荷，可以看出，随着负荷增加，振动烈度单调增加。

3 振动速度信号频谱分析

3.1 信号频谱分析

图2为900 r/min、空载时测点1横向振动速度幅值谱，频谱最大幅值对应频率22.5 Hz，对应曲轴转动频率15 Hz的1.5倍。

图2 测点1横向振动速度幅值谱(900 r/min，空载)

图3为1 200 r/min、空载时测点1横向振动速度幅值谱，频谱最大幅值对应的频率为30 Hz，对应曲轴转动频率20 Hz的1.5倍。

图3 测点1横向振动速度幅值谱(1 200 r/min，空载)

图4为1 500 r/min、空载时测点1横向振动速度幅值谱，频谱最大幅值对应的频率为37.5 Hz，对应曲轴转动频率25 Hz的1.5倍。

图4 测点1横向振动速度幅值谱(1 500 r/min，空载)

同是空载，1 200 r/min时频谱的最大幅值明显大于900 r/min时和1 500 r/min时的频谱幅值，可见在22.5～37.5 Hz之间，柴油机存在一个共振频率，且该共振频率更接近30 Hz。

3.2 各测点振动信号相关分析

由于篇幅限制，只列出了测点1的部分频谱，从图2～4可以看出，振动速度的频谱表现出明显的线谱性质，基频为柴油机单缸发火频率，各阶倍频均有明显幅值，幅值谱最大值对应的频率均为基频的3倍。相干分析发现[4]，柴油机上各测点振动频谱分布类似。从表4和图5～8可以看出，在额定转速下，同一测点的不同方向振动速度信号在柴油机发火基频及其倍频处相干系数均大于0.8，多数为0.9，在转动频率的1.5倍频处接近于1。同一负荷下，不同测点同一方向的振动速度相关系数分布规律很接近。不同负荷时，同一测点同一方向的相干系数分布规律也相近。

图5 测点1振动速度垂向和纵向的相干系数(1 500r/min,100%负荷)

表4 相干系数表

图6 测点1振动速度垂向和横向的相干系数(1 500r/min,100%负荷)

图7 测点1和测点2的相干系数(1 500r/min,100%垂向)

图8 不同负荷下测点1垂向振动速度的相干系数(1 500r/min，89%负荷和100%负荷)

4 结论

1) 6缸V型柴油机平衡性差，因此振动烈度较大，额定转速额定负荷时达到39 mm/s。不论转速多大，振动速度幅值谱的最大值对应的频率为曲轴转动频率的1.5倍，即单缸发火频率的3倍，也就是单列气缸的发火频率，额定转速时为37.5 Hz。说明该频率的激励是柴油机振动的主要激励源，减小该激励将是减小柴油机振动烈度的主要方法。

2) 额定转速下，发电机组振动烈度随着负荷的增加而增加；而负荷不变时，振动烈度随转速的变化不是单调的。

3) 相干分析表明，同一转速下，该型柴油机不同测点、同一测点的不同方向、同一测点同一方向在不同负荷时，振动速度的频谱分布类似，单列气缸发火频率处的相干系数接近于1。这也说明6缸V型柴油机的最重要激励源的频率为单列气缸发火频率。

[1] 欧阳光耀，高洪滨，谭 笛，等.安装基础刚度对柴油机振动烈度的影响分析[J].内燃机工程，2007，28(6)：70-72.

[2] 朱海潮，何 琳，霍 睿，等.用钢丝绳隔振器进行船舶主机隔振[J].船海工程,2002(4)：12-15.

[3] GB/T 12779—91.往复式机器整机振动测量与评级方法[S].北京：中国标准出版社,1991.

[4] 飞思科技产品研发中心.MATLAB7辅助信号处理技术与应用[M].北京：电子工业出版社,2005.