船用内燃机扭振测试分析研究

邹左明

（四川信息职业技术学院，广元 628017）

船用内燃机扭振测试分析研究

邹左明

（四川信息职业技术学院，广元 628017）

本文测试分析目的是通过内燃机系统轴系扭振测试分析，利用轴系扭振共振频率等测试结果，确定、调整各设定工况的转速。在柴油机转速从360r/min到750r/min范围内的16个工况下，对曲轴自由端进行扭振测试。将测试所得的电压信号转化为瞬时转速信号，然后将瞬时转速信号进行预处理得到转速波动曲线，对转速波动曲线积分得到轴系的角位移曲线，最后通过频谱分析得到各谐次的扭振幅值随转速变化曲线。通过分析可以得到内燃机曲轴飞轮端综合扭振角位移幅值、自由端综合扭振角位移幅值、内燃机的共振转速等。

振测试分析瞬时转速信号变化曲线

引言

船用内燃机扭转振动是影响船舶安全航行的非常重要因素之一，随着社会的高速发展，在大型船舶领域中，大功率船用柴油机应用非常广泛，发展长行程、超长行程的船用柴油机强化程度不断提高，在运转过程中船用柴油机的轴系承载和传递很大的负荷，轴系扭振状态变得更加复杂，使得计算和研究船用柴油机轴系更加重要［1］。假如柴油机的轴系长期处于工作的临界状态转速，则有可能会导致轴系动态整体功能下降，产生热变形以及疲劳失效，甚至发生扭断现象，为了减少或避免因柴油机扭转振动破坏的原因事故的产生，不仅在设计阶段时柴油机及其轴系应进行详细的扭振计算，而且在柴油机或船舶制造完备后，应及时进行扭振测量，扭振测量的结果不仅可以为修改理论、校核计算结果提供有效的依据，而且还可以发现扭振方面的一些问题，以便及时发现问题，解决问题，把一些事故隐患消灭在萌芽状态，这样才能保证船舶的安全运行［2］。

1测试及分析

本文按照内燃机轴系扭振测试的有关规定和扭振分析的需要，研究两个测点，即飞轮端和自由端。如图1所示。

图1测点位置

（1）通过内燃机轴系扭振测试分析，评价该轴系实际扭振特性；

（2）利用轴系扭振共振转速等测试结果，确定、调整各设定工况的转速；

在柴油转速从350到750r/min范围内的18个稳定工况下，对飞轮端和自由端进行扭振测试，并进行计算分析；

（3）由测得的磁电传感器输出电压脉冲数字信号，求得该工况下曲轴输出端的瞬时转速信号；

（4）对瞬时转速信号进行预处理；

（5）对瞬时转速信号积分得到扭振角位移信号；

（6）对扭振角位移信号进行简谐分析；

（7）计算综合及各谐次（0.5-12.0）扭振角位移幅值；

（8）利用各工况分析数据，对机组在工作转速范围内的轴系扭振状况和幅频特性进行分析；

（9）利用各工况分析数据，对机组轴系扭振共振频率等固有特性进行分析［3］。

2　信号处理

处理信号的作用是将A/D采集卡得到的电压脉冲信号变换成扭振分析所需的曲轴瞬时信号，并对瞬时转速信号预处理、扭振角位移计算、扭振角位移频谱分析、综合及各谐次扭振角位移幅值计算等工作。

2.1各工况原始转速信号

对内燃机轴系飞轮端、自由端的各个工况的的电压脉冲信号采用A/D采样高频计数法，可计算出瞬时转速。图2是柴油机转速为356.879r/min加载工况时飞轮端的原始瞬时转速曲线。

图2转速362.931r/min加载工况时原始瞬时转速曲线

每次测试采样时间为10s，在10s时间内对信号平稳的时间段局部取样。

各工况的内燃机轴系飞轮端、自由端的原始瞬时转速曲线如图3所示。

2.2原始转速信号预处理

对经过局部取样的瞬时转速信号进行多循环平均等预处理，可消除随机误差和转速波动对扭振分析的影响。柴油机转速为356.466r/min加载工况时轴系飞轮端经过预处理的多循环平均转速曲线如图4所示，柴油机转速为356.466r/min时，飞轮端经零均值化处理后的瞬时转速波动曲线如图5所示。

图3第二段原始瞬时转速曲线

图4转速356.466r/min多循环平均后曲线

图5转速356.466r/min加载工况零均值化后转速波动曲线

柴油机转速为356.466r/min时，自由端经过零均值化处理后的瞬时转速波动曲线如图6所示。

图6转速357.366工况零均值化后的转速波动曲线

各工况的轴系飞轮端、自由端预处理后的转速波动曲线见附录2。

3扭振角位移信号

利用解析积分的分析方法，结果分别如图7～8所示。

图7转速356.466工况时轴系飞轮端扭振角位移曲线

图8转速357.366工况时轴系自由端扭振角位移曲线

各工况的轴系飞轮端、自由端扭振角位移曲线见附录3。利用扭振角位移曲线可求出扭振角位移综合幅值。

4　扭振角位移频谱

对扭振角位移信号进行离散傅立叶变换，可得到相应的扭振角位移频谱，柴油机转速为360 r/min加载工况时轴系飞轮端和自由端扭振角位移频谱分别如图9～10所示。

图9转速356.466r/min工况轴系飞轮端扭振角位移频谱

各工况的轴系扭振角位移频谱图如图10所示。各谐次扭振角位移频谱数据（各谐次幅值）见表4、表5。

5角位移转速曲线及三维谱阵图

利用上述轴系飞轮端、自由端扭振角位移在各工况下的综合及各谐次幅值，可绘制出轴系飞轮端、自由端扭振角位移综合及主要谐次幅值随转速变化曲线，分别如图11～12所示。

由图可知，该柴油机曲轴飞轮端综合扭振角位移幅值在350～750r/min各工况下的最大值为0.372°，小于柴油机曲轴飞轮端0.5°的常规限值。

根据图可知，该柴油机曲轴自由端综合扭振角位移幅值在350～750r/min各工况下的远大于0.5°常规极限值。

飞轮端16个稳定工况扭振角位移主要扭振谐次的最大幅值及其对应转速见表4。

自由端16个稳定工况扭振角位移主要扭振谐次的最大幅值及其对应转速见表5。

图10转速356.466工况轴系飞轮端扭振角位移频谱

图11轴系飞轮端扭振角位移及主要谐次幅值变化曲线

图12轴系自由端扭振角位移综合及主要谐次幅值随转速变化曲线

表4飞轮端实测扭振主要谐次最大幅值及对应转速

表5自由端实测扭振主要谐次最大幅值及对应转速

轴系飞轮端、自由端扭振角位移在加减速工况下的综合及各谐次幅值，可绘制出轴系飞轮端、自由端扭振角位移综合及主要谐次幅值随转速变化曲线。加速段飞轮端、自由端扭振角位移综合及主要谐次幅值随转速变化曲线分别如图13～14所示。

图13加速段轴系飞轮端扭振角位移及谐次幅值变化曲线

图14加速段轴系自由端扭振角位移及谐次幅值变化曲线

比较图7.5.1～图7.5.4，在2.5、3、4谐次幅值有很大的变化，通过分析，利用扭振角位移各谐次幅值随转速变化曲线，可以得出该轴系部分扭振模态的固有频率。2.5谐次固有频率：2.5*714.89/60=29.787Hz；3谐次固有频率：3*604.94/60=30.247Hz；4谐次固有频率：4*450.048/60=30. 003Hz，由此可见，该内燃机组的固有频率为30Hz左右。绘制出轴系飞轮端、自由端各谐次扭振振幅、频率及转速的三维谱阵图，分别如图15～16所示。

图15轴系飞轮端三维谱阵图

图16轴系自由端三维谱阵图

6试验结论

（1）内燃机轴系飞轮端综合扭振角位移幅值在350-750r/min各工况下的最大值为0.372°，小于曲轴飞轮端0.5°的极限值；曲轴自由端综合扭振角位移幅值在350-750r/min各工况下的最大值为0.766°，大于曲轴自由端0.5°的常规极限值。

（2）通过测试分析，利用扭振角位移各谐次幅值随转速变化曲线，可以得出该轴系部分扭振模态固有频率。2.5谐次固有频率：2.5*714.89/60=29.787Hz；3谐次固有频率：3*604.94/60=30.247Hz；4谐次固有频率：4*450.048/60 =30.003Hz，由此知，该内燃机组的固有频率为30Hz左右。

［1］颜运涛.船舶柴油机轴系扭振测试系统的开发，2013学位论文

［2］张庆丰船用柴油机轴系扭转振动的分析研究，2011学位论文

［3］董大伟．基于曲轴角振动诊断内燃机各缸作功状况的研究［D］成都：西南交通大学，2002，1 1-15：38～46．

［4］］王井新1，闫兵1，冯伟1，孙梅云2，华春蓉1内燃动车组C27型柴油发电机组轴系扭振研究，西南交通大学，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