柴油机轴系弯曲振动测量与分析系统的开发

2018-04-20黄超

上海船舶运输科学研究所学报 2018年1期

黄　超

(扬州中远海运重工有限公司, 江苏扬州 225211)

0　引　言

弯曲振动是机械振动中的一种，对于船舶柴油机轴系，由于存在着各种不平衡量，如螺旋桨的旋转不平衡及轴系部件的不平衡质量、轴承部件间的作用力和柴油机运作时轴上受力不均匀等，这种振动会使柴油机曲轴内应力增加，承受动力载荷和不平衡力矩，导致相连部件的磨损、疲劳及使用寿命缩短，同时也会消耗能量及降低效率，影响整个机械和设备的工作性能。随着柴油机向高速、轻型及大功率的方向发展，对各类机械的运转速度、承载能力及工作寿命等方面的要求更高，发生振动的可能性也不断增大。此外，人们对机器的工作精度和稳定性的要求也越来越高，对控制振动的要求更加迫切[1-3]。这些都对弯曲振动测试的研究和分析提出更高的要求，再加上振动会给整个动力系统带来严重的危害，柴油机弯曲振动测量系统的研究受到更多的重视。开发柴油机弯曲振动测量与分析系统，不仅能及时发现故障，防止事故的发生，也能带来巨大的经济效益和社会效益。

1　轴系弯曲振动信号的测量与分析

振动测试技术作为解决工程振动问题的一种手段，早已被人们所利用。在测量方面，弯曲振动的测量大致分为电测量和光测量，电测量方法大多利用电涡流式位移传感器进行测量，光测量方法振动一般使用有读数显微镜、光杠杆、光干涉原理及激光多普勒效应测量，考虑到测量条件的多变性，无接触式弯曲振动测量被人们越来越多的使用。在信号分析方面，大容量、高精度及高速度的分析系统被逐渐运用，国内、外诸多学者通过数据采集与回放模块、信号分析模块、诊断模块和结果输出模块组成。根据柴油机零部件的振动特征，选择采样频率和触发方式完成数据采样，进行存盘与回放。信号分析模块完成信号频谱，时域与时序域的分析，提取需诊断的零部件的特征参数。许多研究对弯曲振动测试机信号分析均通过电涡流式位移传感器进行，在虚拟仪器平台上进行数据采集和分析，这里对于柴油机弯曲振动数据分析主要有频域分析、谐次分析和轴心轨迹分析。

1.1　频谱分析

频谱分析是将时域信号通过傅里叶变换至频域进行分析的方法，该分析方法是轴系弯曲振动中最实用且最常用的信号分析方法。频谱分析方法主要有功率谱分析、倒频谱分析和细化普分析等。由于轴系旋转过程中，振动信号中包含着轴频、激励信号频率及其高阶谱等频率，因此，可在弯曲振动信号的频谱中直观地分辨出轴系输出对应的频率成分。

1.2　谐次分析

谐次分析的理论基础是等角度分析方法，无论旋转机械的转速在启动或停机的过程中如何变化，在参考轴中每转内的采样点数是保持不变的，即在角域内该信号的振荡周期为恒定。因此，通过等角度分析方法可将旋转机械时域非平衡振动信号转换到角域的频域振动信号进行分析，可得到有效的分析结果，解决因转速波动而产生的谐波分量重叠带来的问题。

在转子系统中，某些振动频率总与轴频(基频)存在一定的比例关系。当转速变换时，基频和整个系统的振动频率都会的相应产生变化，但系统各频率成分和基频的比值是恒值。如果通过一定的变换，把振动信号频率谱图频率坐标改换为谐次(即振动频率与转轴频率之比)，在这种谐次谱上可避免一般频谱图上由于转速波动而造成的谱线分散。因此，进行谐次分析可检测到轴心不对中、轴心偏离、扭曲及纵向振动等故障[4]。

1.3　轴心轨迹分析

轴心轨迹是轴系在振动过程中实际轴心的运动轨迹，它是基于水平和垂直的电涡流位移传感器对x，y轴位移信号进行采集，对轴心轨迹绘制。

E0=ξ(δ)

(1)

由式(1)可知，轴心的水平和垂直方向的位移变化，通过整合可动态的在xy坐标轴系中描述轴心轨迹。由于在振动测试的过程中，可能受到外界干扰信号的影响，如不对中、非线性油膜力、柴油机曲轴工作发出的噪音、其他部件发出的信号对轴心位移信号产生的影响，因此，有必要选用滤波器对采集的信号进行滤波，对比未滤波和滤波轴心轨迹图。

对于轴心轨迹图进行研究和分析，可监测和分析油膜厚度和轴承磨损状态，预测轴承和轴系的运行状态趋势，当轴心轨迹向不同方向偏移和轴心轨迹发生不规则等变化时，通过分析判断轴承磨损程度、方位和原因，可有效评估和预测轴系的运行状态，防止重大事故的发生。

2　监测软件设计

2.1　开发软件介绍

LabVIEW是美国国家仪器公司(National Instruments,NI)开发的图形化编程语言,NI 提供了种类齐全的测试硬件和软件产品，如数据采集、信号调理、声音和振动测量及仪器控制等，可利用不同模块配合相应的采集系统，完成轴系弯曲振动数据的采集、分析与处理。

2.2　软件设计方案

弯曲振动测试系统软件的设计主要是指数据分析和处理,并在LabVIEW平台上进行开发，LabVIEW提供了功能强大的数据分析、处理工具和高级信号分析箱，能完成各种复杂信号的分析和处理工作，通过调用模块进行编程来实现对信号的分析和处理[5]。系统中要完成的数据分析和处理功能有数据采集的时域分析、频域分析、谐次分析和轴心轨迹图的绘制，具体的振动信号分析软件结构见图1。

图1　弯曲振动软件设计

3　方案的实现与开发

3.1　方案的设计

为测量和分析柴油机轴系的弯曲振动,在柴油机伸出端安置2个涡电流位移传感器，分别位于水平方向和垂直方向，对x和y方向进行位移变化的测量，再在柴油机飞轮的上方安装一个磁电式转速传感器来测量曲轴转速，由于位移变化和电压是单值函数，经过一系列的信号放大和调整，涡电流位移传感器输出能高效地反馈出弯曲振动的电压信号，利用LabVIEW平台对信号进行数据采集和处理，通过对振动信号进行时域分析、频域分析和谐次分析，检验测试的轴心轨迹能反应出轴系的振动特征，得到轴系弯曲的振动频率，同时将得到的振动频率与柴油机的固有频率进行对比，提出避免共振的技术手段，如快速越过共振区及应用阻尼减小弯曲振动频率等。具体的流程见图2。

图2　方案的设计流程

3.2　开发模块

3.2.1数据采集模块

弯曲振动的数据采集主要是对水平位移信号、垂直位移信号和转速信号进行采集，分别通过水平安置的电涡流位移传感器、垂直安置的点涡流位移传感器和安装在飞轮正上端的磁电式转速传感器来实现，采集到的是x轴电压信号、y轴电压信号和脉冲信号。

由于采集的是电压信号和脉冲信号，可调用硬件输入和输出→DAQmx→模拟信号中的模块，再进行设置和修改，设置最值、采样率、每个通道物理采样数、位移保存路径、齿数、转速显示及保存路径等，其中包括波形图及选项卡控件的调用,通过索引数组对数据进行保存，在对转速的显示和保存时，通过转换实现可得到幅值-时间的时域图，数据采集界面见图3。

图3　位移信号数据采集界面

3.2.2频域分析模块

频域分析是数据处理中使用次数最多且最实用的数据处理方法，它将采集的原始信号进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation, FFT)来实现幅值-频率的频谱图，在各转速下的进行频域分析后,可在共振区中找到柴油机振动的固有频率，也可进一步得出柴油机正常工作的转速范围等，同时可为提出避免共振的措施提供参考。

频域分析是对数据采集的原始数据做进一步的处理，通过调出2个波形图控件，再将提取的波形成分进行FFT变换来实现，频域分析界面见图4。