船用二冲程柴油机机身侧面振动信号的特征分析

胡以怀，Munyao Elijah Musango，韩冰，栾泳立，芮晓松

（1.上海海事大学，上海201306；2.上海船舶运输科学研究所，上海200135；3.中航鼎衡造船有限公司，江都225217）

0 引言

远洋船舶机舱是一个集机、电、热、液为一体的复杂系统，且受到恶劣的航行条件、多变的运行工况等多种因素的影响，其运行状态直接影响着整个船舶的正常航行。统计资料表明，在引起海难事故的各种因素中，船舶机械设备的故障高居首位。在船舶机舱设备中，船用柴油机系统仍然是事故发生率最高的部位，特别是活塞、缸套、气阀、喷油器这些燃烧室周围的零部件。由于二冲程柴油主机是机舱中最主要的动力设备，因其故障而引发的事故往往是较大事故［1-3］。船舶机损事故造成的经济损失动辄上百万元，甚至危及船舶安全，造成恶劣的环境污染。船舶柴油机由于其复杂的结构和恶劣的工作条件，是机舱设备中影响船舶安全航行的最大因素，加强船舶柴油机故障诊断技术方面的研究意义重大，有很大的实用价值。

远洋船舶大多数采用二冲程十字头式柴油机作为主机。这种柴油机的十字头轴承连接着连杆和活塞杆组件，起着传递动力的重要作用，同时也承受连杆的侧推力。因二冲程柴油机转速低、压比高，其十字头轴承工作环境十分恶劣，容易发生故障，故需要了解十字头轴承的磨损情况，以便及时采取措施保证轴承有良好的润滑。利用柴油机机身侧面的振动信号可以监测柴油机缸内燃烧和活塞-缸套的磨损状态，这已经在高速四冲程柴油机的振动试验中得到了证实［4-5］。但是十字头式低速二冲程柴油机的工作原理与四冲程柴油机不一样，能否利用二冲程柴油机的机身侧面振动信号监测十字头轴承的磨损状态，是本论文的主要研究目的。本文通过对柴油机机身侧面的振动进行测试与分析，获得一些重要的特征信息，为低速二冲程十字头式柴油机十字头轴承的磨损故障振动诊断的应用奠定基础。

1 振动测试系统和测点

试验对象为一台MAN B＆W 6S35ME-B型船用电控二冲程6缸十字头式柴油主机，其额定转速142 r／min，额定功率3 400 kW，发火顺序1-5-3-4-2-6。该型柴油机十字头采用双导板结构，依靠十字头轴承两边的滑块承受侧推力 （见图1），故机身侧面的振动测点都布置在各缸上止点位置时的十字头轴承两边滑块的对应位置，共7个测点。部分机身侧面振动测点位置 （1#、2#和3#振动测点位置）如图2所示，全部振动测点位置见图3。这样，1#振动测点可以监测1#缸十字头轴承左侧滑块的振动冲击，2#测点可以监测1#缸十字头右侧滑块和2#缸十字头左侧滑块的振动冲击，3#测点可以监测2#缸十字头右侧滑块和3#缸十字头左侧滑块的振动冲击，7#测点可以监测6#缸十字头右侧滑块。测试设备为北京东方振动和噪声技术研究所开发的ICP型振动传感器、DASP-10振动检测仪、INV3602数据采集仪和DASP-V10振动分析软件，测试系统如图3所示。

图1 二冲程柴油机十字头结构示意

图2 二冲程柴油主机机身侧面的测点布置

图3 二冲程柴油主机的振动测试与分析系统

2 静态敲击试验

为了解柴油机机身表面振动的传播特性，在上海海事大学自动化机舱实验室内对柴油机不同点进行了静态敲击试验。图4是在6S35ME-B柴油机1#缸套上部敲击后获得的柴油机机身侧面1#、2#、3#、4#测点的振动信号。可见，由于1#测点最接近缸套敲击点，故振动幅值最大，而相邻各缸的振动衰减很快，各机身侧面测点的平均振动峰值分别是52.1 m／s2、 22.4 m／s2、 20.7 m／s2和 9.2 m／s2， 说明相邻各缸机身侧面测点之间的振动影响较小。

图5是在柴油机1#缸机身侧面上部敲击后获得的柴油机机身侧面1#、2#、3#和4#测点的振动信号。可见，1#、2#测点距敲击点最近，振动也最大，而3#、4#测点的振动明显较小，再次证明柴油机机身侧面相邻测点之间的振动干扰较小，为各缸十字头轴承磨损故障振动监测提供了便利。

图4 柴油机1#缸套静态敲击下机身侧面1#、2#、3#和4#测点的振动响应

图5 柴油机1#缸机身上部静态敲击下机身侧面1#、2#、3#和4#测点的振动响应

3 动态测试

在转速90 r／min、 功率987.0 kW 运行工况下，对该柴油主机进行了振动测试试验。柴油机机身侧面1#、2#和3#测点的振动波形及频谱分析结果如图6～7所示。可见，1个工作周期内机身侧面有6个振动冲击，振动能量主要分布在高频6.5 ～7.5 kHz。从图6还可以看出，1#测点由于最靠近1#缸十字头左侧滑块，其1#缸对应的振动冲击最强。2#测点最靠近1#缸十字头右侧滑块和2#缸十字头左侧滑块，故其1#缸和2#缸对应的振动冲击最强。3#测点最靠近2#缸十字头右侧滑块和3#缸十字头左侧滑块，故其2#缸和3#缸对应的振动冲击最强。这些现象充分证明，机身侧面的振动冲击来自于十字头轴承滑块对导板的撞击。

图8是柴油机在转速130 r／min、功率2 640kW运行工况下机身侧面1#、2#和3#侧点的振动信号，图9是相同工况下机身侧面4#、5#和6#测点振动信号。其进一步证实了该6缸十字头柴油机1个工作周期内机身侧面有6个振动冲击，都分别对应于各缸十字头滑块横向撞击导板的位置，且相邻缸的振动冲击最强。可见，通过监测相同运行工况下各缸十字头处机身侧面的振动冲击强度，可以了解各缸十字头滑块和轴承的磨损情况。

图6 柴油主机90 r／min转速下机身侧面1#、2#和3#测点的振动响应

图7 柴油机90 r／min转速下机身侧面1#测点的振动波形及频谱图

图8 柴油机130 r／min转速下机身侧面1#、2#和3#测点的振动响应

图9 柴油机130 r／min转速下机身侧面4#、5#和6#测点的振动响应

4 结论

对船用二冲程低速柴油主机机身侧面的振动测试与分析表明，相邻各缸机身测点之间的振动影响较小，且1个工作周期内机身侧面有6个振动冲击，分别对应于各缸十字头滑块横向撞击导板的位置，这是与四冲程柴油机机身侧面振动的不同之处。虽然利用机身侧面的振动信号不能监测十字头柴油机活塞-缸套的磨损间隙，但可以监测十字头滑块和轴承的磨损状态，为二冲程柴油机十字头的磨损故障振动监测提供了一个新的方法。