船用主柴油机共振故障诊断

王艳武，钱 超，杨 琨

(1. 武汉东湖学院 机电工程学院，湖北 武汉 430212；2. 海军工程大学，舰船与海洋学院，湖北武汉 430033；3. 武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

0 引 言

柴油机广泛用作各型船舶的推进主机和发电机原动机，是船舶的心脏。船用柴油机结构复杂，运转环境恶劣，各类故障时有发生。对柴油机主要运行参数（温度、压力、振动等）进行监测，可以及时准确地发现柴油机的故障，是保障船舶动力安全和人员安全的基本要求。振动监测仪器便于携带，可以发现的故障类型多，是船用柴油机状态监测与故障诊断的重要手段之一，被广泛应用于船用柴油机状态监测于故障诊断[1-2]。赵纯领等[3]利用一个振动数采器测量了某船主柴油机振动信号，并对其状态进行诊断分析，发现该柴油机振动的原因为供油系统引发柴油机共振所致；朱建元[4]通过监测船用柴油机表面振动信号，利用BP神经网络对柴油机气阀间隙异常故障进行识别；冯长宝等[5]利用遗传算法对船舶柴油机故障诊断进行研究；余永华[6]则对船舶柴油机各种故障诊断方法进行综合阐述。实际船用柴油机由于工况复杂，环境恶劣，引发故障原因也各异，只有结合实际工况，对采集振动信号进行分析，才能实现对船用柴油机状态的准确诊断。

某船主柴油机型号CXZ-MAN8L2027，额定功率800 kW，额定转速1 000 r/min。振动监测发现，主机转速在800 r/min附近时整机振动较大，并引起机带淡水泵和增压器等附属设备强烈振动，给主动力装置带来较大故障隐患。针对这一故障隐患，本文采集了该柴油机不同转速下振动信号进行分析，并结合敲击实验，对故障原因进行分析验证，为故障隐患的消除提供理论依据。

1 通频振动测量和分析

测量不同转速下柴油机的通频振动值，结果如表1所示。转速为800 r/min时，主机后端缸盖和后端机脚横向振动速度均方根值均超20 mm/s。按照GB/T7184-2008，该柴油机振动等级为C级（B/C界限值为17.8 mm/s）。可以看出，主机整体横向振动偏大，明显大于垂向和轴向。主机转速在800 r/min附近时振动最大。

表1 通频振动数据表Tab. 1 Vibration Data

2 振动速度波形和频谱分析

不同转速下的振动速度波形如图1～图3所示。可以看出，3种不同转速下的振动速度波形均是一个幅值调制波形。定义信号x（t）的Hilebert变换为[7]：

图1 振动速度波形（800 r/min）Fig. 1 Waveform of vibration velocity

图2 振动速度波形（900 r/min）Fig. 2 Waveform of vibration velocity

图3 振动速度波形（940 r/min）Fig. 3 Waveform of vibration velocity

令复数

则z(t)称为x(t)的解析信号。z(t)的幅值对应于x(t)的包络，z(t)的相位对应于x(t)的瞬时相位。因此，Hilbert变换是调制信号分析的基本工具。在Matlab中，Hilbert变换的命令为z=hilbert(x)。需要注意的是Matlab中输出z是序列x的解析信号。求x的包络的命令为xe=abs(z)。在对包络信号进行傅里叶变换，可以得到幅值调制信号的调制频率。根据上述过程，对图1、图3、图5所示的时间波形进行调制解调，得到3种情况下的调制频率分别为6.7 Hz，7.5 Hz和7.8 Hz。由于该型柴油机为四冲程柴油机，单缸发火频率为转频的一半。上述调制频率恰好对应各个转速下的单缸发火频率，说明在柴油机的一个工作周期内，振动响应有规律的重复。

在主机转速800 r/min时，振动速度频谱中主要频率成分为单缸发火频率的8倍频，如图4所示。因为该柴油机是8缸机，该频率正好对应于整机的发火频率（约为53 Hz）。速度信号频谱中整机发火频率成分远大于其他频率成分。

在主机转速为900 r/min和940 r/min时，振动小于800 r/min工况，振动速度频谱中整机发火频率（900 r/min时为60 Hz，940 r/min时约为63 Hz）成分仍然突出，但是单缸发火频率的7倍频也变得突出（见图5和图6），因为7倍谐频接近800 r/min时的整机发火频率。

图4 振动速度频谱（800 r/min）Fig. 4 Frequency spectrum of vibration velocity

图5 振动速度频谱（900 r/min）Fig. 5 Frequency spectrum of vibration velocity

图6 振动速度频谱（940 r/min）Fig. 6 Frequency spectrum of vibration velocity

主机的振动特征表明，振动的主要激励源是活塞—连杆机构的侧推力，但是这个力是无法避免的。在一个工作周期内，每个缸发火一次，各缸侧推力大小也按这个周期变化。每个缸的侧推力造成的后端机脚测点的振动响应差别明显，导致振动速度信号中具有明显的幅值调制现象。柴油机的侧推力基频是单缸发火频率，基频的各阶倍频一般都存在[8]，但是幅值大小有差别，转频成分、2倍转频成分和整机发火频率成分一般会较大。因此，主机转速为800 r/min时，振动响应较大的频率成分是整机发火频率成分。但是在主机转速为900 r/min和940 r/min时，7倍转频成分也较大。此时7倍转频接近于800 r/min时的整机发火频率53 Hz，说明主机横向的某阶固有频率可能接近53 Hz。

3 主机横向固有频率试验测量

为了验证主机横向固有频率是否存在一个接近53 Hz成分，采用敲击法测量了主机横向固有频率。精确测量振动模态可以得到更为准确和具体的模态结果，包括固有频率和振型等。但是这种方法需要使用力锤和振动传感器，布置较多测点，测量频率响应函数，采用专业软件计算固有频率和振型。这种方法工作量大，耗时耗力。在实船测量时，常常采用更为简化的方法。根据运转时较大振动响应对应的频率成分估计固有频率，根据所估计的频率选择木锤、铜锤或者铁锤激发设备自由振动，只采集振动信号，不采集力信号。这种方法的好处是操作简单，而且可以很方便地检查和处理噪声信号。实际测试证明，实船测量固有频率时，噪声对测量结果的影响非常大。

本例中，设定触发采集，采集时间波形，以便更好地检查噪声。采样频率1 024 Hz，预触发时间1 s，采样时间长度5 s。由于不知道振型，采用不同敲击点、不同采集点3次测量，比较选优。

敲击试验1 B列后端机脚测量振动速度、A列后端机体上部敲击；

敲击试验2 B列机体测量振动速度，A列后端机体上部敲击；

敲击试验3 B列后端机脚测量振动速度、A列后端机脚敲击。

图7 敲击试验得到的速度响应信号Fig. 7 Vibration velocity of impact testing

3个试验的振动速度响应波形如图7所示。可以看出，试验3的响应结果最好，信噪比最高。取试验3的数据进一步分析。从预触发信号可以看出，仍然存在明显的噪声干扰。可以采用2种方法降低噪声对频谱分析结果的影响。一种是只分析敲击响应较为明显时段的信号，得到敲击响应的频谱，再分析预触发时段的信号，得到噪声的频谱，从敲击响应的频谱中剔除噪声频谱中的主要频率成分。另一种是采用小波阈值降噪方法降低噪声，再分析振动响应的频谱。本研究采用小波软阈值降噪的方法滤除噪声的影响。敲击试验3得到的速度响应信号小波降噪前后的结果如图8所示，频谱如图9所示。可以看出，小波降噪后，噪声的影响明显降低。频谱上幅值最大成分对应频率是52.8 Hz。因此，主机800 r/min时的振动速度频谱中幅值明显突出的成分对应的频率53 Hz确实非常接近系统的横向固有频率52.8 Hz，系统此时处于共振状态。

图8 小波降噪前后敲击速度响应波形比较Fig. 8 Vibration velocity of wavelet de-noise

图9 小波降噪前后敲击速度响应频谱比较Fig. 9 Frequency spectrum of wavelet de-noise

4 结 语

1）通过对该柴油机振动测量数据分析，结果显示主机转速在800 r/min附近时，系统处于共振状态，激励力是活塞连杆结构的侧推力，这个力是无法避免的。因此，改善主机振动只能从结构上着手。减少共振时的振动响应，可以采用改变横向刚度或者增加阻尼的方法。该柴油机在其它转速下振动也较大，因此增加刚度是最合理的选择，这一点与欧阳光耀等的研究成果基本一致[9]。

2）从柴油机的结构和3次敲击试验分析结果看，横向刚度不足主要是因为机脚的横向刚度较低。外观看来，该柴油机通过4个机脚固定，机脚与机体靠一根螺栓连接，且机脚横向厚度不大。虽然没有进行模态分析，但是可以根据3次敲击试验的对比大致分析横向模态。如果是翻转模态，机体上部敲击的振动响应应该更好。但是实际是机脚敲击机脚测量的振动响应更好，因此，52.8 Hz固有频率对应的模态应该是横向平动模态。因此建议增加机脚的横向刚度。