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        某6缸V型柴油機振動測量及分析

        2010-01-28 02:36:14,,
        船海工程 2010年4期
        關(guān)鍵詞:烈度柴油機頻譜

        , ,

        (1.中國人民解放軍91708部隊,廣州 510320;2.海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院,武漢 430033)

        柴油機振動水平在國家標準和海軍標準中均有明確規(guī)定,所有船用柴油機正式服役前或經(jīng)過維修后均需要測量振動[1-2]。柴油機振動信號特性的變化在一定程度上能夠反映機器的性能,建立柴油機的振動信號數(shù)據(jù)庫對柴油機的維護保養(yǎng)、修理、狀態(tài)監(jiān)測等具有重要的意義。而振動烈度和柴油機振動信號的頻譜是重要的指標。以某型柴油機為例,對柴油機振動加速度進行測量,分析該型柴油機振動信號的特點。

        1 試驗

        1.1 試驗對象

        6缸V型柴油機用作發(fā)電機,四沖程、渦輪增壓、中間冷卻,額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min,V型夾角60°,發(fā)火順序A1—B2—A3—B1—A2—B3。從飛輪端看,左側(cè)為A,右側(cè)為B,靠近飛輪端為1。機組彈性安裝。

        1.2 測點布置

        在柴油機上布置4個測點,在發(fā)電機上布置1個測點。測點布置的原則是盡量反映機組整體的運動,剛度較差的地方盡量不布點(例如懸臂結(jié)構(gòu)、較薄的殼體等)。測點1在柴油機安裝支座上,位于B側(cè)自由端機腳附近;測點2在柴油機B側(cè)輸出端機腳螺栓上;測點3在柴油機B1缸缸蓋側(cè)面;測點4在發(fā)電機罩殼上;測點5在柴油機A側(cè)機體上,位于A側(cè)自由端機腳附近。每個測點測量3個方向,X向(垂向)為垂直于水平方向,Y向(縱向)為平行于柴油機曲軸中心線方向,Z向(橫向)與XY平面垂直。

        1.3 試驗儀器和測量設(shè)置

        試驗儀器見表1。測量系統(tǒng)量程±10 V。加速度計最大可測值100 g, 頻率范圍0.5 Hz~4.0 kHz。測量時單通道采樣頻率設(shè)定為2 560 Hz,耦合方式ICP耦合,帶通濾波范圍3 Hz~1 kHz。

        表1 試驗儀器

        2 振動烈度計算

        2.1 振動速度有效值計算

        實際的采樣信號為加速度,而評估振動烈度用的是振動速度,采用數(shù)值積分方法得到速度信號。速度有效值計算流程見圖1。計算得到的是單個測點單個方向的振動速度有效值,有效值定義如下[3]:

        (1)

        (2)

        (3)

        式中:vx(i)、vy(i)、vz(i)——X、Y、Z向第i個測點的振動速度值;

        N——平均的點數(shù)。

        圖1 速度有效值計算流

        表2為1 500 r/min、空載時各測點各方向的振動速度有效值,可以看出,柴油機上各測點(測點1、2、3、5)橫向振動速度最大,垂向次之,縱向最小。電機上測點振動速度(測點4)垂向和縱向相差不大,但橫向明顯大于其余兩個方向。其余工況趨勢相同。

        表2 轉(zhuǎn)速1 500 r/min,空載時各測點振動速度有效值 (mm·s-1)

        2.2 烈度計算

        機組烈度Vrms計算公式如下[2]:

        (4)

        式中:∑Vx、∑Vy、∑Vz——同一工況下,垂向、縱向、橫向各測點振動速度有效值的和,mm/s;

        Nx、Ny、Nz——同一工況下,垂向、縱向、橫向測點數(shù)。

        2.3 振動烈度結(jié)果

        采用上述方法對采樣信號進行分析,得到振動烈度結(jié)果見表3。

        表3 振動烈度結(jié)果

        空載時測量了3個轉(zhuǎn)速下的振動烈度,1 200 r/min時烈度最大,1 500 r/min時次之,900 r/min時振動烈度最小。同一負荷下,烈度隨轉(zhuǎn)速的變化不是單調(diào)的。額定轉(zhuǎn)速下,從空載逐漸增加負荷,直至額定負荷,可以看出,隨著負荷增加,振動烈度單調(diào)增加。

        3 振動速度信號頻譜分析

        3.1 信號頻譜分析

        圖2為900 r/min、空載時測點1橫向振動速度幅值譜,頻譜最大幅值對應(yīng)頻率22.5 Hz,對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)動頻率15 Hz的1.5倍。

        圖2 測點1橫向振動速度幅值譜(900 r/min,空載)

        圖3為1 200 r/min、空載時測點1橫向振動速度幅值譜,頻譜最大幅值對應(yīng)的頻率為30 Hz,對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)動頻率20 Hz的1.5倍。

        圖3 測點1橫向振動速度幅值譜(1 200 r/min,空載)

        圖4為1 500 r/min、空載時測點1橫向振動速度幅值譜,頻譜最大幅值對應(yīng)的頻率為37.5 Hz,對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)動頻率25 Hz的1.5倍。

        圖4 測點1橫向振動速度幅值譜(1 500 r/min,空載)

        同是空載,1 200 r/min時頻譜的最大幅值明顯大于900 r/min時和1 500 r/min時的頻譜幅值,可見在22.5~37.5 Hz之間,柴油機存在一個共振頻率,且該共振頻率更接近30 Hz。

        3.2 各測點振動信號相關(guān)分析

        由于篇幅限制,只列出了測點1的部分頻譜,從圖2~4可以看出,振動速度的頻譜表現(xiàn)出明顯的線譜性質(zhì),基頻為柴油機單缸發(fā)火頻率,各階倍頻均有明顯幅值,幅值譜最大值對應(yīng)的頻率均為基頻的3倍。相干分析發(fā)現(xiàn)[4],柴油機上各測點振動頻譜分布類似。從表4和圖5~8可以看出,在額定轉(zhuǎn)速下,同一測點的不同方向振動速度信號在柴油機發(fā)火基頻及其倍頻處相干系數(shù)均大于0.8,多數(shù)為0.9,在轉(zhuǎn)動頻率的1.5倍頻處接近于1。同一負荷下,不同測點同一方向的振動速度相關(guān)系數(shù)分布規(guī)律很接近。不同負荷時,同一測點同一方向的相干系數(shù)分布規(guī)律也相近。

        圖5 測點1振動速度垂向和縱向的相干系數(shù)(1 500r/min,100%負荷)

        表4 相干系數(shù)表

        圖6 測點1振動速度垂向和橫向的相干系數(shù)(1 500r/min,100%負荷)

        圖7 測點1和測點2的相干系數(shù)(1 500r/min,100%垂向)

        圖8 不同負荷下測點1垂向振動速度的相干系數(shù)(1 500r/min,89%負荷和100%負荷)

        4 結(jié)論

        1) 6缸V型柴油機平衡性差,因此振動烈度較大,額定轉(zhuǎn)速額定負荷時達到39 mm/s。不論轉(zhuǎn)速多大,振動速度幅值譜的最大值對應(yīng)的頻率為曲軸轉(zhuǎn)動頻率的1.5倍,即單缸發(fā)火頻率的3倍,也就是單列氣缸的發(fā)火頻率,額定轉(zhuǎn)速時為37.5 Hz。說明該頻率的激勵是柴油機振動的主要激勵源,減小該激勵將是減小柴油機振動烈度的主要方法。

        2) 額定轉(zhuǎn)速下,發(fā)電機組振動烈度隨著負荷的增加而增加;而負荷不變時,振動烈度隨轉(zhuǎn)速的變化不是單調(diào)的。

        3) 相干分析表明,同一轉(zhuǎn)速下,該型柴油機不同測點、同一測點的不同方向、同一測點同一方向在不同負荷時,振動速度的頻譜分布類似,單列氣缸發(fā)火頻率處的相干系數(shù)接近于1。這也說明6缸V型柴油機的最重要激勵源的頻率為單列氣缸發(fā)火頻率。

        [1] 歐陽光耀,高洪濱,譚 笛,等.安裝基礎(chǔ)剛度對柴油機振動烈度的影響分析[J].內(nèi)燃機工程,2007,28(6):70-72.

        [2] 朱海潮,何 琳,霍 睿,等.用鋼絲繩隔振器進行船舶主機隔振[J].船海工程,2002(4):12-15.

        [3] GB/T 12779—91.往復(fù)式機器整機振動測量與評級方法[S].北京:中國標準出版社,1991.

        [4] 飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心.MATLAB7輔助信號處理技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

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