姜世勛，張仕海，于志民

(天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院，天津300350)

船舶柴油機(jī)曲軸振動(dòng)監(jiān)測(cè)及不平衡量提取

姜世勛，張仕海，于志民

(天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院，天津300350)

結(jié)合船舶柴油機(jī)的實(shí)際情況，分析船舶柴油機(jī)曲軸機(jī)構(gòu)不平衡振動(dòng)監(jiān)測(cè)的意義，并對(duì)曲軸機(jī)構(gòu)不平衡振動(dòng)的原因及危害進(jìn)行探討。構(gòu)建船舶柴油機(jī)曲軸機(jī)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并采用Labview語(yǔ)言開發(fā)信號(hào)采集、信號(hào)分析與監(jiān)控應(yīng)用程序。提出采用最小二乘法擬合曲軸前幾階振動(dòng)分量的方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)論文所構(gòu)建的系統(tǒng)及方法的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

柴油機(jī);曲軸;振動(dòng)監(jiān)測(cè);不平衡

0 引言

柴油機(jī)被稱為船舶的心臟，是保證船舶營(yíng)運(yùn)安全、提高營(yíng)運(yùn)效率的關(guān)鍵設(shè)備。受船上維修條件的限制，當(dāng)柴油機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，修復(fù)難度較大，很多情況下需靠碼頭或送船廠維修。維修成本較高。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，柴油機(jī)機(jī)械故障的70%～80%是由振動(dòng)原因引起，振動(dòng)故障中的30%～40%是由不平衡引起［1］。而柴油機(jī)曲軸機(jī)構(gòu)是將活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的重要部件。曲軸不平衡振動(dòng)是引起柴油機(jī)有害振動(dòng)、噪聲的主要原因之一。這種有害振動(dòng)可能造成:使機(jī)器支撐 (軸承等)受到動(dòng)載荷的作用，影響支撐的正常工作;動(dòng)、靜部件磨損，基礎(chǔ)松裂，進(jìn)而導(dǎo)致柴油機(jī)整機(jī)振動(dòng)惡化，致使油管開裂，自動(dòng)調(diào)節(jié)器失效，機(jī)器需要經(jīng)常修理或者過(guò)早損壞;擾動(dòng)機(jī)器周圍的機(jī)械設(shè)備和儀表，使調(diào)節(jié)裝置和保護(hù)系統(tǒng)有可能發(fā)生誤動(dòng)作而使設(shè)備和儀表無(wú)法正常工作;產(chǎn)生過(guò)大噪聲，影響工作環(huán)境和操作員健康。因此，開展柴油機(jī)曲軸機(jī)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)及動(dòng)平衡研究可以有效減少柴油機(jī)不平衡振動(dòng)，改善柴油機(jī)整機(jī)振動(dòng)和工作性能，延長(zhǎng)柴油機(jī)及其關(guān)鍵部件的使用壽命。

1 引起船舶柴油機(jī)曲軸機(jī)構(gòu)不平衡振動(dòng)的原因及監(jiān)測(cè)方法

造成曲軸機(jī)構(gòu)不平衡的原因主要是曲柄及曲柄銷本身即為相對(duì)回轉(zhuǎn)中心的不平衡量。對(duì)多缸柴油機(jī)，各曲柄相對(duì)回轉(zhuǎn)中心的離心力形成合成離心力矩，而在缸徑、轉(zhuǎn)速相同的情況下，合成力矩完全取決于缸數(shù)和曲柄排列情況。為改善曲柄機(jī)構(gòu)的平衡性，一般采用均勻分布的曲柄排列方案［2］。盡可能使合成慣性力首先自平衡。然后在部分或全部曲柄臂的反方向安裝平衡重，以平衡掉曲柄的離心力。以上方法多屬于工藝動(dòng)平衡技術(shù)。然而，造成曲柄機(jī)構(gòu)動(dòng)不平衡的因素還包含曲柄－軸頸的材質(zhì)不均、加工誤差、安裝誤差、軸承系統(tǒng)同心度不高及磨損不均、曲柄銷的磨損、曲柄相對(duì)主軸頸的徑向滑移、飛輪不平衡、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不平衡、螺旋槳及尾軸機(jī)構(gòu)不平衡等方面。因此，曲軸機(jī)構(gòu)初始不平衡量由柴油機(jī)初始制造和安裝精度所決定。在此基礎(chǔ)上，不平衡量會(huì)隨柴油機(jī)工作狀態(tài)、使用時(shí)間、工作環(huán)境，故障檢修、重新裝配的精度等條件變化而改變。

因此，建立曲軸機(jī)構(gòu)不平衡振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于了解相關(guān)支撐機(jī)構(gòu)的磨損情況，把握機(jī)構(gòu)部件的加工及安裝精度情況，對(duì)不平衡振動(dòng)故障進(jìn)行診斷及趨勢(shì)預(yù)測(cè)，系統(tǒng)動(dòng)平衡等問(wèn)題有顯著意義。

由于柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，不便于直接安裝非接觸式傳感器來(lái)測(cè)量曲軸的振動(dòng)信號(hào)。而柴油機(jī)上的飛輪與曲軸系統(tǒng)同軸安裝，在實(shí)際工作中可使柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)均勻，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。因此通過(guò)直接監(jiān)測(cè)飛輪的振動(dòng)狀態(tài)來(lái)考察曲軸機(jī)構(gòu)的不平衡振動(dòng)情況。信號(hào)測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 曲軸振動(dòng)監(jiān)測(cè)原理Fig.1 The principle of vibration monitoring for crankshaft

首先系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)電渦流傳感器測(cè)量飛輪徑向振動(dòng)位移信號(hào)，通過(guò)一個(gè)光電傳感器測(cè)量基準(zhǔn)信號(hào)，各傳感器采集信號(hào)通過(guò)電纜與接線端子對(duì)應(yīng)接口相連;然后通過(guò)高性能屏蔽電纜接到信號(hào)采集卡;最后通過(guò)程序軟件對(duì)各通道信號(hào)進(jìn)行采集。并在自編軟件中對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。本系統(tǒng)配置的測(cè)量?jī)x器與信號(hào)處理設(shè)備主要包括:

1)光電傳感器。本系統(tǒng)中光電傳感器用于測(cè)量飛輪基準(zhǔn)信號(hào)。所選用傳感器的使用方法比較簡(jiǎn)單，前方無(wú)障礙輸出高電平，有障礙輸出口 (黃色)電平會(huì)從高電平變成低電平。輸出的數(shù)字信號(hào)端接到NI BNC－2110接線盒，供信號(hào)采集卡采集。

2)電渦流位移傳感器。電渦流位移傳感器能非接觸、高線性度、高分辨率地測(cè)量被測(cè)金屬導(dǎo)體距探頭表面的距離。本系統(tǒng)采用B＆K VIBRO公司生產(chǎn)的IN－081電渦流位移傳感器采集飛輪振動(dòng)位移信號(hào)。該傳感器有一個(gè)內(nèi)置的放大器及相連接的延伸電纜。因此不需要額外的放大器及延伸電纜，只需要考慮傳感器的參數(shù)及安裝附件。

3)數(shù)據(jù)采集卡。本系統(tǒng)使用NI公司的高性能多功能信號(hào)采集卡PCI－6221。數(shù)據(jù)采集卡PCI6221與BNC2110接線端子配合，二者由68針高性能屏蔽電纜相連。它是高速主軸振動(dòng)及相關(guān)位置參數(shù)和測(cè)控軟件系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通道。最終在軟件系統(tǒng)中完成數(shù)據(jù)測(cè)量、信號(hào)分析及控制輸出等功能。

本系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)測(cè)量及分析軟件采用Labview軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)如圖2所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有2個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)及1個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)監(jiān)測(cè)，也可以用作單點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

圖2 曲軸振動(dòng)信號(hào)采集與監(jiān)控界面Fig.2 The interface of vibration signal acquisition and monitoring

系統(tǒng)程序采取以下2種工作方式:

1)在線監(jiān)控工作方式，用于柴油機(jī)曲軸振動(dòng)的在線監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)前，首先需要根據(jù)柴油機(jī)實(shí)際情況來(lái)設(shè)定監(jiān)測(cè)周期和控制精度，其他參數(shù)可選默認(rèn)值。此時(shí)，系統(tǒng)每隔1個(gè)監(jiān)測(cè)周期采集1次曲軸振動(dòng)信號(hào)，自動(dòng)計(jì)算測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)均值、方差等參數(shù)，并采用最小二乘法擬合振動(dòng)信號(hào)的前三階振動(dòng)分量。所有參數(shù)均在控制界面中顯示。

同時(shí)，系統(tǒng)還具有振動(dòng)異常報(bào)警功能，即系統(tǒng)自動(dòng)將監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行1次去均值處理，然后獲取處理后信號(hào)中超過(guò)“精度設(shè)定”值的振動(dòng)信號(hào) (簡(jiǎn)稱超精度樣本)，并對(duì)超精度樣本信號(hào)進(jìn)行求均值運(yùn)算，按下式計(jì)算測(cè)點(diǎn)精度和超精度樣本比。

超精度樣本比=超精度樣本長(zhǎng)度/樣本長(zhǎng)度。

當(dāng)測(cè)點(diǎn)精度＜0.1時(shí)，說(shuō)明曲軸整體振動(dòng)幅值不大，故障報(bào)警欄顯示正常;當(dāng)0.1＜測(cè)點(diǎn)精度＜0.3，且超精度樣本比＞0.1時(shí)，說(shuō)明曲軸整體振動(dòng)幅值較大，故障報(bào)警欄顯示預(yù)警;當(dāng)測(cè)點(diǎn)精度＞0.3，且超精度樣本比＞0.1時(shí)，說(shuō)明曲軸整體振動(dòng)幅值很大，故障報(bào)警欄顯示超標(biāo)，此時(shí)用戶可以根據(jù)所擬合基頻信號(hào)的幅值判斷曲軸振動(dòng)異常是否是由不平衡所引起，以便于查明異常振動(dòng)原因。這里設(shè)置超精度樣本比的目的是防止小概率隨機(jī)干擾所引起的誤診斷。以上臨界參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更改。

2)離線分析方式。以上在線監(jiān)測(cè)信號(hào)可以自動(dòng)生成文件名并保存到固定文件夾，用戶可以根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)取歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析。用戶可以選取該系統(tǒng)應(yīng)用界面中的“離線分析”模式，此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)以彈出式對(duì)話框的模式提示用戶加載歷史數(shù)據(jù)，并可以進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)分析操作。

2 基于最小二乘法的不平衡振動(dòng)信號(hào)提取方法

傳統(tǒng)的利用FFT算法求取振動(dòng)信號(hào)的基頻成分時(shí)，一般會(huì)有1～3 Hz的頻率誤差 (這是由算法的頻率分辨率引起的)，而且FFT求得的相位信息誤差也偏大。在對(duì)柴油機(jī)曲軸振動(dòng)信號(hào)的分析中采用最小二乘法擬合振動(dòng)信號(hào)的低階頻率成分，該方法是在獲取曲軸振動(dòng)信號(hào)及基準(zhǔn)信號(hào)的基礎(chǔ)上，首先由基準(zhǔn)信號(hào)計(jì)算當(dāng)前曲軸的轉(zhuǎn)頻，然后把此轉(zhuǎn)頻作為振動(dòng)信號(hào)的基頻，并利用最小二乘法擬合振動(dòng)信號(hào)的前幾階頻率成分。這里以前三階振動(dòng)信號(hào)的擬合為例說(shuō)明具體算法［3］。

設(shè)柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)為

式中:y為曲軸振動(dòng)信號(hào);b為曲軸振動(dòng)信號(hào)常數(shù)項(xiàng);Y1，Y2，Y3分別為曲軸振動(dòng)信號(hào)前三階頻率成分幅值;φ1，φ2，φ3分別為曲軸振動(dòng)信號(hào)前三階頻率成分相位。

式(1)展開得:

由最小二乘原理可知，要使得誤差的平方和最小，則要求下式為最小:

式(4)分別對(duì) a1，a2，a3，a4，a5，a6，b 求偏導(dǎo)，并令其等于0，對(duì)得到的偏微分方程化簡(jiǎn)整理后可得a1，a2，a3，a4，a5，a6，b必須滿足正規(guī)方程組:

利用列主元高斯消去法求解上述7×7階的線性正規(guī)方程組，便可求得 a1，a2，a3，a4，a5，a6，b。然后利用下式求得:

獲得前三階頻率成分的幅值和相位信息后，可采用2種方法進(jìn)行振動(dòng)是否由不平衡量引起的判斷:①依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及曲軸的實(shí)際情況，設(shè)定不平衡振動(dòng)精度范圍。將基頻振動(dòng)信號(hào)的幅值與曲軸精度相比較，如果超過(guò)精度要求，則不平衡振動(dòng)過(guò)大，需要平衡;②在忽略熱變形的影響情況下，計(jì)算基頻振動(dòng)信號(hào)的能量及曲軸振動(dòng)信號(hào)的總能量，如果基頻振動(dòng)信號(hào)的能量占多數(shù)，則振動(dòng)是由不平衡量引起。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本文實(shí)驗(yàn)對(duì)象為山東淄博柴油機(jī)總公司生產(chǎn)的6300ZLCA號(hào)柴油機(jī)，柴油機(jī)額定功率為 ICN551 kW，額定轉(zhuǎn)速為500 r/min，飛輪端旋轉(zhuǎn)方向?yàn)镽。采樣頻率為10 kHz，樣本長(zhǎng)度為5 K點(diǎn)，基準(zhǔn)信號(hào)上升沿觸發(fā)采樣。實(shí)驗(yàn)為轉(zhuǎn)速為300 r/min，監(jiān)測(cè)信號(hào)如圖3所示，信號(hào)分析結(jié)果如表1所示。

圖3 曲軸振動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)Fig.3 The monitoring signal of crankshaft

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析Tab.1 The experiment data analysis

由表1可以看出，基頻信號(hào)幅值隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，可以看作為不平衡振動(dòng)信號(hào)。同時(shí)，基頻信號(hào)幅值整體不大，說(shuō)明被測(cè)柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)不平衡量較小，所測(cè)振動(dòng)信號(hào)主要為機(jī)構(gòu)耦合干擾所至。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)開展船舶柴油機(jī)曲軸振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)及不平衡振動(dòng)信號(hào)提取研究，得出以下結(jié)論:

1)采用Labview語(yǔ)言開發(fā)信號(hào)采集、分析與監(jiān)控應(yīng)用程序。從功能上實(shí)現(xiàn)船舶柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)、分析和處理于一體，進(jìn)而為基于曲軸振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)的柴油機(jī)不平衡振動(dòng)異常監(jiān)測(cè)提供參考。

2)提出采用最小二乘法擬合曲軸前幾階振動(dòng)分量的方法。該方法相對(duì)于傳統(tǒng)的利用FFT算法求取振動(dòng)信號(hào)基頻成分的方法具有一定的優(yōu)勢(shì)，不平衡振動(dòng)信號(hào)的提取精度較高。

3)實(shí)驗(yàn)表明，文中所開發(fā)的船舶柴油機(jī)曲軸振動(dòng)信號(hào)采集與監(jiān)控系統(tǒng)是有效的。采用課題所提出最小二乘法能夠較準(zhǔn)確地?cái)M合曲軸前三階頻率振動(dòng)分量，該方法對(duì)不平衡振動(dòng)信號(hào)的提取是有效的。

［1］李志敏．基于振動(dòng)分析的內(nèi)燃機(jī)主軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷方法研究［D］．大連:大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，2001．

［2］杜榮銘．船舶柴油機(jī)［M］．大連:大連海事大學(xué)出版社，1999．

［3］伍良生，晁慧泉，張仕海．基于最小二乘法的轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)信號(hào)的提?。跩］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(2):194－196．

［4］SMALLEY A J．Automated Balancing of Rotors:Concepts and Initial Feasibility Study［J］．Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，1989，111(4):65 －69．

［5］叢培田，姜洪濤．六缸柴油機(jī)曲軸動(dòng)平衡量分解方法研究［J］．沈陽(yáng)工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，21(2):34 －37．

［6］ 鐘一諤，何衍宗．轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，1987．

Vibration monitoring and imbalance vibration signal separating for marine diesel engine crankshaft

JIANG Shi-xun，ZHANG Shi-hai，YU Zhi-min
(Tianjin Maritime College，Tianjin 300350，China)

In accordance with the practical situations of marine diesel engine，the imbalance vibration monitoring significance for marine diesel engine crankshaft system was discussed and as well the reasons and harms of the imbalance vibrations were analyzed．The vibration monitoring system for marine diesel engine crankshaft was put forward．The application program for signal acquisition，signal analysis and signal monitoring were designed by Labview language．The method of least square was proposed to fit the first few order branch amount of the crankshaft vibration signal．The feasibility of the proposed system and method are tested via experiments．

diesel engine;crankshaft;vibration monitoring;imbalance

姜世勛(1976－)，男，碩士，講師，主要從事船舶柴油機(jī)故障診斷技術(shù)研究。

TK428

A

1672－7649(2013)05－0079－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.05.018

2012－10－15;

2012－11－06

天津市高等學(xué)校科技發(fā)展基金資助項(xiàng)目(20100414)