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(1．浙江國際海運職業(yè)技術學院,浙江 舟山 316021；2．浙江省船舶檢驗局舟山船檢處,浙江 舟山 316000)

船舶軸系扭振是船舶動力系統(tǒng)性能評價及故障分析的主要特性之一，該方面研究工作主要集中在扭轉振動計算方法[1]，包括自由振動和強迫振動兩個方面[2-8]。本文通過理論分析和實船試驗相結合的方法，對軸系扭振振形圖進行特別的處理和計算，用以評價船用柴油機氣缸動力輸出的平衡性。

1 理論基礎

根據(jù)船用柴油機發(fā)火規(guī)律，其發(fā)火間隔角及其發(fā)火間隔時間均保持不變，通過所測得的轉速信息得到相應的氣缸燃燒沖擊頻率f、周期T和扭振峰-峰時間間隔Tθ，其計算表達式為

(1)

(2)

(3)

式中：f——柴油機燃燒沖擊頻率，Hz；

k——頻率系數(shù)，對于二沖程柴油機取1，而四沖程柴油機取2；

n——柴油機運行轉速，r/min。

式(2)用于計算柴油機的燃燒沖擊周期，式(3)計算燃燒沖擊間隔時間，其中Z為柴油機的氣缸數(shù)。

分析過程中，以實測波形圖呈現(xiàn)的最大峰值作為第一個氣缸發(fā)火時刻，并通過扭角波形圖推算得出后續(xù)氣缸發(fā)火時間和扭振幅值，從而得到對應轉速的各氣缸名義動力輸出值，用振幅大小表征動力輸出值。最終以平均振幅作為基準，最大振幅偏離平均增幅的均方差作為平衡性評價指標Sθ。

(4)

式中:θi——各缸對應的振動峰值，10-3md；

2 軸系扭振信號采集

以某船的主推進系統(tǒng)為軸系扭振信號采集對象，該船配備的柴油機為四沖程、中冷、增壓柴油機，額定功率為2 500 kW，額定轉速為750 r/min，發(fā)火順序為1-3-2-5-8-6-7-4。軸系扭振測試傳感器采用霍爾齒數(shù)計數(shù)傳感器，安裝在船舶柴油機動力輸出端的飛輪處。軸系扭振信號采集以柴油機轉速來指示柴油機運行工況，本次實船試驗選擇5個工況點，其分別為400、500、600、700、750 r/min。但是由于該船推進系統(tǒng)選用的主機為4沖程中速柴油機，其轉速無法穩(wěn)定在特定的轉速點，因此在實測過程采集的軸系扭振數(shù)據(jù)所對應工況將偏離原設定的轉速工況點，后續(xù)的分析以實測轉速為準。實船軸系扭振的時域波形見圖1，采集的實際工況分別為408.7、502.1、602.5、698.5、746.2 r/min等5個工況。

從圖1的5個轉速對應的時域扭振波形圖可以看到一系列的扭振峰值，而且峰值變化比較明顯，因此可在一定程度上反映軸系對外部激勵的響應特性。

圖1 船舶軸系扭振波形圖(時域)

3 平衡性分析

根據(jù)軸系的扭角波形圖，選取最大峰值為第一缸的燃燒沖擊峰值，以其所對應的時間點為基準，同時將發(fā)火間隔時間作為各缸燃燒沖擊峰值的設定時間間隔，通過公式(1)～(3)計算，即可得到在不同工況條件下各缸在扭角波形圖中所處的時刻點，見表1。

表1 燃燒沖擊峰-峰值時刻表

根據(jù)表1，在軸系扭振波形圖得到其對應的峰值；在實際取值時，考慮到各缸燃燒沖擊的不平衡性，而導致峰-峰值的時間間隔具有隨機偏差性，因此在表1對應的時刻點附近取最大峰值作為計算值。通過計算不同轉速對應的峰值取平均值，再求解各缸峰值與平均值的差值，并對差值進行重新排序，按照氣缸序號從高到低進行整理，形成如圖2所示的各缸扭振偏差分布隨著主機轉速的變化曲線。

通過圖2可見，在602.5和698.5 r/min的工況點軸系扭轉振動變化值最大，而其它3個工況點的變化值相對較?。坏嵌急憩F(xiàn)出較大的不均勻性，在一定程度上體現(xiàn)了柴油機各缸燃燒沖擊的不平衡性。

圖2 軸系扭振峰值-轉速變化曲線(按氣缸序號排列)

同時，通過應用公式(4)對軸系扭轉峰值數(shù)據(jù)進行計算，得到如圖3所示的幅值平均值和均方差隨著轉速的變化曲線。

圖3 幅值平均值與均方差變化曲線圖

從圖3可見，在該船舶柴油機的正常運行工況范圍內(nèi)，各缸動力輸出具有一定的不平衡性，整體燃燒沖擊幅值及其不平衡程度都具有先增后減的變化規(guī)律，存在一個最大不平衡性的工況。根據(jù)初步分析：整體燃燒沖擊幅值600 r/min附近工況達到極值點，而700 r/min是該船柴油機動力輸出不平衡性的臨界點，需要對各缸燃燒工況進行調整，以降低不平衡度，以保障船舶柴油機更為穩(wěn)定、高效運行。

4 結論

1)船舶軸系扭振與船用柴油機氣缸動力輸出之間存在著關聯(lián)性，船舶軸系扭振數(shù)據(jù)可用于船用柴油機氣缸動力輸出平衡性分析。

2)該船主機的氣缸動力輸出不平衡程度隨著轉速增加先增大后減小，在正常運行工況內(nèi)存在一個極值，其氣缸平均振幅也具有相類似的變化規(guī)律。

3)軸系扭振測試不能體現(xiàn)扭振初始角，因此不能將振動峰值與氣缸進行一一對應，但能從整體上定性地分析氣缸動力輸出的不平衡程度。

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