黃　超

(揚(yáng)州中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司, 江蘇 揚(yáng)州 225211)

0　引　言

彎曲振動是機(jī)械振動中的一種，對于船舶柴油機(jī)軸系，由于存在著各種不平衡量，如螺旋槳的旋轉(zhuǎn)不平衡及軸系部件的不平衡質(zhì)量、軸承部件間的作用力和柴油機(jī)運(yùn)作時軸上受力不均勻等，這種振動會使柴油機(jī)曲軸內(nèi)應(yīng)力增加，承受動力載荷和不平衡力矩，導(dǎo)致相連部件的磨損、疲勞及使用壽命縮短，同時也會消耗能量及降低效率，影響整個機(jī)械和設(shè)備的工作性能。隨著柴油機(jī)向高速、輕型及大功率的方向發(fā)展，對各類機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)速度、承載能力及工作壽命等方面的要求更高，發(fā)生振動的可能性也不斷增大。此外，人們對機(jī)器的工作精度和穩(wěn)定性的要求也越來越高，對控制振動的要求更加迫切[1-3]。這些都對彎曲振動測試的研究和分析提出更高的要求，再加上振動會給整個動力系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的危害，柴油機(jī)彎曲振動測量系統(tǒng)的研究受到更多的重視。開發(fā)柴油機(jī)彎曲振動測量與分析系統(tǒng)，不僅能及時發(fā)現(xiàn)故障，防止事故的發(fā)生，也能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1　軸系彎曲振動信號的測量與分析

振動測試技術(shù)作為解決工程振動問題的一種手段，早已被人們所利用。在測量方面，彎曲振動的測量大致分為電測量和光測量，電測量方法大多利用電渦流式位移傳感器進(jìn)行測量，光測量方法振動一般使用有讀數(shù)顯微鏡、光杠桿、光干涉原理及激光多普勒效應(yīng)測量，考慮到測量條件的多變性，無接觸式彎曲振動測量被人們越來越多的使用。在信號分析方面，大容量、高精度及高速度的分析系統(tǒng)被逐漸運(yùn)用，國內(nèi)、外諸多學(xué)者通過數(shù)據(jù)采集與回放模塊、信號分析模塊、診斷模塊和結(jié)果輸出模塊組成。根據(jù)柴油機(jī)零部件的振動特征，選擇采樣頻率和觸發(fā)方式完成數(shù)據(jù)采樣，進(jìn)行存盤與回放。信號分析模塊完成信號頻譜，時域與時序域的分析，提取需診斷的零部件的特征參數(shù)。許多研究對彎曲振動測試機(jī)信號分析均通過電渦流式位移傳感器進(jìn)行，在虛擬儀器平臺上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，這里對于柴油機(jī)彎曲振動數(shù)據(jù)分析主要有頻域分析、諧次分析和軸心軌跡分析。

1.1　頻譜分析

頻譜分析是將時域信號通過傅里葉變換至頻域進(jìn)行分析的方法，該分析方法是軸系彎曲振動中最實用且最常用的信號分析方法。頻譜分析方法主要有功率譜分析、倒頻譜分析和細(xì)化普分析等。由于軸系旋轉(zhuǎn)過程中，振動信號中包含著軸頻、激勵信號頻率及其高階譜等頻率，因此，可在彎曲振動信號的頻譜中直觀地分辨出軸系輸出對應(yīng)的頻率成分。

1.2　諧次分析

諧次分析的理論基礎(chǔ)是等角度分析方法，無論旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速在啟動或停機(jī)的過程中如何變化，在參考軸中每轉(zhuǎn)內(nèi)的采樣點數(shù)是保持不變的，即在角域內(nèi)該信號的振蕩周期為恒定。因此，通過等角度分析方法可將旋轉(zhuǎn)機(jī)械時域非平衡振動信號轉(zhuǎn)換到角域的頻域振動信號進(jìn)行分析，可得到有效的分析結(jié)果，解決因轉(zhuǎn)速波動而產(chǎn)生的諧波分量重疊帶來的問題。

在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，某些振動頻率總與軸頻(基頻)存在一定的比例關(guān)系。當(dāng)轉(zhuǎn)速變換時，基頻和整個系統(tǒng)的振動頻率都會的相應(yīng)產(chǎn)生變化，但系統(tǒng)各頻率成分和基頻的比值是恒值。如果通過一定的變換，把振動信號頻率譜圖頻率坐標(biāo)改換為諧次(即振動頻率與轉(zhuǎn)軸頻率之比)，在這種諧次譜上可避免一般頻譜圖上由于轉(zhuǎn)速波動而造成的譜線分散。因此，進(jìn)行諧次分析可檢測到軸心不對中、軸心偏離、扭曲及縱向振動等故障[4]。

1.3　軸心軌跡分析

軸心軌跡是軸系在振動過程中實際軸心的運(yùn)動軌跡，它是基于水平和垂直的電渦流位移傳感器對x，y軸位移信號進(jìn)行采集，對軸心軌跡繪制。

E0=ξ(δ)

(1)

由式(1)可知，軸心的水平和垂直方向的位移變化，通過整合可動態(tài)的在xy坐標(biāo)軸系中描述軸心軌跡。由于在振動測試的過程中，可能受到外界干擾信號的影響，如不對中、非線性油膜力、柴油機(jī)曲軸工作發(fā)出的噪音、其他部件發(fā)出的信號對軸心位移信號產(chǎn)生的影響，因此，有必要選用濾波器對采集的信號進(jìn)行濾波，對比未濾波和濾波軸心軌跡圖。

對于軸心軌跡圖進(jìn)行研究和分析，可監(jiān)測和分析油膜厚度和軸承磨損狀態(tài)，預(yù)測軸承和軸系的運(yùn)行狀態(tài)趨勢，當(dāng)軸心軌跡向不同方向偏移和軸心軌跡發(fā)生不規(guī)則等變化時，通過分析判斷軸承磨損程度、方位和原因，可有效評估和預(yù)測軸系的運(yùn)行狀態(tài)，防止重大事故的發(fā)生。

2　監(jiān)測軟件設(shè)計

2.1　開發(fā)軟件介紹

LabVIEW是美國國家儀器公司(National Instruments,NI)開發(fā)的圖形化編程語言,NI 提供了種類齊全的測試硬件和軟件產(chǎn)品，如數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理、聲音和振動測量及儀器控制等，可利用不同模塊配合相應(yīng)的采集系統(tǒng)，完成軸系彎曲振動數(shù)據(jù)的采集、分析與處理。

2.2　軟件設(shè)計方案

彎曲振動測試系統(tǒng)軟件的設(shè)計主要是指數(shù)據(jù)分析和處理,并在LabVIEW平臺上進(jìn)行開發(fā)，LabVIEW提供了功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、處理工具和高級信號分析箱，能完成各種復(fù)雜信號的分析和處理工作，通過調(diào)用模塊進(jìn)行編程來實現(xiàn)對信號的分析和處理[5]。系統(tǒng)中要完成的數(shù)據(jù)分析和處理功能有數(shù)據(jù)采集的時域分析、頻域分析、諧次分析和軸心軌跡圖的繪制，具體的振動信號分析軟件結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　彎曲振動軟件設(shè)計

3　方案的實現(xiàn)與開發(fā)

3.1　方案的設(shè)計

為測量和分析柴油機(jī)軸系的彎曲振動,在柴油機(jī)伸出端安置2個渦電流位移傳感器，分別位于水平方向和垂直方向，對x和y方向進(jìn)行位移變化的測量，再在柴油機(jī)飛輪的上方安裝一個磁電式轉(zhuǎn)速傳感器來測量曲軸轉(zhuǎn)速，由于位移變化和電壓是單值函數(shù)，經(jīng)過一系列的信號放大和調(diào)整，渦電流位移傳感器輸出能高效地反饋出彎曲振動的電壓信號，利用LabVIEW平臺對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，通過對振動信號進(jìn)行時域分析、頻域分析和諧次分析，檢驗測試的軸心軌跡能反應(yīng)出軸系的振動特征，得到軸系彎曲的振動頻率，同時將得到的振動頻率與柴油機(jī)的固有頻率進(jìn)行對比，提出避免共振的技術(shù)手段，如快速越過共振區(qū)及應(yīng)用阻尼減小彎曲振動頻率等。具體的流程見圖2。

圖2　方案的設(shè)計流程

3.2　開發(fā)模塊

3.2.1數(shù)據(jù)采集模塊

彎曲振動的數(shù)據(jù)采集主要是對水平位移信號、垂直位移信號和轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行采集，分別通過水平安置的電渦流位移傳感器、垂直安置的點渦流位移傳感器和安裝在飛輪正上端的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器來實現(xiàn)，采集到的是x軸電壓信號、y軸電壓信號和脈沖信號。

由于采集的是電壓信號和脈沖信號，可調(diào)用硬件輸入和輸出→DAQmx→模擬信號中的模塊，再進(jìn)行設(shè)置和修改，設(shè)置最值、采樣率、每個通道物理采樣數(shù)、位移保存路徑、齒數(shù)、轉(zhuǎn)速顯示及保存路徑等，其中包括波形圖及選項卡控件的調(diào)用,通過索引數(shù)組對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，在對轉(zhuǎn)速的顯示和保存時，通過轉(zhuǎn)換實現(xiàn)可得到幅值-時間的時域圖，數(shù)據(jù)采集界面見圖3。

圖3　位移信號數(shù)據(jù)采集界面

3.2.2頻域分析模塊

頻域分析是數(shù)據(jù)處理中使用次數(shù)最多且最實用的數(shù)據(jù)處理方法，它將采集的原始信號進(jìn)行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation, FFT)來實現(xiàn)幅值-頻率的頻譜圖，在各轉(zhuǎn)速下的進(jìn)行頻域分析后,可在共振區(qū)中找到柴油機(jī)振動的固有頻率，也可進(jìn)一步得出柴油機(jī)正常工作的轉(zhuǎn)速范圍等，同時可為提出避免共振的措施提供參考。

頻域分析是對數(shù)據(jù)采集的原始數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理，通過調(diào)出2個波形圖控件，再將提取的波形成分進(jìn)行FFT變換來實現(xiàn)，頻域分析界面見圖4。

圖4　頻域分析界面

3.2.3諧次分析模塊

諧次分析是通過對FFT變化后的頻域分析波形中頻率成分進(jìn)行提取，頻率和諧次關(guān)系轉(zhuǎn)換完成幅值-諧次圖,諧次圖可直觀的檢測到軸心偏離等故障。

諧次分析界面與頻域分析界面大致相似，但在頻域分析的基礎(chǔ)上通過波形成分進(jìn)行提取，通過C語言來完成頻率和諧次間關(guān)系的轉(zhuǎn)換和平均轉(zhuǎn)速的計算，利用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，由于傳感器發(fā)出的脈沖頻率f和被測轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為

f=zn/60

(2)

式(2)中：z為齒輪次數(shù)。得出轉(zhuǎn)速n后，再通過FFT變換的幅值-頻率分析圖，當(dāng)頻率為fi時，則可得出幅值-諧次分析圖，通過創(chuàng)建ExpressXY來得到幅值-諧次。諧次分析界面見圖5。

3.2.4軸心軌跡模塊

軸心軌跡是反應(yīng)曲軸彎曲振動特征和程度的重要分析方法，它可通過位移信號→電壓信號→位移信號的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)，由于位移信號和電壓信號的轉(zhuǎn)換是通過電渦流位移傳感器實現(xiàn)的，可通過電渦流位移傳感器的靈敏度來轉(zhuǎn)換成真實的位移信號，利用ExpressXY來構(gòu)建x方向的位移和y方向的位移，得出曲軸軸心軌跡圖。

圖5　諧次分析界面

彎曲振動測試過程中，由于可能存在外界干擾信號的影響，如非線性油膜力等。曲軸的彎曲振動信號中除基頻分量外，還存在其他振動頻率成分，因此，為得到真實的位移信號，還需對采集的信號進(jìn)行濾波，由于在頻域分析中可大致確定基頻，故可設(shè)沿x，y方向上位移信號的高頻截止頻率和低頻截止頻率，軸心軌跡前面板見圖6。

圖6　軸心軌跡繪制前面板

4　系統(tǒng)的考核

4.1　臺架設(shè)計和系統(tǒng)硬件

為提高考核系統(tǒng)的可靠性，在實驗室搭建轉(zhuǎn)子試驗臺，該臺架轉(zhuǎn)速可進(jìn)行調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)子試驗臺后有一個單尖劈齒的脈沖盤，用于測量轉(zhuǎn)速，試驗臺架系統(tǒng)組成見圖7，其主要硬件見表1。

圖7　試驗臺架系統(tǒng)組成圖

名稱型號個數(shù)電渦流位移傳感器ZA21系列2前置放大器ZA2108012磁電式轉(zhuǎn)速傳感器SZMB?181數(shù)據(jù)采集卡NI6062E1恒流源24VB&W1

4.2　結(jié)果分析

通過設(shè)置采樣率為10 k，采樣點數(shù)為10 000，在軟件中設(shè)置一個80 Hz的干擾信號，通過通道設(shè)置，獲取的各模塊圖形見圖8～圖11。

圖8　x,y軸方向位移原始信號

圖9　x,y軸方向位移信號頻譜分析

圖10　x,y軸方向位移信號諧次分析

b) 未濾波

圖8為x和y軸方向的原始波形，圖9的頻譜圖中可顯示位移信號的頻率分布，圖10可反映諧次分析圖，圖11a)為有80 Hz干擾信號的軸心軌跡圖，通過設(shè)置濾波的高截止頻率為20 Hz，低截止頻率為100 Hz，即可濾去80 Hz的干擾信號，濾波干擾信號后軸心軌跡圖，可很好地反映和驗證軟件的功能。

5　結(jié)　語

通過利用虛擬儀器技術(shù)，在LabVIEW平臺下，開發(fā)一套柴油機(jī)及其軸系彎曲振動測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、頻域分析、諧次分析及軸心軌跡繪制等模塊組成，具有以下功能;

1) 可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析和管理功能，系統(tǒng)的可用性和可移植性較好；

2) 測試系統(tǒng)中的頻域分析可實現(xiàn)對柴油機(jī)彎曲振動頻率較為準(zhǔn)確地測量，為動力裝置的匹配提供技術(shù)參考；

3) 可進(jìn)行諧次跟蹤分析，為故障識別提供技術(shù)參考；

4) 振動周期軸心軌跡圖的繪制，使得軸系彎曲振動特征分析更為直觀和全面。

參考文獻(xiàn)：

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