胡以懷，Munyao Elijah Musango，韓冰，欒泳立，芮曉松

（1.上海海事大學(xué)，上海201306；2.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所，上海200135；3.中航鼎衡造船有限公司，江都225217）

0 引言

遠(yuǎn)洋船舶機(jī)艙是一個(gè)集機(jī)、電、熱、液為一體的復(fù)雜系統(tǒng)，且受到惡劣的航行條件、多變的運(yùn)行工況等多種因素的影響，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響著整個(gè)船舶的正常航行。統(tǒng)計(jì)資料表明，在引起海難事故的各種因素中，船舶機(jī)械設(shè)備的故障高居首位。在船舶機(jī)艙設(shè)備中，船用柴油機(jī)系統(tǒng)仍然是事故發(fā)生率最高的部位，特別是活塞、缸套、氣閥、噴油器這些燃燒室周圍的零部件。由于二沖程柴油主機(jī)是機(jī)艙中最主要的動(dòng)力設(shè)備，因其故障而引發(fā)的事故往往是較大事故［1-3］。船舶機(jī)損事故造成的經(jīng)濟(jì)損失動(dòng)輒上百萬(wàn)元，甚至危及船舶安全，造成惡劣的環(huán)境污染。船舶柴油機(jī)由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和惡劣的工作條件，是機(jī)艙設(shè)備中影響船舶安全航行的最大因素，加強(qiáng)船舶柴油機(jī)故障診斷技術(shù)方面的研究意義重大，有很大的實(shí)用價(jià)值。

遠(yuǎn)洋船舶大多數(shù)采用二沖程十字頭式柴油機(jī)作為主機(jī)。這種柴油機(jī)的十字頭軸承連接著連桿和活塞桿組件，起著傳遞動(dòng)力的重要作用，同時(shí)也承受連桿的側(cè)推力。因二沖程柴油機(jī)轉(zhuǎn)速低、壓比高，其十字頭軸承工作環(huán)境十分惡劣，容易發(fā)生故障，故需要了解十字頭軸承的磨損情況，以便及時(shí)采取措施保證軸承有良好的潤(rùn)滑。利用柴油機(jī)機(jī)身側(cè)面的振動(dòng)信號(hào)可以監(jiān)測(cè)柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒和活塞-缸套的磨損狀態(tài)，這已經(jīng)在高速四沖程柴油機(jī)的振動(dòng)試驗(yàn)中得到了證實(shí)［4-5］。但是十字頭式低速二沖程柴油機(jī)的工作原理與四沖程柴油機(jī)不一樣，能否利用二沖程柴油機(jī)的機(jī)身側(cè)面振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)十字頭軸承的磨損狀態(tài)，是本論文的主要研究目的。本文通過(guò)對(duì)柴油機(jī)機(jī)身側(cè)面的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試與分析，獲得一些重要的特征信息，為低速二沖程十字頭式柴油機(jī)十字頭軸承的磨損故障振動(dòng)診斷的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)點(diǎn)

試驗(yàn)對(duì)象為一臺(tái)MAN B＆W 6S35ME-B型船用電控二沖程6缸十字頭式柴油主機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速142 r／min，額定功率3 400 kW，發(fā)火順序1-5-3-4-2-6。該型柴油機(jī)十字頭采用雙導(dǎo)板結(jié)構(gòu)，依靠十字頭軸承兩邊的滑塊承受側(cè)推力 （見(jiàn)圖1），故機(jī)身側(cè)面的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)都布置在各缸上止點(diǎn)位置時(shí)的十字頭軸承兩邊滑塊的對(duì)應(yīng)位置，共7個(gè)測(cè)點(diǎn)。部分機(jī)身側(cè)面振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置 （1#、2#和3#振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置）如圖2所示，全部振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖3。這樣，1#振動(dòng)測(cè)點(diǎn)可以監(jiān)測(cè)1#缸十字頭軸承左側(cè)滑塊的振動(dòng)沖擊，2#測(cè)點(diǎn)可以監(jiān)測(cè)1#缸十字頭右側(cè)滑塊和2#缸十字頭左側(cè)滑塊的振動(dòng)沖擊，3#測(cè)點(diǎn)可以監(jiān)測(cè)2#缸十字頭右側(cè)滑塊和3#缸十字頭左側(cè)滑塊的振動(dòng)沖擊，7#測(cè)點(diǎn)可以監(jiān)測(cè)6#缸十字頭右側(cè)滑塊。測(cè)試設(shè)備為北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)的ICP型振動(dòng)傳感器、DASP-10振動(dòng)檢測(cè)儀、INV3602數(shù)據(jù)采集儀和DASP-V10振動(dòng)分析軟件，測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。

圖1 二沖程柴油機(jī)十字頭結(jié)構(gòu)示意

圖2 二沖程柴油主機(jī)機(jī)身側(cè)面的測(cè)點(diǎn)布置

圖3 二沖程柴油主機(jī)的振動(dòng)測(cè)試與分析系統(tǒng)

2 靜態(tài)敲擊試驗(yàn)

為了解柴油機(jī)機(jī)身表面振動(dòng)的傳播特性，在上海海事大學(xué)自動(dòng)化機(jī)艙實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)柴油機(jī)不同點(diǎn)進(jìn)行了靜態(tài)敲擊試驗(yàn)。圖4是在6S35ME-B柴油機(jī)1#缸套上部敲擊后獲得的柴油機(jī)機(jī)身側(cè)面1#、2#、3#、4#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)?？梢?jiàn)，由于1#測(cè)點(diǎn)最接近缸套敲擊點(diǎn)，故振動(dòng)幅值最大，而相鄰各缸的振動(dòng)衰減很快，各機(jī)身側(cè)面測(cè)點(diǎn)的平均振動(dòng)峰值分別是52.1 m／s2、 22.4 m／s2、 20.7 m／s2和 9.2 m／s2， 說(shuō)明相鄰各缸機(jī)身側(cè)面測(cè)點(diǎn)之間的振動(dòng)影響較小。

圖5是在柴油機(jī)1#缸機(jī)身側(cè)面上部敲擊后獲得的柴油機(jī)機(jī)身側(cè)面1#、2#、3#和4#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)。可見(jiàn)，1#、2#測(cè)點(diǎn)距敲擊點(diǎn)最近，振動(dòng)也最大，而3#、4#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)明顯較小，再次證明柴油機(jī)機(jī)身側(cè)面相鄰測(cè)點(diǎn)之間的振動(dòng)干擾較小，為各缸十字頭軸承磨損故障振動(dòng)監(jiān)測(cè)提供了便利。

圖4 柴油機(jī)1#缸套靜態(tài)敲擊下機(jī)身側(cè)面1#、2#、3#和4#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)

圖5 柴油機(jī)1#缸機(jī)身上部靜態(tài)敲擊下機(jī)身側(cè)面1#、2#、3#和4#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)

3 動(dòng)態(tài)測(cè)試

在轉(zhuǎn)速90 r／min、 功率987.0 kW 運(yùn)行工況下，對(duì)該柴油主機(jī)進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)。柴油機(jī)機(jī)身側(cè)面1#、2#和3#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)波形及頻譜分析結(jié)果如圖6～7所示?？梢?jiàn)，1個(gè)工作周期內(nèi)機(jī)身側(cè)面有6個(gè)振動(dòng)沖擊，振動(dòng)能量主要分布在高頻6.5 ～7.5 kHz。從圖6還可以看出，1#測(cè)點(diǎn)由于最靠近1#缸十字頭左側(cè)滑塊，其1#缸對(duì)應(yīng)的振動(dòng)沖擊最強(qiáng)。2#測(cè)點(diǎn)最靠近1#缸十字頭右側(cè)滑塊和2#缸十字頭左側(cè)滑塊，故其1#缸和2#缸對(duì)應(yīng)的振動(dòng)沖擊最強(qiáng)。3#測(cè)點(diǎn)最靠近2#缸十字頭右側(cè)滑塊和3#缸十字頭左側(cè)滑塊，故其2#缸和3#缸對(duì)應(yīng)的振動(dòng)沖擊最強(qiáng)。這些現(xiàn)象充分證明，機(jī)身側(cè)面的振動(dòng)沖擊來(lái)自于十字頭軸承滑塊對(duì)導(dǎo)板的撞擊。

圖8是柴油機(jī)在轉(zhuǎn)速130 r／min、功率2 640kW運(yùn)行工況下機(jī)身側(cè)面1#、2#和3#側(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，圖9是相同工況下機(jī)身側(cè)面4#、5#和6#測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)。其進(jìn)一步證實(shí)了該6缸十字頭柴油機(jī)1個(gè)工作周期內(nèi)機(jī)身側(cè)面有6個(gè)振動(dòng)沖擊，都分別對(duì)應(yīng)于各缸十字頭滑塊橫向撞擊導(dǎo)板的位置，且相鄰缸的振動(dòng)沖擊最強(qiáng)?？梢?jiàn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)相同運(yùn)行工況下各缸十字頭處機(jī)身側(cè)面的振動(dòng)沖擊強(qiáng)度，可以了解各缸十字頭滑塊和軸承的磨損情況。

圖6 柴油主機(jī)90 r／min轉(zhuǎn)速下機(jī)身側(cè)面1#、2#和3#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)

圖7 柴油機(jī)90 r／min轉(zhuǎn)速下機(jī)身側(cè)面1#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)波形及頻譜圖

圖8 柴油機(jī)130 r／min轉(zhuǎn)速下機(jī)身側(cè)面1#、2#和3#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)

圖9 柴油機(jī)130 r／min轉(zhuǎn)速下機(jī)身側(cè)面4#、5#和6#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)

4 結(jié)論

對(duì)船用二沖程低速柴油主機(jī)機(jī)身側(cè)面的振動(dòng)測(cè)試與分析表明，相鄰各缸機(jī)身測(cè)點(diǎn)之間的振動(dòng)影響較小，且1個(gè)工作周期內(nèi)機(jī)身側(cè)面有6個(gè)振動(dòng)沖擊，分別對(duì)應(yīng)于各缸十字頭滑塊橫向撞擊導(dǎo)板的位置，這是與四沖程柴油機(jī)機(jī)身側(cè)面振動(dòng)的不同之處。雖然利用機(jī)身側(cè)面的振動(dòng)信號(hào)不能監(jiān)測(cè)十字頭柴油機(jī)活塞-缸套的磨損間隙，但可以監(jiān)測(cè)十字頭滑塊和軸承的磨損狀態(tài)，為二沖程柴油機(jī)十字頭的磨損故障振動(dòng)監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)新的方法。