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(廈門工學(xué)院 柔性制造裝備集成福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福建 廈門 361021)

0 引 言

船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是船舶的動(dòng)力核心，為了提高對(duì)船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，行業(yè)內(nèi)有針對(duì)性的開發(fā)了各種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，比如溫度監(jiān)測(cè)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、速度與加速度監(jiān)測(cè)等，其中，基于振動(dòng)信號(hào)的船舶柴油機(jī)監(jiān)測(cè)能夠快速和準(zhǔn)確的對(duì)柴油機(jī)故障進(jìn)行定位，是最行之有效的監(jiān)測(cè)手段。

本文針對(duì)柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊故障類型建立了基于振動(dòng)分析的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要完成以下幾項(xiàng)工作：

1）分析了船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊載荷的激勵(lì)來源，建立沖擊激勵(lì)的數(shù)學(xué)模型和能量模型，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、主軸系等部件，為船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)確定輸入信號(hào)。

2）基于專家系統(tǒng)知識(shí)庫和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，設(shè)計(jì)和開發(fā)了針對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊故障能量采集傳感器，基于傳感器設(shè)計(jì)了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3）通過搭建試驗(yàn)品，進(jìn)行了沖擊故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的模擬測(cè)試，驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能。

1 船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊激勵(lì)來源與建模

船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程中，沖擊激勵(lì)會(huì)導(dǎo)致部件載荷增大，甚至導(dǎo)致精密部件的失效，船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境非常惡劣，其沖擊激勵(lì)主要來源于以下方面：

1）直接沖擊激勵(lì)

主要是指柴油機(jī)氣缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的氣體沖擊和曲柄、連桿的慣性力沖擊，通常，內(nèi)部的氣體力激勵(lì)和慣性力激勵(lì)頻帶較寬，沖擊載荷較大。

2）間接沖擊激勵(lì)

包括柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣與排氣行程中產(chǎn)生的基座振動(dòng)激勵(lì)，這類激勵(lì)是由于氣體力、慣性力激勵(lì)的作用下間接產(chǎn)生的，歸類于間接沖擊激勵(lì)。

3）其他激勵(lì)源

包括海浪沖擊載荷、機(jī)械碰撞等。

本文建立船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)等效模型如圖1 所示。

圖1 船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)等效模型Fig. 1 Dynamic equivalent model of Marine diesel engine system

根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，建立柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)能方程為：

其中，E1為發(fā)動(dòng)機(jī)的等效動(dòng)能，用下式計(jì)算：

式中：γ為發(fā)動(dòng)機(jī)的速度系數(shù)，，n為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，D為轉(zhuǎn)動(dòng)等效直徑； α為動(dòng)力系數(shù)，。

E2為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中阻尼元件的等效動(dòng)能，，vt為阻尼元件的運(yùn)動(dòng)速度；Eo為阻尼元件的動(dòng)力勢(shì)能。

假設(shè)在沖擊載荷作用下，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)位移為x(t)，可建模如下：

式中：Fi為沖擊作用力的合力，M1為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的速度矢量，M2為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的剛度矢量，M3為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的位置矢量[1]。

動(dòng)力學(xué)分析中，船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊作用力矩如下式：

式中：T1為發(fā)動(dòng)機(jī)直接沖擊激勵(lì)產(chǎn)生的激振力矩，d1為力矩與發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心的距離，T2為螺旋槳產(chǎn)生的激振力矩，d2為螺旋槳到發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心的位置。

2 船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊能量數(shù)學(xué)建模

船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)承受沖擊作用時(shí)，一方面柴油發(fā)動(dòng)機(jī)零部件會(huì)在沖擊載荷下發(fā)生形變，另一方面柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)會(huì)在沖擊激勵(lì)下產(chǎn)生振動(dòng)。

建立船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊激勵(lì)模型：

式中：Fx、Fy為發(fā)動(dòng)機(jī)受到的2 個(gè)方向的激振力，Li為發(fā)動(dòng)機(jī)等效長(zhǎng)度，Vx、Vy為發(fā)動(dòng)機(jī)在不同方向的振動(dòng)速度，Mxy為沖擊轉(zhuǎn)矩，wi為 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率。

建立沖擊載荷下的能量方程為：

式中，M0為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量， λ1、 λ2為能量系數(shù)，βx、βy為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)沿2 個(gè)方向的單位動(dòng)量，w為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)固有頻率，按照下式計(jì)算：

式中：D為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ρ0為等效密度，計(jì)算中以鋼材密度代替，E0為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的等效彈性模量，μ為泊松比，c為剛度調(diào)節(jié)系數(shù)。

計(jì)算船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的固有頻率，如下式：

式中：CV為與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)功率有關(guān)的常數(shù)[3]，j0為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的等效慣性矩， ?m為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量。

船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不同頻率的沖擊激勵(lì)幅值如圖2可見。

圖2 船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不同頻率的沖擊激勵(lì)幅值Fig. 2 Shock excitation amplitudes of different frequencies for Marine diesel engines

可知，沖擊激勵(lì)隨著頻率呈非線性關(guān)系，在頻率為3 Hz 處達(dá)到峰值。

3 船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)

3.1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊能量采集傳感器開發(fā)

針對(duì)船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊載荷采集問題，本文采用的傳感器為壓電振動(dòng)傳感器，該類型傳感器基于材料的正壓電效應(yīng)原理，將材料的機(jī)械形變轉(zhuǎn)換為電能輸出[2]。

壓電振動(dòng)傳感器的關(guān)鍵參數(shù)包括：

1）機(jī)電耦合系數(shù)

表征傳感器采用的壓電材料機(jī)械形變與電能的耦合程度，是壓電傳感器的重要指標(biāo)，用下式表示：

式中：Eout為輸出的電能，Min為輸入的機(jī)械能。

2）壓電應(yīng)變系數(shù)

是指壓電材料形變量與電能的轉(zhuǎn)化關(guān)系，本文采用的沖擊能量傳感器為正壓電傳感器，定義為：

式中：D為壓電材料的電荷密度，T為作用于材料上的應(yīng)力。

3）相對(duì)介電系數(shù)

相對(duì)介電系數(shù)反應(yīng)的是材料的電介質(zhì)特性，定義為：

式中，ε為材料的自由介電常數(shù)，εo為 真空下的介電系數(shù)。

建立柴油發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊能量傳感器的原理圖如圖3所示。

圖3 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊能量傳感器的原理圖Fig. 3 Schematic diagram of impulse energy sensor for diesel engine

當(dāng)沖擊激勵(lì)為減諧激勵(lì)x(t)=X0sinwt時(shí)，傳感器的質(zhì)量塊M 位移為y(t)，建立二階微分方程為：

帶入減諧激勵(lì)x(t)=X0sinwt，可得傳感器的穩(wěn)態(tài)解為：

傳感器的無阻尼固有頻率ωn與沖擊激勵(lì)無關(guān)[3]，計(jì)算公式為：

傳感器的阻尼比ζ為：

沖擊能量傳感器的無阻尼固有頻率與阻尼比之間的關(guān)系曲線如圖4 所示。

圖4 無阻尼固有頻率與阻尼比之間的關(guān)系曲線Fig. 4 The relationship between the undamped natural frequency and the damping ratio

圖5 船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 5 Structure diagram of impact fault monitoring system for marine chai hair

可知，隨著固有頻率的增加，傳感器的阻尼比的峰值（固有頻率為1 處）逐漸降低。

3.2 船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文建立了船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖所示。

1）電源管理系統(tǒng)

為了保障船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電能供給，通過建立整流、阻抗匹配電路，結(jié)合負(fù)載對(duì)沖擊測(cè)量傳感器進(jìn)行電能供應(yīng)，同時(shí)利用儲(chǔ)能電池將系統(tǒng)多余的電能收集起來。電源管理系統(tǒng)的關(guān)鍵功能包括：① 對(duì)傳感器的輸出交流電壓進(jìn)行整流；② 調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電能供給關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電能的最佳配置，采用的電能管理芯片為L(zhǎng)TC3588-1 芯片。

2）微控制器

微控制器是故障監(jiān)測(cè)和采集的核心，控制器的信號(hào)處理頻率為600~700 Hz，對(duì)振動(dòng)傳感器和能量傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行分析和處理，當(dāng)采集的信號(hào)超過發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行允許的閾值時(shí)，微控制器觸發(fā)報(bào)警。

3.3 船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試

本節(jié)通過搭建沖擊測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試，測(cè)試臺(tái)主要由以下關(guān)鍵硬件組成：

1）電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)

由小型電機(jī)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，可以模擬不同的振動(dòng)模式及頻率響應(yīng)測(cè)試。

2）壓電式能量傳感器

采用PCB 壓電式能量傳感器，采集測(cè)試過程的沖擊信號(hào)。

3）信號(hào)發(fā)生器

信號(hào)發(fā)生器的作用是測(cè)試和校準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備和系統(tǒng)，選用YMC9200 型數(shù)字信號(hào)發(fā)生器。

4）示波器

實(shí)時(shí)顯示測(cè)試過程的電壓、電流、頻率等信號(hào)的形態(tài)、振幅、波形以及相位等特征，選用LA-800示波器[4]。

圖6 為測(cè)試平臺(tái)采集的船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊響應(yīng)曲線，分別為不同沖擊載荷下的幅頻值。

圖6 測(cè)試平臺(tái)采集的船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊響應(yīng)曲線Fig. 6 Shock response curve of Marine diesel engine collected by test platform

可知，采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)為400，沖擊響應(yīng)1 的諧波幅值在5.5 附近波動(dòng)；沖擊響應(yīng)2 的諧波幅值在6.1 附近波動(dòng)。

4 結(jié) 語

船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在沖擊載荷下的工作穩(wěn)定性非常重要，本文結(jié)合柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)和能量模型，搭建了船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并實(shí)際搭建測(cè)試平臺(tái)，對(duì)沖擊故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試。