基于模擬故障下的船舶軸系扭振研究

浙江國際海運職業技術學院 舒海濱

基于模擬故障下的船舶軸系扭振研究

浙江國際海運職業技術學院 舒海濱

扭振是影響船舶推進軸系可靠性和安全性的重要因素，尤其在軸系故障情況下，危害性更大。本文，筆者開發了一套以柴油機為激振源，以螺旋槳為負載的船舶軸系模擬實驗平臺。該平臺以PC機為核心，將傅里葉變換（FFT）和小波變換相結合開發了在線監測及報警系統軟件，對磨損、打滑等工況進行了扭振特性研究，現將實驗過程闡述如下。

一、實驗裝置

如圖1所示，實驗平臺結構仿照舟甬線客輪的推進系統結構設計，主要包括動力激振、扭矩傳遞、負載調節、實驗臺基礎。

1. 動力激振。選用型號為Z170F的小型柴油機外接減速比為5∶1的06型船用齒輪箱為動力激振源，通過油門桿調節進油量大小，使軸系轉速穩定在200～500r/min。

2. 扭矩傳遞。軸系總長1.2m左右，軸徑25mm，分為中間軸和艉軸，長度比為13∶7，軸系扭振主要體現在中間軸上。

3. 負載調節。采用剛性的凸緣聯軸器和法蘭連接各器件，艉軸的輸出端連接水箱中的三葉螺旋槳，利用調節水面高度的方法來調節負載。

4. 實驗臺基礎。實驗平臺安裝在底部裝有自制避振彈簧的基礎平臺上，通過避振彈簧上的螺釘聯鎖裝置調節基礎平臺的振動狀態，以模擬船舶航行中的機艙振動狀態。

二、測試過程

1. 計算軸系扭振程度。在中間軸兩端測點安裝一對測速齒輪，采用30等分矩形齒， 與透射式光電傳感器構成非接觸扭振雙通道測量系統，當測速齒輪運轉時，傳感器輸出的光電脈沖頻率與軸的轉速成正比。光電傳感器輸出振動信號經放大整形成矩形脈沖，進入與門；而時基信號由晶體振蕩器發出，經分頻電路后得到低頻脈沖信號進入與門。兩路信號相遇后，通過軟件控制，采集卡中的計數器計算出一個光電脈沖中的時基脈沖數。根據扭振理論

式中，φ—扭角，n—轉速變化分量，ΔF—光電脈沖頻率變化分量，Z—光電齒輪盤齒數。通過軟件分析光電脈沖的頻率變化情況，就可以計算出軸系的扭振程度。

2. 采集數據。扭振信號通過信號處理箱送入數據采集卡，通過軟件進行兩個通道的同步采集，每采集到21s數據后暫停工作，然后對采集到的數據每隔10ms進行插值，即確定采用頻率為100Hz，每個通道取2 048個采樣點。

3. 獲取數據頻譜分布。采樣后的轉速-時間的波動譜，經數字濾波后對其做快速傅立葉變換（FFT）和小波變換，選擇db2小波對通道1和通道2的兩路扭角差進行7層小波分解，把每層的重構信號進行維數為64的相空間重構，提取多分辨率奇異譜即可獲取其頻譜分布特征。通過綜合分析和對比不同尺度空間之間的熵值，得到信號局部特征的分布差異和變化，并以此作為故障的特征向量輸入到多類支持向量機進行故障識別。

三、故障模擬實驗

調節柴油機轉速大小，將改變激振力大小和激振頻率；調節水箱水位高低，將改變負載的大小。模擬試驗中，柴油機轉速從200～500r/m，每50r/m一檔；水箱水位為50～550mm，每100mm一段；通過逐檔逐段改變柴油機轉速和水箱水位高度進行故障試驗，利用信號分析和故障診斷軟件系統做扭振特性分析和診斷。

1. 軸承磨損。在中間軸右端軸承支座上下聯接處加入墊片，使支座與軸承產生0.5mm的配合間隙，圖2為在室溫、底座無振動、55cm水位、500r/m轉速時，中間軸軸承磨損時的頻譜圖，最大扭角為0.054度，可以看出，工頻幅值明顯增大，其他頻段幅值減小，這部分頻幅變化是由產生的慣性力所引起橫向振動與扭轉振動的耦合造成。圖3為在室溫、底座無振動、55cm水位、500r/m轉速下，實驗平臺正常工作與偏心和磨損故障時的軸系扭振頻譜變化情況。從圖中可以看出，磨損故障將明顯改變軸系的激振力大小和激振頻率，使系統雙結振動的主簡諧次數和激振能量分布發生變化，其中，1倍頻的幅值變化最為明顯，2倍頻的幅值也有比較大的變化。

圖2 中間軸軸承磨損時扭振頻譜

圖3 偏心與磨損時扭振頻譜變化

2. 齒輪箱打滑。撥動齒輪箱調節螺母，使它的法蘭端面向著摩擦片方向松開2格，稍微增大調節螺母與法蘭端面的間隙，使齒輪箱打滑。在室溫、底座無振動時控制柴油機轉速為1 750r/m，軸系轉速在300r/m上下快速波動，任意選取兩張不同時刻頻譜圖，如圖4（a）、（b）所示。從圖中可以看到扭角變化較大，波動從-0.039094～0.038531o變為0.086034～0.078763o，頻譜中工頻幅值變化較大，中低頻信號分布較雜亂，28Hz頻段上幅值明顯。

圖4 齒輪箱打滑對扭振頻譜的影響

綜上，測試結果表明，軸承磨損故障主要引起推進軸系的橫向振動，而對軸系高倍頻部分的扭振影響不大。齒輪箱打滑故障時軸系傳遞扭矩由齒輪箱摩擦片的最大摩擦力決定，轉速波動大，中低頻段幅值分布雜亂。該結果對實船扭振研究具有重要參考意義。