基于船舶軸系扭振的船用主機(jī)氣缸動(dòng)力輸出平衡性分析

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(1．浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 舟山 316021；2．浙江省船舶檢驗(yàn)局舟山船檢處,浙江 舟山 316000)

船舶軸系扭振是船舶動(dòng)力系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)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(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算方法[1]，包括自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)兩個(gè)方面[2-8]。本文通過理論分析和實(shí)船試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)軸系扭振振形圖進(jìn)行特別的處理和計(jì)算，用以評(píng)價(jià)船用柴油機(jī)氣缸動(dòng)力輸出的平衡性。

1 理論基礎(chǔ)

根據(jù)船用柴油機(jī)發(fā)火規(guī)律，其發(fā)火間隔角及其發(fā)火間隔時(shí)間均保持不變，通過所測(cè)得的轉(zhuǎn)速信息得到相應(yīng)的氣缸燃燒沖擊頻率f、周期T和扭振峰-峰時(shí)間間隔Tθ，其計(jì)算表達(dá)式為

(1)

(2)

(3)

式中：f——柴油機(jī)燃燒沖擊頻率，Hz；

k——頻率系數(shù)，對(duì)于二沖程柴油機(jī)取1，而四沖程柴油機(jī)取2；

n——柴油機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，r/min。

式(2)用于計(jì)算柴油機(jī)的燃燒沖擊周期，式(3)計(jì)算燃燒沖擊間隔時(shí)間，其中Z為柴油機(jī)的氣缸數(shù)。

分析過程中，以實(shí)測(cè)波形圖呈現(xiàn)的最大峰值作為第一個(gè)氣缸發(fā)火時(shí)刻，并通過扭角波形圖推算得出后續(xù)氣缸發(fā)火時(shí)間和扭振幅值，從而得到對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的各氣缸名義動(dòng)力輸出值，用振幅大小表征動(dòng)力輸出值。最終以平均振幅作為基準(zhǔn)，最大振幅偏離平均增幅的均方差作為平衡性評(píng)價(jià)指標(biāo)Sθ。

(4)

式中:θi——各缸對(duì)應(yīng)的振動(dòng)峰值，10-3md；

2 軸系扭振信號(hào)采集

以某船的主推進(jìn)系統(tǒng)為軸系扭振信號(hào)采集對(duì)象，該船配備的柴油機(jī)為四沖程、中冷、增壓柴油機(jī)，額定功率為2 500 kW，額定轉(zhuǎn)速為750 r/min，發(fā)火順序?yàn)?-3-2-5-8-6-7-4。軸系扭振測(cè)試傳感器采用霍爾齒數(shù)計(jì)數(shù)傳感器，安裝在船舶柴油機(jī)動(dòng)力輸出端的飛輪處。軸系扭振信號(hào)采集以柴油機(jī)轉(zhuǎn)速來指示柴油機(jī)運(yùn)行工況，本次實(shí)船試驗(yàn)選擇5個(gè)工況點(diǎn)，其分別為400、500、600、700、750 r/min。但是由于該船推進(jìn)系統(tǒng)選用的主機(jī)為4沖程中速柴油機(jī)，其轉(zhuǎn)速無法穩(wěn)定在特定的轉(zhuǎn)速點(diǎn)，因此在實(shí)測(cè)過程采集的軸系扭振數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)工況將偏離原設(shè)定的轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)，后續(xù)的分析以實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速為準(zhǔn)。實(shí)船軸系扭振的時(shí)域波形見圖1，采集的實(shí)際工況分別為408.7、502.1、602.5、698.5、746.2 r/min等5個(gè)工況。

從圖1的5個(gè)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的時(shí)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(duì)外部激勵(lì)的響應(yīng)特性。

圖1 船舶軸系扭振波形圖(時(shí)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(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為基準(zhǔn)，同時(shí)將發(fā)火間隔時(shí)間作為各缸燃燒沖擊峰值的設(shè)定時(shí)間間隔，通過公式(1)～(3)計(jì)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(shí)刻點(diǎn)，見表1。

表1 燃燒沖擊峰-峰值時(shí)刻表

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

通過圖2可見，在602.5和698.5 r/min的工況點(diǎn)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)變化值最大，而其它3個(gè)工況點(diǎn)的變化值相對(duì)較小；但是都表現(xiàn)出較大的不均勻性，在一定程度上體現(xiàn)了柴油機(jī)各缸燃燒沖擊的不平衡性。

圖2 軸系扭振峰值-轉(zhuǎn)速變化曲線(按氣缸序號(hào)排列)

同時(shí)，通過應(yīng)用公式(4)對(duì)軸系扭轉(zhuǎn)峰值數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到如圖3所示的幅值平均值和均方差隨著轉(zhuǎn)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(jī)的正常運(yùn)行工況范圍內(nèi)，各缸動(dòng)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(gè)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(dá)到極值點(diǎn)，而700 r/min是該船柴油機(jī)動(dòng)力輸出不平衡性的臨界點(diǎn)，需要對(duì)各缸燃燒工況進(jìn)行調(diào)整，以降低不平衡度，以保障船舶柴油機(jī)更為穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

4 結(jié)論

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

2)該船主機(jī)的氣缸動(dòng)力輸出不平衡程度隨著轉(zhuǎn)速增加先增大后減小，在正常運(yùn)行工況內(nèi)存在一個(gè)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(cè)試不能體現(xiàn)扭振初始角，因此不能將振動(dòng)峰值與氣缸進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，但能從整體上定性地分析氣缸動(dòng)力輸出的不平衡程度。

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