基于LabVIEW的船舶柴油機不同工況下的機身振動信號分析

婁朝輝，袁成清，郭智威，杜杰偉

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學 船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430063)

基于LabVIEW的船舶柴油機不同工況下的機身振動信號分析

婁朝輝1,2，袁成清1,2，郭智威1,2，杜杰偉1

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學 船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430063)

機身振動信號對船舶柴油機故障的識別具有重要作用，可為故障的分析提供重要的參數，因此編寫了基于LabVIEW的柴油機振動信號的采集與分析系統，應用搭建的平臺在正常工況和幾種典型的故障模式下進行振動信號的采集與分析試驗。從采集到的狀態信號中提取與設備故障密切相關的機身振動信號進行時域、頻域和幅值域的分析，同時通過各特征參數的分析對柴油機進行簡單有效的故障診斷與識別，并根據計算得出的特征值的變化趨勢來分析確定信號中故障的發生與發展，及時對故障作出分析診斷。這對保證船舶安全航行以及對設備實行預知維護都具有十分重要的意義。

柴油機；LabVIEW；振動信號；故障診斷

柴油機最大的優點是功率大、經濟性好，在船舶設備中的地位舉足輕重，它的運行狀態直接關系到船舶的運行安全和在船生命及財產安全[1-2]。由于工作環境惡劣、結構較為復雜，因而柴油機具有故障易發性的特點，對其故障的診斷的識別與分析已成為現階段機械設備故障診斷領域中的熱點和難點。因此，結合現代信號處理方法于柴油機狀態監測、故障識別與分析中具有十分重要的意義[3-4]。

計算機技術的不斷進步使得虛擬儀器技術在故障識別與分析領域得到了廣泛應用，使用故障診斷軟件可滿足故障識別與分析要求的同時能夠較好地彌補由硬件設備帶來的不足，因此廣受重視和歡迎[5]。在柴油機眾多信號中，機身振動信號能夠較為直接的反映柴油機的運行狀況，是柴油機運行狀況和故障征兆信息的載體[6]。

1 機身振動信號的特征參數與性能指標

機械振動的頻譜在其正常運行時是一定的，當系統中某零部件發生故障時，就會導致振動的變化，使原有頻率成分發生改變，因此通過對振動信號中各頻率成分的分析，與機械正常運行時的頻率分布進行對比，就可判斷是否存在故障[7-9]。

在監測與診斷中，常用的時間和幅值域參數主要有平均值、均方值和有效值等，常用到的示性指標主要有峰值、偏斜度指標(簡稱偏度)和峭度指標等。在多信號源情況下，還可利用波形參數、峰值因數、脈沖因數、裕度因數等無量綱示性指標進行故障診斷或趨勢分析。

故障診斷和故障趨勢分析的準確性取決于所選分析參數的性能指標的敏感性和穩定性，如峭度指標是指信號峭度與其均方根值的四次方的比值，是概率密度分布陡峭程度的度量，它的敏感性好穩定性則差。而脈沖指標的敏感性較好，穩定性一般。幾種用于故障分析的常用幅值域參數的性能指標如表1所示[10-11]。

表1 幅域參數的敏感性和穩定性

2 試驗設計

振動信號的采集和分析是試驗的主要部分，采集的硬件部分由柴油機、傳感器、電荷放大器、控制柜、工控機等幾部分組成，而軟件部分主要利用LabVIEW進行編程分析。

2.1軟硬件的選擇

測試系統由測試前端、硬件部分、軟件部分組成。采用圖1所示的硬件平臺，在虛擬儀器技術環境中對數據采集和信號處理進行設計，可以實現柴油機機身振動信號的實時數據采集、歷史數據回放和暫態數據顯示的功能，從而可以對采集的信號進行時域、頻域的各類特征分析。

圖1 測試系統示意圖

2.2數據采集的軟件設計

振動信號的采集程序能夠真實模擬機械設備工作時的情況，可以同時實現對多路振動信號的實時采集，并對非平穩信號進行多樣分析，試驗中軟件的設計總體上采用隊列狀態機結構。采集與分析軟件是基于LabVIEW設計的分析測試手段，虛擬儀器技術不僅可省卻硬件設備的購置，又可實現功能的快速化、形象化。

2.3傳感器安裝位置

柴油機機身振動的激勵源眾多，選定合適的位置安裝振動傳感器能夠有效減小其他激勵對信號采集造成的影響。因機身振動的主要激勵源為活塞與缸套主、副推力面的橫向撞擊，故將傳感器固定在機身上，傳感器軸線與機身的橫向振動的方向平行，與主推力面的母線垂直且相交。傳感器安裝位置如圖2所示。

圖2 傳感器的安裝位置

2.3試驗

2.3.1試驗對象

試驗柴油機型號為1115柴油機，缸徑115 mm，沖程105 mm，采用電機倒拖的方式運轉。軸瓦軸承的選擇：潤滑不良、超載、非有效的密封、過小的配合間隙等皆可導致軸瓦、軸承的損壞，這些因素皆有其特殊的損壞形式且會留下特殊的損壞痕跡。本次試驗選用因潤滑不良造成表面被磨傷且有凹凸不平的表面合金從中間向兩側移位的軸瓦作為試驗對象一，而試驗對象二則選用因安裝不良造成偏磨的軸承。

2.3.2試驗設計

工況分別設定為正常工況、軸瓦故障和軸承故障3種模式，對于每一種工況，分別在200 r/min、400 r/min和800 r/min 轉速下運行，運行時間均為2 h，實驗采用20 kHz的采樣頻率，為了保持采樣頻率固定，在不同轉速條件下需要每周期的采樣點數不同，以達到頻率分析一致性的目的，見表2。

表2 柴油機故障工況設計表

3 試驗分析

3.1時域分析

試驗采用的是加速度傳感器，在時域分析中電荷傳感器的輸出幅值與機身振動的加速度大小成正比關系，而數據采集卡顯示的電壓大小也直接與機身振動的加速度大小成正比，在采集過程中體現在波形顯示框中，因此通過時域信號可以非常直接明了的觀察到振動強度隨時間的變化關系。

從圖3、圖4、圖5時域波形中，可以清晰地看到柴油機運行的每周期中不同飛輪轉角下的機身振動強度，進而可以很直觀的進行在不同轉速或缸套類型工況下的對比分析。由圖3、圖4、圖5比較可知，隨著轉速的增加，機身振動的幅值均會明顯的增加。且在1個周期內信號峰值主要集中在6個時刻點，說明在這6個時刻點活塞缸套的撞擊比較強烈，這與我們所知道的4沖程單缸內燃機在1個循環周期內活塞與缸套有6次撞擊相符合。從圖中還可以看出這6個時刻點是大致均勻分布在1個周期內，也即表明峰值的出現有規律的分布在4個沖程內。而在轉速一定的條件下，在圖中能定性的比較出軸瓦磨損和軸承故障下的峰值均要比正常運行工況下的峰值要高，且軸承故障情況下的振動強度相對較高，隨著轉速的增加表現的更為強烈。說明柴油機在轉速一定時，軸承故障對柴油機振動信號的影響較強且有增大的趨勢。

時域分析具有形象直觀的特點，觀察時域信號雖然可以得到各個相位在幅值上的變化，但這種分析方法會失去振動頻率等相關信息。

3.2頻域分析

圖3 正常工況的機身振動信號時域圖

圖4 軸瓦磨損下的機身振動信號時域圖

圖5 軸承故障下的機身振動信號時域圖

工程上所測得的信號數據較為常見的是時域信號，然而機械故障的發生往往伴隨著信號頻率結構的變化，為了了解和分析運行機械系統的特性和狀態，往往需要所測得信號的頻域信息。頻域分析是把采集的時域信號通過傅立葉的變換轉換成以頻率為橫坐標，原始時域信號的頻率成分幅值或相位信息為縱坐標的一種分析方法。它將信號從時域變換到頻域，在頻率域上研究機械系統的性能與結構參數的關系，從而幫助人們從另一個角度來了解信號的特征。它能夠得到從原始時域信號無法得到的信號特征，提供比時域信號波形更為豐富和直觀的信號信息，判斷某些信號是否為故障信號，以此來識別和分析故障。機身振動信號的激勵源較多且信號隨機、激勵不穩定。因此可以對振動信號進行變化，求取功率譜密度來減小隨機性對分析結果的影響。然后再進行對功率譜密度對比分析，比較信號在頻域范圍內特征參量的變化。圖6、圖7、圖8分別為3種工況下的機身振動信號的功率譜圖。這種功率譜分析能夠描述實時采集的復雜工程信號的頻率結構，實現對設備系統的“透視”，從而了解機器設備各部分的工作狀況。

從圖6正常工況下的功率譜圖可以看出內燃機的能量主要集中在3 000～5 000 Hz頻段，且能量分布較為集中。對比圖6、圖7、圖8可以發現，隨著轉速的增加機身振動的能量分布越來越擴散，且能量的幅值也越大。正常工況下的運行比較均衡平穩，因為其能夠形成較為完整的油膜。而軸瓦磨損和軸承故障使機身的振動多了一定數量的能量峰值點，產生這種變化的原因可能是由于軸瓦間隙或軸承故障原因使活塞上下運動時在某一個或某幾個固定點產生了周期性的沖擊等。

3.3幅值域的特征參數分析

信號幅值上進行的各種處理稱作幅域分析。一般來說，船舶柴油機的結構較為復雜，采集獲得的信號信息在大多數情況下隨機性較強，因此為了得到柴油機振動信號的分析指標，可將實時采集到的的機身振動信號進行參數計算。利用LabVIEW平臺開發的振動信號采集分析系統采集得到1115柴油機正常狀態和故障狀態的機身振動信號，各參數的計算值均取樣本參量的算術平均值，如表3所示，從表3可以看出以下問題。

1)峰度又稱峰態系數，表征概率密度分布曲線在平均值處峰值高低的特征數。從上述振動信號的特征值可以看出隨著轉速的增加3種工況下的峰度整體趨勢均為降低，峰度越大表明加速度的變化范圍越大，振動越不平穩。在200 r/min轉速下，峰度值最大，柴油機運行最不平穩，隨著轉速的增加各工況下的峰度值均減小，運行越來越趨于平穩。而在同一轉速下，軸承故障下的峰度值最大，可見軸承故障對柴油機運行的穩定性影響較大。

圖6 正常工況的機身振動信號功率譜圖

圖7 軸瓦磨損下的機身振動信號功率譜圖

圖8 軸承故障下的機身振動信號功率譜圖

表3 幅值域各參數值

2) 周期內加速度的均方根值，可作為反映整個周期內能量大小的參量。從數據可以看出軸瓦磨損和軸承故障情況下的均方根值要比正常工況下的值要大得多，這與理論上存在故障的柴油機振動能量較大的分析相一致。

3) 最大值與最小值，該參數表示為每周期振動信號加速度的極值。隨著轉速的增加極值也在不斷的上升，此種現象的原因是隨著轉速的提高，活塞對機體的橫向撞擊加強。在同一轉速下，機身振動信號的最大值、最小值以及峰值的顯著增大反映出軸承或軸瓦存在故障，這與試驗設計結果相吻合。

4) 脈沖因數對沖擊脈沖類故障比較敏感，在轉速200 r/min的時候，故障模式下的脈沖因數和正常工況下有明顯的增加，但400 r/min、800 r/min時，數值反而降低，表明隨著采集時間的增加，故障柴油機逐漸發展磨合，趨于穩定，脈沖因數對早期故障有較高的敏感性，但穩定性不好。

4 結束語

1)柴油機機身振動信號的時域、頻域和幅值域參數，甚至包括統計參數以及無量綱參數在一定程度上能夠反映出信號的波動情況和變化程度，正確選擇可以進行故障的識別與預防。

2)柴油機振動信號激勵源眾多，信號的重復性較差，同一工作段的某些參數變化較大。選定機身振動信號作為研究對象，利用所設計的信號采集與分析軟件進行特征值的分析可為故障識別提供可用的參數，在一定程度上驗證了該軟件在診斷與識別軸瓦磨損和軸承故障時的有效性。

3)把虛擬儀器技術應用于柴油機的故障診斷中，實現對柴油機在不解體的情況下進行故障的智能監測與識別，是智能故障診斷的一個發展方向。

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Fuselage vibration signals are of great importance on failure diagnosis of marine diesel engine,which can provide important parameters for failure analysis.An acquisition and analysis system of diesel engine vibration signal is written based on LabVIEW,applied on the built platform to test the acquisition and analysis of the system in normal working conditions and several typical failure modes.The fuselage vibration signals closely related to equipment failure are extracted from the collected state signals,which will be analyzed for its time-domain,frequency domain and amplituade-domain.At the same time,simple and effective fault diagnosis and recognition for the diesel engine were analyzed through the characteristic parameters.According to the trend of changes in the eigenvalure,the occurrence and development of the failure can be determined,thus timely and accurate analysis and diagnosis of the failure can be made.This has great significance for ensuring the safe navigation of the ship as well as the implementation of equipment prodictive maintenance.

diesel engine;Lab VIEW;vibration signal;fault diagnosis

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.04.014

霍英東教育基金會高等院校青年教師基金(131051)；教育部新世紀優秀人才支持計劃項目(NCET-12-0910)

婁朝輝(1988-)，男，河南永城人，在讀碩士研究生，研究方向為船舶能源與動力及可靠性。

2014-03-21