基于階次提取法的軸系軸心軌跡分析

邱博，王志華，李中成

基于階次提取法的軸系軸心軌跡分析

邱博，王志華，李中成

針對軸系原始軸心軌跡不易識別的問題，采用階次提取法對軸心軌跡進行提純。以軸系試驗臺為基礎，使用電渦流位移傳感器測量徑向平面內兩垂直方向的振動信號，在LabVIEW中對信號進行處理并合成軸心軌跡圖，利用等角度采樣得到各階次軸心軌跡，然后利用Gabor變換對感興趣的階次進行時域重構并疊加得到提純后的軸心軌跡圖，最后選用適當的軸心軌跡特征參數表征軸系校中的狀態。實驗結果表明，階次提取法具有較好的提純效果，提取的軸心軌跡特征參數能有效反映軸系的校中狀態。

軸心軌跡；階次提?。惶卣鲄?；軸系校中

船舶推進軸系的不合理校中會對船舶動力裝置系統的性能和船舶航行安全帶來嚴重危害[1-2]。軸心軌跡能在一定程度上反映船舶軸系的狀態變化，為船舶軸系校中狀態的監測提供依據[3]。軸系的軸心軌跡有以下特點：①由于轉頻較低,使得軸心軌跡的形狀穩定性差，實時正確地顯示軸心軌跡困難；②混疊在位移信號中的噪聲增多，加大了軸心軌跡提純的難度。清晰的軌跡圖是精確提取振動特征參數和正確認識軸線狀態的前提。針對軸系原始軸心軌跡不易識別的問題，將階次提取法應用于軸心軌跡分析中，利用階次分析和Gabor變換實現對軸心軌跡的提純，在提純后的軸心軌跡中選用適當的軸心軌跡特征參數來表征軸系校中的狀態，分析不同轉速和船體變形激勵對軸系校中狀態的影響。

1 階次分析和Gabor變換

1.1 階次分析

(1)

1.2 Gabor變換理論

(2)

周期為L的離散時間周期信號s(k)的Gabor展開為

(4)

(5)

2 軸系軸心軌跡提純方法

2.1 軸心軌跡階次提取

對測得的2兩路位移信號分別進行階次分析，從階次譜中選取感興趣的特征階次，對該階次進行時域重構，這在階次分析中稱之為階次分量提取或階次分量重構，可進行進一步的分析[6]，然后利用Gabor變換對感興趣的主要振動階次都進行時域重構[7]，合成各階分量軸心軌跡，再將這些分量軌跡圖進行疊加，得到提純后的軸心軌跡圖，流程見圖1。

2.2 特征參數提取

3 實測軸心軌跡分析

3.1 試驗臺架及測量系統

軸心軌跡分析試驗臺架組成見圖3。系統動力源為55kW三相異步電機，電機額定轉矩357N·m，額定轉速1 471r/min，電機通過減速齒輪箱帶動軸系旋轉，齒輪箱減速比為1.84，軸系運行轉速范圍為：0～550r/min。

軸心軌跡測量流程見圖4。

共設3個測點，艉軸和2中間軸各分布1個，安裝傳感器時，轉軸的初始間距應在傳感器線性范圍內，盡量選在線性段中點，一般為1～1.5 mm，軸系工作前用萬用表測量傳感器輸出電壓，如測得電壓接近0 V，則初始間距最佳。

3.2 穩定轉速下的不同船體變形激勵

設定軸系轉速為300 r/min并保持不變，分別繪制空載、X向(徑向)加載、Z向(軸向)加載,轉矩加載、XYZ向加載及綜合加載這6種載荷狀態下的艉軸軸心軌跡見圖5。由圖5可見，在空載時艉軸為“香蕉”形，隨著加載改變，“香蕉”形凹陷加深，逐漸變為外“8”字形，且在綜合加載時最為明顯，說明隨著船體變形的激勵越來越復雜，艉軸的不對中程度越來越大。表1為特征參數表，由表1可見，1階長軸與2階接近，1階長軸傾角比2階小61.73°，比3階長軸傾角小70.27°，長軸間夾角都接近于垂直，且2階到5階細長度相對于1階都非常小，同時離心率接近于1，這正是軸線不對中的特征。這也說明了所選取的特征參數能夠很好地表征軸心軌跡的狀態。

階次1階2階3階4階5階形狀方向正進動正進動反進動反進動正進動長軸L/m20．0320．106．102．133．24細長度r0．750．200．150．090．23離心率e0．670．980．990．990．97傾角α/(°)63．52125．25133．7928．4653．61

3.3 穩定船體變形激勵下的不同轉速

由于綜合加載最能體現船舶推進軸系的實際工作狀況，所以將工況穩定在綜合加載，在5種轉速下對艉軸的軸心軌跡進行檢測，見圖6。取各轉速下的前2階軸心軌跡特征參數進行分析，見表2。由表2可見，各轉速下1階細長度均明顯大于2階細長度，而傾角均明顯小于2階傾角，說明1階分量更接近于圓形，各2階離心率都非常接近1，說明各轉速下艉軸都有不對中故障；隨著轉速的升高，不對中度M逐漸減小，也就是說，隨著轉速的升高，軸系的不對中程度減輕，這與軸心軌跡圖顯示的結果是一致的。

表2 艉軸軸心軌跡前2階分量參數

4 結論

所提出的階次提取法能夠對軸系的軸心軌跡進行整周期提取，克服了軸系轉速波動較大時軸心軌跡圖形雜亂的問題，提純后的軸心軌跡能夠很好地反映軸系的軸線狀態；利用經提純后的單階軸心軌跡上所提取的細長度、離心率、傾角和不對中度等特征參數分析不同轉速和船體變形激勵對軸系校中狀態的影響，結果表明：軸系的不對中度隨著轉速的升高而降低，隨著船體變形激勵的復雜化而升高；所建立的軸心軌跡實時監測系統為軸系校中的狀態監測提供了有效工具。下一步的工作將研究船體變形與軸承負荷的關系，結合軸心軌跡探討船體變形對軸系合理校中的影響。

[1] 周瑞平,肖能齊,林晞晨.船舶推進軸系振動與校中關鍵技術[J].船海工程,2016，45(1):78-85.

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[3] 張金龍.基于軸心軌跡的船舶軸系校中狀態評價[D].大連：大連海事大學,2012.

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[5] 申永軍,張光明,楊紹普,等.基于Gabor變換的欠定盲信號分離新方法[J].振動、測試與診斷,2011,31(3):309-313.

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(武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

Analysis of Shaft Centerline Orbit Based on Order Extraction

QIU Bo, WANG Zhi-hua, LI Zhong-cheng

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Against the difficulty of identifying the original shaft centreline orbit, a new way to purify orbit by order extraction was proposed. The vibration signal was measured based on a shafting test platform, using two eddy current displacement sensors mounted mutually perpendicular in the radial plane, the signal was processed and was used to draw the centerline orbit diagram in the Labview software, and extract the major order components of the orbit using uniform angle sampling, the extracted order components are regenerated in time domain using Gabor transform and superimposed to attain the purified orbit. Several appropriate characteristic parameters were selected which can reflect the condition of shafting alignment. It was shown that the order extraction can attain better purifying effect, and the characteristic parameters can effectively reflect the condition of shafting alignment.

centerline orbit; order extraction; characteristic parameter; shafting alignment

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.017

2016-04-07

國家自然科學基金(51139005)

邱博(1993—)，男，碩士生研究方向:振動與噪聲控制技術

U664.21

A

1671-7953(2017)01-0069-04

修回日期：2016-04-28