柴油機軸系彎曲振動測量與分析系統的開發

黃　超

(揚州中遠海運重工有限公司, 江蘇 揚州 225211)

0　引　言

彎曲振動是機械振動中的一種，對于船舶柴油機軸系，由于存在著各種不平衡量，如螺旋槳的旋轉不平衡及軸系部件的不平衡質量、軸承部件間的作用力和柴油機運作時軸上受力不均勻等，這種振動會使柴油機曲軸內應力增加，承受動力載荷和不平衡力矩，導致相連部件的磨損、疲勞及使用壽命縮短，同時也會消耗能量及降低效率，影響整個機械和設備的工作性能。隨著柴油機向高速、輕型及大功率的方向發展，對各類機械的運轉速度、承載能力及工作壽命等方面的要求更高，發生振動的可能性也不斷增大。此外，人們對機器的工作精度和穩定性的要求也越來越高，對控制振動的要求更加迫切[1-3]。這些都對彎曲振動測試的研究和分析提出更高的要求，再加上振動會給整個動力系統帶來嚴重的危害，柴油機彎曲振動測量系統的研究受到更多的重視。開發柴油機彎曲振動測量與分析系統，不僅能及時發現故障，防止事故的發生，也能帶來巨大的經濟效益和社會效益。

1　軸系彎曲振動信號的測量與分析

振動測試技術作為解決工程振動問題的一種手段，早已被人們所利用。在測量方面，彎曲振動的測量大致分為電測量和光測量，電測量方法大多利用電渦流式位移傳感器進行測量，光測量方法振動一般使用有讀數顯微鏡、光杠桿、光干涉原理及激光多普勒效應測量，考慮到測量條件的多變性，無接觸式彎曲振動測量被人們越來越多的使用。在信號分析方面，大容量、高精度及高速度的分析系統被逐漸運用，國內、外諸多學者通過數據采集與回放模塊、信號分析模塊、診斷模塊和結果輸出模塊組成。根據柴油機零部件的振動特征，選擇采樣頻率和觸發方式完成數據采樣，進行存盤與回放。信號分析模塊完成信號頻譜，時域與時序域的分析，提取需診斷的零部件的特征參數。許多研究對彎曲振動測試機信號分析均通過電渦流式位移傳感器進行，在虛擬儀器平臺上進行數據采集和分析，這里對于柴油機彎曲振動數據分析主要有頻域分析、諧次分析和軸心軌跡分析。

1.1　頻譜分析

頻譜分析是將時域信號通過傅里葉變換至頻域進行分析的方法，該分析方法是軸系彎曲振動中最實用且最常用的信號分析方法。頻譜分析方法主要有功率譜分析、倒頻譜分析和細化普分析等。由于軸系旋轉過程中，振動信號中包含著軸頻、激勵信號頻率及其高階譜等頻率，因此，可在彎曲振動信號的頻譜中直觀地分辨出軸系輸出對應的頻率成分。

1.2　諧次分析

諧次分析的理論基礎是等角度分析方法，無論旋轉機械的轉速在啟動或停機的過程中如何變化，在參考軸中每轉內的采樣點數是保持不變的，即在角域內該信號的振蕩周期為恒定。因此，通過等角度分析方法可將旋轉機械時域非平衡振動信號轉換到角域的頻域振動信號進行分析，可得到有效的分析結果，解決因轉速波動而產生的諧波分量重疊帶來的問題。

在轉子系統中，某些振動頻率總與軸頻(基頻)存在一定的比例關系。當轉速變換時，基頻和整個系統的振動頻率都會的相應產生變化，但系統各頻率成分和基頻的比值是恒值。如果通過一定的變換，把振動信號頻率譜圖頻率坐標改換為諧次(即振動頻率與轉軸頻率之比)，在這種諧次譜上可避免一般頻譜圖上由于轉速波動而造成的譜線分散。因此，進行諧次分析可檢測到軸心不對中、軸心偏離、扭曲及縱向振動等故障[4]。

1.3　軸心軌跡分析

軸心軌跡是軸系在振動過程中實際軸心的運動軌跡，它是基于水平和垂直的電渦流位移傳感器對x，y軸位移信號進行采集，對軸心軌跡繪制。

E0=ξ(δ)

(1)

由式(1)可知，軸心的水平和垂直方向的位移變化，通過整合可動態的在xy坐標軸系中描述軸心軌跡。由于在振動測試的過程中，可能受到外界干擾信號的影響，如不對中、非線性油膜力、柴油機曲軸工作發出的噪音、其他部件發出的信號對軸心位移信號產生的影響，因此，有必要選用濾波器對采集的信號進行濾波，對比未濾波和濾波軸心軌跡圖。

對于軸心軌跡圖進行研究和分析，可監測和分析油膜厚度和軸承磨損狀態，預測軸承和軸系的運行狀態趨勢，當軸心軌跡向不同方向偏移和軸心軌跡發生不規則等變化時，通過分析判斷軸承磨損程度、方位和原因，可有效評估和預測軸系的運行狀態，防止重大事故的發生。

2　監測軟件設計

2.1　開發軟件介紹

LabVIEW是美國國家儀器公司(National Instruments,NI)開發的圖形化編程語言,NI 提供了種類齊全的測試硬件和軟件產品，如數據采集、信號調理、聲音和振動測量及儀器控制等，可利用不同模塊配合相應的采集系統，完成軸系彎曲振動數據的采集、分析與處理。

2.2　軟件設計方案

彎曲振動測試系統軟件的設計主要是指數據分析和處理,并在LabVIEW平臺上進行開發，LabVIEW提供了功能強大的數據分析、處理工具和高級信號分析箱，能完成各種復雜信號的分析和處理工作，通過調用模塊進行編程來實現對信號的分析和處理[5]。系統中要完成的數據分析和處理功能有數據采集的時域分析、頻域分析、諧次分析和軸心軌跡圖的繪制，具體的振動信號分析軟件結構見圖1。

圖1　彎曲振動軟件設計

3　方案的實現與開發

3.1　方案的設計

為測量和分析柴油機軸系的彎曲振動,在柴油機伸出端安置2個渦電流位移傳感器，分別位于水平方向和垂直方向，對x和y方向進行位移變化的測量，再在柴油機飛輪的上方安裝一個磁電式轉速傳感器來測量曲軸轉速，由于位移變化和電壓是單值函數，經過一系列的信號放大和調整，渦電流位移傳感器輸出能高效地反饋出彎曲振動的電壓信號，利用LabVIEW平臺對信號進行數據采集和處理，通過對振動信號進行時域分析、頻域分析和諧次分析，檢驗測試的軸心軌跡能反應出軸系的振動特征，得到軸系彎曲的振動頻率，同時將得到的振動頻率與柴油機的固有頻率進行對比，提出避免共振的技術手段，如快速越過共振區及應用阻尼減小彎曲振動頻率等。具體的流程見圖2。

圖2　方案的設計流程

3.2　開發模塊

3.2.1數據采集模塊

彎曲振動的數據采集主要是對水平位移信號、垂直位移信號和轉速信號進行采集，分別通過水平安置的電渦流位移傳感器、垂直安置的點渦流位移傳感器和安裝在飛輪正上端的磁電式轉速傳感器來實現，采集到的是x軸電壓信號、y軸電壓信號和脈沖信號。

由于采集的是電壓信號和脈沖信號，可調用硬件輸入和輸出→DAQmx→模擬信號中的模塊，再進行設置和修改，設置最值、采樣率、每個通道物理采樣數、位移保存路徑、齒數、轉速顯示及保存路徑等，其中包括波形圖及選項卡控件的調用,通過索引數組對數據進行保存，在對轉速的顯示和保存時，通過轉換實現可得到幅值-時間的時域圖，數據采集界面見圖3。

圖3　位移信號數據采集界面

3.2.2頻域分析模塊

頻域分析是數據處理中使用次數最多且最實用的數據處理方法，它將采集的原始信號進行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation, FFT)來實現幅值-頻率的頻譜圖，在各轉速下的進行頻域分析后,可在共振區中找到柴油機振動的固有頻率，也可進一步得出柴油機正常工作的轉速范圍等，同時可為提出避免共振的措施提供參考。

頻域分析是對數據采集的原始數據做進一步的處理，通過調出2個波形圖控件，再將提取的波形成分進行FFT變換來實現，頻域分析界面見圖4。

圖4　頻域分析界面

3.2.3諧次分析模塊

諧次分析是通過對FFT變化后的頻域分析波形中頻率成分進行提取，頻率和諧次關系轉換完成幅值-諧次圖,諧次圖可直觀的檢測到軸心偏離等故障。

諧次分析界面與頻域分析界面大致相似，但在頻域分析的基礎上通過波形成分進行提取，通過C語言來完成頻率和諧次間關系的轉換和平均轉速的計算，利用磁電式轉速傳感器，由于傳感器發出的脈沖頻率f和被測轉速n的關系為

f=zn/60

(2)

式(2)中：z為齒輪次數。得出轉速n后，再通過FFT變換的幅值-頻率分析圖，當頻率為fi時，則可得出幅值-諧次分析圖，通過創建ExpressXY來得到幅值-諧次。諧次分析界面見圖5。

3.2.4軸心軌跡模塊

軸心軌跡是反應曲軸彎曲振動特征和程度的重要分析方法，它可通過位移信號→電壓信號→位移信號的轉換來實現，由于位移信號和電壓信號的轉換是通過電渦流位移傳感器實現的，可通過電渦流位移傳感器的靈敏度來轉換成真實的位移信號，利用ExpressXY來構建x方向的位移和y方向的位移，得出曲軸軸心軌跡圖。

圖5　諧次分析界面

彎曲振動測試過程中，由于可能存在外界干擾信號的影響，如非線性油膜力等。曲軸的彎曲振動信號中除基頻分量外，還存在其他振動頻率成分，因此，為得到真實的位移信號，還需對采集的信號進行濾波，由于在頻域分析中可大致確定基頻，故可設沿x，y方向上位移信號的高頻截止頻率和低頻截止頻率，軸心軌跡前面板見圖6。

圖6　軸心軌跡繪制前面板

4　系統的考核

4.1　臺架設計和系統硬件

為提高考核系統的可靠性，在實驗室搭建轉子試驗臺，該臺架轉速可進行調節，轉子試驗臺后有一個單尖劈齒的脈沖盤，用于測量轉速，試驗臺架系統組成見圖7，其主要硬件見表1。

圖7　試驗臺架系統組成圖

名稱型號個數電渦流位移傳感器ZA21系列2前置放大器ZA2108012磁電式轉速傳感器SZMB?181數據采集卡NI6062E1恒流源24VB&W1

4.2　結果分析

通過設置采樣率為10 k，采樣點數為10 000，在軟件中設置一個80 Hz的干擾信號，通過通道設置，獲取的各模塊圖形見圖8～圖11。

圖8　x,y軸方向位移原始信號

圖9　x,y軸方向位移信號頻譜分析

圖10　x,y軸方向位移信號諧次分析

b) 未濾波

圖8為x和y軸方向的原始波形，圖9的頻譜圖中可顯示位移信號的頻率分布，圖10可反映諧次分析圖，圖11a)為有80 Hz干擾信號的軸心軌跡圖，通過設置濾波的高截止頻率為20 Hz，低截止頻率為100 Hz，即可濾去80 Hz的干擾信號，濾波干擾信號后軸心軌跡圖，可很好地反映和驗證軟件的功能。

5　結　語

通過利用虛擬儀器技術，在LabVIEW平臺下，開發一套柴油機及其軸系彎曲振動測試系統，該系統主要由數據采集、頻域分析、諧次分析及軸心軌跡繪制等模塊組成，具有以下功能;

1) 可實現數據采集、分析和管理功能，系統的可用性和可移植性較好；

2) 測試系統中的頻域分析可實現對柴油機彎曲振動頻率較為準確地測量，為動力裝置的匹配提供技術參考；

3) 可進行諧次跟蹤分析，為故障識別提供技術參考；

4) 振動周期軸心軌跡圖的繪制，使得軸系彎曲振動特征分析更為直觀和全面。

參考文獻：

[1]姜世勛,張仕海,于志民. 船舶柴油機曲軸振動監測及不平衡量提取[J].艦船科學技術,2013(5):79-82.

[2]羅自來,劉鎮,常漢寶. 基于虛擬儀器的柴油機振動監測系統簡介[J].船海工程，2007,36(3):6567.

[3]唐斌.基于精確動態攻讀矩陣法的內燃機軸系扭轉、縱向及彎曲三維耦合振動研究[D].大連：大連理工大學，2006.

[4]萬德安,王遠程,趙永杰. 基于LabVIEW編程語言的重采樣階次比分析研究[J].長春師范學院學報，2005,24(11):16-18.

[5]汪敏生.LabVIEW基礎教程[M].北京:電子工業出版社,2002.