船用柴油發動機沖擊故障監測系統設計

袁 菲，鄧莉莉

(廈門工學院 柔性制造裝備集成福建省高校重點實驗室, 福建 廈門 361021)

0 引 言

船用柴油發動機是船舶的動力核心，為了提高對船舶柴油發動機的實時監測，行業內有針對性的開發了各種在線監測技術，比如溫度監測、振動監測、速度與加速度監測等，其中，基于振動信號的船舶柴油機監測能夠快速和準確的對柴油機故障進行定位，是最行之有效的監測手段。

本文針對柴油機發動機沖擊故障類型建立了基于振動分析的監測系統，主要完成以下幾項工作：

1）分析了船用柴油發動機沖擊載荷的激勵來源，建立沖擊激勵的數學模型和能量模型，包括發動機、主軸系等部件，為船舶柴油發動機振動監測系統的設計確定輸入信號。

2）基于專家系統知識庫和數據庫技術，設計和開發了針對柴油發動機的沖擊故障能量采集傳感器，基于傳感器設計了柴油發動機的沖擊故障監測系統。

3）通過搭建試驗品，進行了沖擊故障監測系統的模擬測試，驗證了監測系統的各項性能。

1 船用柴油發動機的沖擊激勵來源與建模

船舶柴油發動機的結構復雜，在柴油發動機的工作過程中，沖擊激勵會導致部件載荷增大，甚至導致精密部件的失效，船舶柴油發動機的工作環境非常惡劣，其沖擊激勵主要來源于以下方面：

1）直接沖擊激勵

主要是指柴油機氣缸內燃燒產生的氣體沖擊和曲柄、連桿的慣性力沖擊，通常，內部的氣體力激勵和慣性力激勵頻帶較寬，沖擊載荷較大。

2）間接沖擊激勵

包括柴油發動機進氣與排氣行程中產生的基座振動激勵，這類激勵是由于氣體力、慣性力激勵的作用下間接產生的，歸類于間接沖擊激勵。

3）其他激勵源

包括海浪沖擊載荷、機械碰撞等。

本文建立船用柴油發動機系統的動力學等效模型如圖1 所示。

圖1 船用柴油發動機系統的動力學等效模型Fig. 1 Dynamic equivalent model of Marine diesel engine system

根據動力學原理，建立柴油發動機系統的動能方程為：

其中，E1為發動機的等效動能，用下式計算：

式中：γ為發動機的速度系數，，n為發動機的轉速，D為轉動等效直徑； α為動力系數，。

E2為柴油發動機中阻尼元件的等效動能，，vt為阻尼元件的運動速度；Eo為阻尼元件的動力勢能。

假設在沖擊載荷作用下，柴油發動機的振動位移為x(t)，可建模如下：

式中：Fi為沖擊作用力的合力，M1為柴油發動機的速度矢量，M2為柴油發動機的剛度矢量，M3為柴油發動機的位置矢量[1]。

動力學分析中，船舶柴油發動機的沖擊作用力矩如下式：

式中：T1為發動機直接沖擊激勵產生的激振力矩，d1為力矩與發動機質心的距離，T2為螺旋槳產生的激振力矩，d2為螺旋槳到發動機質心的位置。

2 船用柴油發動機的沖擊能量數學建模

船用柴油發動機承受沖擊作用時，一方面柴油發動機零部件會在沖擊載荷下發生形變，另一方面柴油發動機系統會在沖擊激勵下產生振動。

建立船舶柴油發動機的沖擊激勵模型：

式中：Fx、Fy為發動機受到的2 個方向的激振力，Li為發動機等效長度，Vx、Vy為發動機在不同方向的振動速度，Mxy為沖擊轉矩，wi為 柴油發動機的振動頻率。

建立沖擊載荷下的能量方程為：

式中，M0為柴油發動機的質量， λ1、 λ2為能量系數，βx、βy為柴油發動機沿2 個方向的單位動量，w為柴油發動機固有頻率，按照下式計算：

式中：D為柴油發動機轉動慣量，ρ0為等效密度，計算中以鋼材密度代替，E0為柴油發動機的等效彈性模量，μ為泊松比，c為剛度調節系數。

計算船舶柴油發動機的固有頻率，如下式：

式中：CV為與柴油發動機功率有關的常數[3]，j0為柴油發動機的等效慣性矩， ?m為柴油發動機的質量。

船用柴油發動機不同頻率的沖擊激勵幅值如圖2可見。

圖2 船用柴油發動機不同頻率的沖擊激勵幅值Fig. 2 Shock excitation amplitudes of different frequencies for Marine diesel engines

可知，沖擊激勵隨著頻率呈非線性關系，在頻率為3 Hz 處達到峰值。

3 船舶柴油發動機沖擊故障監測系統開發

3.1 柴油發動機沖擊能量采集傳感器開發

針對船舶柴油發動機的沖擊載荷采集問題，本文采用的傳感器為壓電振動傳感器，該類型傳感器基于材料的正壓電效應原理，將材料的機械形變轉換為電能輸出[2]。

壓電振動傳感器的關鍵參數包括：

1）機電耦合系數

表征傳感器采用的壓電材料機械形變與電能的耦合程度，是壓電傳感器的重要指標，用下式表示：

式中：Eout為輸出的電能，Min為輸入的機械能。

2）壓電應變系數

是指壓電材料形變量與電能的轉化關系，本文采用的沖擊能量傳感器為正壓電傳感器，定義為：

式中：D為壓電材料的電荷密度，T為作用于材料上的應力。

3）相對介電系數

相對介電系數反應的是材料的電介質特性，定義為：

式中，ε為材料的自由介電常數，εo為 真空下的介電系數。

建立柴油發動機沖擊能量傳感器的原理圖如圖3所示。

圖3 柴油發動機沖擊能量傳感器的原理圖Fig. 3 Schematic diagram of impulse energy sensor for diesel engine

當沖擊激勵為減諧激勵x(t)=X0sinwt時，傳感器的質量塊M 位移為y(t)，建立二階微分方程為：

帶入減諧激勵x(t)=X0sinwt，可得傳感器的穩態解為：

傳感器的無阻尼固有頻率ωn與沖擊激勵無關[3]，計算公式為：

傳感器的阻尼比ζ為：

沖擊能量傳感器的無阻尼固有頻率與阻尼比之間的關系曲線如圖4 所示。

圖4 無阻尼固有頻率與阻尼比之間的關系曲線Fig. 4 The relationship between the undamped natural frequency and the damping ratio

圖5 船用柴油發動機沖擊故障監測系統結構圖Fig. 5 Structure diagram of impact fault monitoring system for marine chai hair

可知，隨著固有頻率的增加，傳感器的阻尼比的峰值（固有頻率為1 處）逐漸降低。

3.2 船用柴油發動機沖擊故障監測系統整體設計

本文建立了船用柴油發動機沖擊故障監測系統，結構如圖所示。

1）電源管理系統

為了保障船用柴油發動機故障監測系統的電能供給，通過建立整流、阻抗匹配電路，結合負載對沖擊測量傳感器進行電能供應，同時利用儲能電池將系統多余的電能收集起來。電源管理系統的關鍵功能包括：① 對傳感器的輸出交流電壓進行整流；② 調節監測系統的電能供給關系，實現電能的最佳配置，采用的電能管理芯片為LTC3588-1 芯片。

2）微控制器

微控制器是故障監測和采集的核心，控制器的信號處理頻率為600~700 Hz，對振動傳感器和能量傳感器采集的信號進行分析和處理，當采集的信號超過發動機運行允許的閾值時，微控制器觸發報警。

3.3 船用柴油發動機的沖擊故障監測系統測試

本節通過搭建沖擊測試試驗臺，對柴油發動機沖擊故障監測系統進行仿真測試，測試臺主要由以下關鍵硬件組成：

1）電動式振動臺

由小型電機、控制系統和數據采集系統等組成，可以模擬不同的振動模式及頻率響應測試。

2）壓電式能量傳感器

采用PCB 壓電式能量傳感器，采集測試過程的沖擊信號。

3）信號發生器

信號發生器的作用是測試和校準測量設備和系統，選用YMC9200 型數字信號發生器。

4）示波器

實時顯示測試過程的電壓、電流、頻率等信號的形態、振幅、波形以及相位等特征，選用LA-800示波器[4]。

圖6 為測試平臺采集的船用柴油發動機沖擊響應曲線，分別為不同沖擊載荷下的幅頻值。

圖6 測試平臺采集的船用柴油發動機沖擊響應曲線Fig. 6 Shock response curve of Marine diesel engine collected by test platform

可知，采樣點的個數為400，沖擊響應1 的諧波幅值在5.5 附近波動；沖擊響應2 的諧波幅值在6.1 附近波動。

4 結 語

船舶柴油發動機在沖擊載荷下的工作穩定性非常重要，本文結合柴油發動機的動力學和能量模型，搭建了船舶柴油發動機沖擊故障監測系統，并實際搭建測試平臺，對沖擊故障監測系統的功能進行測試。