朱永祥

(南通航運職業(yè)技術學院，江蘇 南通226010)

0 引 言

作為船舶動力設備的關鍵組成，船舶推進軸系是指主動機輸出軸與螺旋漿之間的所有傳動軸及其軸附件，其主要功能是將主動機的能量輸出給螺旋槳并產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，推動船體產(chǎn)生運動［1］。傳動軸系的功率和振動測試是船舶動力測試的主要內(nèi)容，決定著船舶的整體性能，甚至影響到船舶航行的安全和可靠［2］。因此，在新船建造、船舶大修、船舶改裝和軸系轉(zhuǎn)速不正常的情況必須進行船舶推進軸系功率和振動的測試，以確保航行安全。目前，船舶推進軸系功率測試的方法主要包括鋼弦法［3］和應變遙測法［4-5］2 種。鋼弦法使用鋼弦傳感器對某一段軸的扭轉(zhuǎn)變形和變化頻率進行測量，從而計算出被測軸的扭矩、轉(zhuǎn)速和功率等信息;應變遙測法使用應變式傳感器測量軸系的主應變，具有測量體積小、安裝方式靈活、測量信息噪音小等優(yōu)點。軸系振動的測量方法主要包括機械式和傳感式［6-8］兩大類。機械式通常利用杠桿原理將軸的振動形變放大后進行記錄數(shù)據(jù)，抗干擾能力強;傳感式使用傳感器感知軸系的振動信息，經(jīng)信號放大器放大后獲得采集儀器所需的電平值，可進行振動信號的穩(wěn)態(tài)測量［9］。本文利用應變遙測法，結(jié)合測試技術和信息分析處理技術，設計一種船舶推進軸系振動和功率測量系統(tǒng)，并進行實體船舶軸系振動性能測試實驗，以驗證所設計的系統(tǒng)測試過程的穩(wěn)定性和可靠性。

1 推進軸系振動機理測量方法

1.1 旋轉(zhuǎn)軸振動特性分析

假設旋轉(zhuǎn)軸的軸心線水平，即轉(zhuǎn)子的2 個支撐點在同一水平線上，如圖1 所示。通常情況下，轉(zhuǎn)子在靜止狀態(tài)下因重力產(chǎn)生的靜變形較小，對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動影響較小，可忽略不計。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子在離心力作用下，旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生動變形，此時，轉(zhuǎn)子的運動是自身旋轉(zhuǎn)和弓形轉(zhuǎn)動的疊加，設轉(zhuǎn)子質(zhì)量為m，則轉(zhuǎn)子的彈性力為:

式中:k 為轉(zhuǎn)子的剛度系數(shù);a 為靜止狀態(tài)下質(zhì)心O與轉(zhuǎn)動狀態(tài)下轉(zhuǎn)子中心O′之間的距離。

圖1 圓盤轉(zhuǎn)子振動示意圖Fig.1 The diagram of disc rotor vibration

轉(zhuǎn)子的動微分方程為:

式中:X，Y 為轉(zhuǎn)子振動幅度大小;φx和φy為相位。

通常情況下，橫向振幅X 和縱向振幅Y 大小不等。轉(zhuǎn)子的不平衡、轉(zhuǎn)子的不對中、轉(zhuǎn)子彎曲和油膜震蕩等均會造成轉(zhuǎn)子振動加劇現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2 推進軸系振動信號測量方法

采用電渦流傳感器對旋轉(zhuǎn)軸上的某一點進行非接觸測量該點的縱向振動和回旋振動。電渦流傳感器測量的基本原理是。當高頻電流穿過感應線圈時，線圈產(chǎn)生交變的高頻磁場。當旋轉(zhuǎn)軸處于交變磁場中時，在旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)部將產(chǎn)生電渦流，從而在旋轉(zhuǎn)軸周圍產(chǎn)生電渦流磁場，該磁場與高頻磁場疊加后形成一定程度的線圈阻抗。阻抗的大小隨旋轉(zhuǎn)軸的振動變化而變化，并轉(zhuǎn)化為可檢測的電信號，最終獲得旋轉(zhuǎn)軸的振動信號。其中，電信號為幅值較小的模擬電壓信號，需經(jīng)過信號放大器放大后才能由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后流經(jīng)計算機進行信號的處理或分析。本文同時采用信號的時域分析和頻域分析進行檢測信號的分析和處理。時域分析時的信號幅值的均值定義如下:

該值能夠表征轉(zhuǎn)子振動幅度的大小，振動信號的有效值計算方法如下:

振動信號的有效值反映了信號功率的大小，即機械振動能量的大小，可作為振動強度的度量。當振動周期為T 時上式可變?yōu)?

軸心軌跡測量的目的是為了表征轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時軸線是否對中，不同的轉(zhuǎn)子故障將對應不同的轉(zhuǎn)子軸心軌跡形狀。例如，油膜渦動故障的軸心軌跡形狀為“8”字形。軸心軌跡的測量示意圖如圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)子軸心軌跡測量示意圖Fig.2 The measurement schematic diagram of rotor axis trajectory

當2 個電渦流傳感器所測軸心振動位移分別為s1(t)和s2(t)，則該時刻軸心位置坐標為:

2 振動測量系統(tǒng)設計

船舶推進軸系振動與功率測量系統(tǒng)的設計主要包括硬件的設計、軟件開發(fā)環(huán)境的選擇和系統(tǒng)軟件的設計。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)軸系振動信號的采集、采集信號的處理、處理后振動信號的顯示和測試結(jié)果的輸出等幾個主要功能。軸系過來測量裝置主要包括應變傳感器、遙測扭矩儀、測速表和串口服務器等;軸系振動測量裝置主要包括電渦流傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和轉(zhuǎn)標等。上述2 個裝置的硬件組成示意圖如圖3 所示。

圖3 振動測量系統(tǒng)硬件組成示意圖Fig.3 The schematic diagram of vibration measurement system hardware

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 The flow chart of system software

本文所選用的應變式傳感器為KFW/KFWS 防水型箔式電阻應變片。采用Nport5230 系列串口聯(lián)網(wǎng)服務器進行扭矩儀、轉(zhuǎn)速表和工控機之間的數(shù)據(jù)交換，該服務器具有傳輸線少和操作簡單等優(yōu)點，能夠同時支持RS232 和RS485 協(xié)議進行串口通信。電渦流傳感器的主要性能參數(shù)為:測量范圍2 mm，工作帶寬0 ～5 kHz，探頭直徑8 mm。數(shù)據(jù)采集卡選用研華4711數(shù)據(jù)采集卡，其主要性能參數(shù)為:分辨率12 bit，頻率100 kHz，8 位數(shù)字輸入通道，輸入電壓1 kHz。

使用VB. Net 進行系統(tǒng)軟件的開發(fā)并使用MOXA公司的Pcomm 控件進行采集信號的分析和處理，以簡化編程過程。系統(tǒng)軟件的程序流程如圖4 所示。

3 系統(tǒng)性能測試

采用設計的船舶推進軸系功率測量系統(tǒng)進行某船軸功率和軸系振動測試實驗，以驗證本測試系統(tǒng)的性能。實驗時，軸系振動測量分為縱向振動和回旋振動2 個部分。圖5 所示為某軸轉(zhuǎn)速為63.35 r/min 工況下測得的縱向共振轉(zhuǎn)速，由圖中可以看出，頻率6 021 Hz，振幅1.025 6 mm，峰峰值4.012 3 mm。

圖5 軸系縱向振動信號時域圖Fig.5 The time domain of vertical shaft vibration signal

本文所設計的系統(tǒng)與現(xiàn)有設備ZDL-IV 縱向振動測試數(shù)據(jù)對比情況如表1 所示。從表中可看出，2 種系統(tǒng)測得的信號數(shù)據(jù)相對誤差較小，結(jié)果較為接近。

表1 軸系縱向振動測試性能對比Tab.1 The contrast of vertical shafting vibration test performance

圖6 所示為某軸轉(zhuǎn)速為56.95 γ/min 工況下測得的回旋振動轉(zhuǎn)速，由圖中可以看出，頻率6 021 Hz，振幅0.075 6 mm，峰峰值0.863 5 mm。

本文所設計的系統(tǒng)與現(xiàn)有設備ZDL -IV 回旋振動測試數(shù)據(jù)對比情況如表2 所示。從表中可看出，2種系統(tǒng)測得的信號數(shù)據(jù)相對誤差較小，結(jié)果較為接近，進一步證明了本文所設計的船舶推進軸系振動與功率測量系測量結(jié)果真實可靠。

圖6 軸系回旋振動信號時域圖Fig.6 The time domain of shafting vibration signal

表2 軸系回旋振動測試性能對比Tab.2 The comparison of shafting vibration test performance

圖7 為4 種不同轉(zhuǎn)速下軸系的軸心軌跡測量圖圖形。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下軸心軌跡測量Fig.7 Axis trajectory measurement under different rotational speed

通過對比上述軸心軌跡圖可知，轉(zhuǎn)速越高，軸心軌跡越接近于圓形形狀，且臨界轉(zhuǎn)速為61.23 r/min。當轉(zhuǎn)速較低時(如35.10 r/min)，由于軸的不對中或非線性油膜力的影響，軸的縱向振動和回旋振動疊加后，測量振動頻率是基頻和多種振動頻率的疊加，因此軸心軌跡形狀不規(guī)側(cè);當轉(zhuǎn)速較高時，由于基頻成為疊加信號中的主頻，即主要振動成分，因此其軸心軌跡接近于圓形。

4 結(jié) 語

本文基于信號分析和處理技術，設計了船舶推進軸系振動與功率測量裝置，能夠?qū)S系功率和振動信號進行測量。采用設計的船舶推進軸系功率測量系統(tǒng)進行了某船舶的軸功率和軸系振動測試實驗，實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)所測軸系縱向振動和回旋振動共振轉(zhuǎn)速誤差分別小于1.24%和1.09%，幅值誤差分為小于1.23%和1.06%，峰峰值誤差分別小于2.26%和2.13%，能夠準確測量出不同轉(zhuǎn)速下軸心軌跡形狀，與理論軌跡趨向相吻合，滿足實際測量要求。

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