某6缸V型柴油機振動測量及分析

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(1.中國人民解放軍91708部隊，廣州 510320；2.海軍工程大學 船舶與動力學院，武漢 430033)

柴油機振動水平在國家標準和海軍標準中均有明確規定，所有船用柴油機正式服役前或經過維修后均需要測量振動[1-2]。柴油機振動信號特性的變化在一定程度上能夠反映機器的性能，建立柴油機的振動信號數據庫對柴油機的維護保養、修理、狀態監測等具有重要的意義。而振動烈度和柴油機振動信號的頻譜是重要的指標。以某型柴油機為例，對柴油機振動加速度進行測量，分析該型柴油機振動信號的特點。

1 試驗

1.1 試驗對象

6缸V型柴油機用作發電機，四沖程、渦輪增壓、中間冷卻，額定轉速1 500 r/min，V型夾角60°，發火順序A1—B2—A3—B1—A2—B3。從飛輪端看，左側為A，右側為B，靠近飛輪端為1。機組彈性安裝。

1.2 測點布置

在柴油機上布置4個測點，在發電機上布置1個測點。測點布置的原則是盡量反映機組整體的運動，剛度較差的地方盡量不布點(例如懸臂結構、較薄的殼體等)。測點1在柴油機安裝支座上，位于B側自由端機腳附近；測點2在柴油機B側輸出端機腳螺栓上；測點3在柴油機B1缸缸蓋側面；測點4在發電機罩殼上；測點5在柴油機A側機體上，位于A側自由端機腳附近。每個測點測量3個方向，X向(垂向)為垂直于水平方向，Y向(縱向)為平行于柴油機曲軸中心線方向，Z向(橫向)與XY平面垂直。

1.3 試驗儀器和測量設置

試驗儀器見表1。測量系統量程±10 V。加速度計最大可測值100 g， 頻率范圍0.5 Hz～4.0 kHz。測量時單通道采樣頻率設定為2 560 Hz，耦合方式ICP耦合，帶通濾波范圍3 Hz～1 kHz。

表1 試驗儀器

2 振動烈度計算

2.1 振動速度有效值計算

實際的采樣信號為加速度，而評估振動烈度用的是振動速度，采用數值積分方法得到速度信號。速度有效值計算流程見圖1。計算得到的是單個測點單個方向的振動速度有效值，有效值定義如下[3]：

(1)

(2)

(3)

式中：vx(i)、vy(i)、vz(i)——X、Y、Z向第i個測點的振動速度值；

N——平均的點數。

圖1 速度有效值計算流

表2為1 500 r/min、空載時各測點各方向的振動速度有效值，可以看出，柴油機上各測點(測點1、2、3、5)橫向振動速度最大，垂向次之，縱向最小。電機上測點振動速度(測點4)垂向和縱向相差不大，但橫向明顯大于其余兩個方向。其余工況趨勢相同。

表2 轉速1 500 r/min，空載時各測點振動速度有效值 (mm·s-1)

2.2 烈度計算

機組烈度Vrms計算公式如下[2]：

(4)

式中：∑Vx、∑Vy、∑Vz——同一工況下，垂向、縱向、橫向各測點振動速度有效值的和，mm/s；

Nx、Ny、Nz——同一工況下，垂向、縱向、橫向測點數。

2.3 振動烈度結果

采用上述方法對采樣信號進行分析，得到振動烈度結果見表3。

表3 振動烈度結果

空載時測量了3個轉速下的振動烈度，1 200 r/min時烈度最大，1 500 r/min時次之，900 r/min時振動烈度最小。同一負荷下，烈度隨轉速的變化不是單調的。額定轉速下，從空載逐漸增加負荷，直至額定負荷，可以看出，隨著負荷增加，振動烈度單調增加。

3 振動速度信號頻譜分析

3.1 信號頻譜分析

圖2為900 r/min、空載時測點1橫向振動速度幅值譜，頻譜最大幅值對應頻率22.5 Hz，對應曲軸轉動頻率15 Hz的1.5倍。

圖2 測點1橫向振動速度幅值譜(900 r/min，空載)

圖3為1 200 r/min、空載時測點1橫向振動速度幅值譜，頻譜最大幅值對應的頻率為30 Hz，對應曲軸轉動頻率20 Hz的1.5倍。

圖3 測點1橫向振動速度幅值譜(1 200 r/min，空載)

圖4為1 500 r/min、空載時測點1橫向振動速度幅值譜，頻譜最大幅值對應的頻率為37.5 Hz，對應曲軸轉動頻率25 Hz的1.5倍。

圖4 測點1橫向振動速度幅值譜(1 500 r/min，空載)

同是空載，1 200 r/min時頻譜的最大幅值明顯大于900 r/min時和1 500 r/min時的頻譜幅值，可見在22.5～37.5 Hz之間，柴油機存在一個共振頻率，且該共振頻率更接近30 Hz。

3.2 各測點振動信號相關分析

由于篇幅限制，只列出了測點1的部分頻譜，從圖2～4可以看出，振動速度的頻譜表現出明顯的線譜性質，基頻為柴油機單缸發火頻率，各階倍頻均有明顯幅值，幅值譜最大值對應的頻率均為基頻的3倍。相干分析發現[4]，柴油機上各測點振動頻譜分布類似。從表4和圖5～8可以看出，在額定轉速下，同一測點的不同方向振動速度信號在柴油機發火基頻及其倍頻處相干系數均大于0.8，多數為0.9，在轉動頻率的1.5倍頻處接近于1。同一負荷下，不同測點同一方向的振動速度相關系數分布規律很接近。不同負荷時，同一測點同一方向的相干系數分布規律也相近。

圖5 測點1振動速度垂向和縱向的相干系數(1 500r/min,100%負荷)

表4 相干系數表

圖6 測點1振動速度垂向和橫向的相干系數(1 500r/min,100%負荷)

圖7 測點1和測點2的相干系數(1 500r/min,100%垂向)

圖8 不同負荷下測點1垂向振動速度的相干系數(1 500r/min，89%負荷和100%負荷)

4 結論

1) 6缸V型柴油機平衡性差，因此振動烈度較大，額定轉速額定負荷時達到39 mm/s。不論轉速多大，振動速度幅值譜的最大值對應的頻率為曲軸轉動頻率的1.5倍，即單缸發火頻率的3倍，也就是單列氣缸的發火頻率，額定轉速時為37.5 Hz。說明該頻率的激勵是柴油機振動的主要激勵源，減小該激勵將是減小柴油機振動烈度的主要方法。

2) 額定轉速下，發電機組振動烈度隨著負荷的增加而增加；而負荷不變時，振動烈度隨轉速的變化不是單調的。

3) 相干分析表明，同一轉速下，該型柴油機不同測點、同一測點的不同方向、同一測點同一方向在不同負荷時，振動速度的頻譜分布類似，單列氣缸發火頻率處的相干系數接近于1。這也說明6缸V型柴油機的最重要激勵源的頻率為單列氣缸發火頻率。

[1] 歐陽光耀，高洪濱，譚 笛，等.安裝基礎剛度對柴油機振動烈度的影響分析[J].內燃機工程，2007，28(6)：70-72.

[2] 朱海潮，何 琳，霍 睿，等.用鋼絲繩隔振器進行船舶主機隔振[J].船海工程,2002(4)：12-15.

[3] GB/T 12779—91.往復式機器整機振動測量與評級方法[S].北京：中國標準出版社,1991.

[4] 飛思科技產品研發中心.MATLAB7輔助信號處理技術與應用[M].北京：電子工業出版社,2005.