船舶柴油機曲軸振動監測及不平衡量提取

姜世勛，張仕海，于志民

(天津海運職業學院，天津300350)

船舶柴油機曲軸振動監測及不平衡量提取

姜世勛，張仕海，于志民

(天津海運職業學院，天津300350)

結合船舶柴油機的實際情況，分析船舶柴油機曲軸機構不平衡振動監測的意義，并對曲軸機構不平衡振動的原因及危害進行探討。構建船舶柴油機曲軸機構振動監測系統，并采用Labview語言開發信號采集、信號分析與監控應用程序。提出采用最小二乘法擬合曲軸前幾階振動分量的方法，并通過實驗對論文所構建的系統及方法的可行性進行了驗證。

柴油機;曲軸;振動監測;不平衡

0 引言

柴油機被稱為船舶的心臟，是保證船舶營運安全、提高營運效率的關鍵設備。受船上維修條件的限制，當柴油機出現故障時，修復難度較大，很多情況下需靠碼頭或送船廠維修。維修成本較高。據相關統計，柴油機機械故障的70%～80%是由振動原因引起，振動故障中的30%～40%是由不平衡引起［1］。而柴油機曲軸機構是將活塞往復運動轉化為回轉運動的重要部件。曲軸不平衡振動是引起柴油機有害振動、噪聲的主要原因之一。這種有害振動可能造成:使機器支撐 (軸承等)受到動載荷的作用，影響支撐的正常工作;動、靜部件磨損，基礎松裂，進而導致柴油機整機振動惡化，致使油管開裂，自動調節器失效，機器需要經常修理或者過早損壞;擾動機器周圍的機械設備和儀表，使調節裝置和保護系統有可能發生誤動作而使設備和儀表無法正常工作;產生過大噪聲，影響工作環境和操作員健康。因此，開展柴油機曲軸機構振動監測及動平衡研究可以有效減少柴油機不平衡振動，改善柴油機整機振動和工作性能，延長柴油機及其關鍵部件的使用壽命。

1 引起船舶柴油機曲軸機構不平衡振動的原因及監測方法

造成曲軸機構不平衡的原因主要是曲柄及曲柄銷本身即為相對回轉中心的不平衡量。對多缸柴油機，各曲柄相對回轉中心的離心力形成合成離心力矩，而在缸徑、轉速相同的情況下，合成力矩完全取決于缸數和曲柄排列情況。為改善曲柄機構的平衡性，一般采用均勻分布的曲柄排列方案［2］。盡可能使合成慣性力首先自平衡。然后在部分或全部曲柄臂的反方向安裝平衡重，以平衡掉曲柄的離心力。以上方法多屬于工藝動平衡技術。然而，造成曲柄機構動不平衡的因素還包含曲柄－軸頸的材質不均、加工誤差、安裝誤差、軸承系統同心度不高及磨損不均、曲柄銷的磨損、曲柄相對主軸頸的徑向滑移、飛輪不平衡、齒輪傳動機構不平衡、螺旋槳及尾軸機構不平衡等方面。因此，曲軸機構初始不平衡量由柴油機初始制造和安裝精度所決定。在此基礎上，不平衡量會隨柴油機工作狀態、使用時間、工作環境，故障檢修、重新裝配的精度等條件變化而改變。

因此，建立曲軸機構不平衡振動監測系統，對于了解相關支撐機構的磨損情況，把握機構部件的加工及安裝精度情況，對不平衡振動故障進行診斷及趨勢預測，系統動平衡等問題有顯著意義。

由于柴油機曲軸系統結構緊湊，不便于直接安裝非接觸式傳感器來測量曲軸的振動信號。而柴油機上的飛輪與曲軸系統同軸安裝，在實際工作中可使柴油機運轉均勻，轉速平穩。因此通過直接監測飛輪的振動狀態來考察曲軸機構的不平衡振動情況。信號測量原理如圖1所示。

圖1 曲軸振動監測原理Fig.1 The principle of vibration monitoring for crankshaft

首先系統通過一個電渦流傳感器測量飛輪徑向振動位移信號，通過一個光電傳感器測量基準信號，各傳感器采集信號通過電纜與接線端子對應接口相連;然后通過高性能屏蔽電纜接到信號采集卡;最后通過程序軟件對各通道信號進行采集。并在自編軟件中對系統振動信號進行分析。本系統配置的測量儀器與信號處理設備主要包括:

1)光電傳感器。本系統中光電傳感器用于測量飛輪基準信號。所選用傳感器的使用方法比較簡單，前方無障礙輸出高電平，有障礙輸出口 (黃色)電平會從高電平變成低電平。輸出的數字信號端接到NI BNC－2110接線盒，供信號采集卡采集。

2)電渦流位移傳感器。電渦流位移傳感器能非接觸、高線性度、高分辨率地測量被測金屬導體距探頭表面的距離。本系統采用B＆K VIBRO公司生產的IN－081電渦流位移傳感器采集飛輪振動位移信號。該傳感器有一個內置的放大器及相連接的延伸電纜。因此不需要額外的放大器及延伸電纜，只需要考慮傳感器的參數及安裝附件。

3)數據采集卡。本系統使用NI公司的高性能多功能信號采集卡PCI－6221。數據采集卡PCI6221與BNC2110接線端子配合，二者由68針高性能屏蔽電纜相連。它是高速主軸振動及相關位置參數和測控軟件系統之間的數據通道。最終在軟件系統中完成數據測量、信號分析及控制輸出等功能。

本系統振動信號測量及分析軟件采用Labview軟件設計，系統監控界面設計如圖2所示。系統設計有2個振動監測點及1個基準信號監測，也可以用作單點監測。

圖2 曲軸振動信號采集與監控界面Fig.2 The interface of vibration signal acquisition and monitoring

系統程序采取以下2種工作方式:

1)在線監控工作方式，用于柴油機曲軸振動的在線監測。系統監測前，首先需要根據柴油機實際情況來設定監測周期和控制精度，其他參數可選默認值。此時，系統每隔1個監測周期采集1次曲軸振動信號，自動計算測點振動信號均值、方差等參數，并采用最小二乘法擬合振動信號的前三階振動分量。所有參數均在控制界面中顯示。

同時，系統還具有振動異常報警功能，即系統自動將監測信號進行1次去均值處理，然后獲取處理后信號中超過“精度設定”值的振動信號 (簡稱超精度樣本)，并對超精度樣本信號進行求均值運算，按下式計算測點精度和超精度樣本比。

超精度樣本比=超精度樣本長度/樣本長度。

當測點精度＜0.1時，說明曲軸整體振動幅值不大，故障報警欄顯示正常;當0.1＜測點精度＜0.3，且超精度樣本比＞0.1時，說明曲軸整體振動幅值較大，故障報警欄顯示預警;當測點精度＞0.3，且超精度樣本比＞0.1時，說明曲軸整體振動幅值很大，故障報警欄顯示超標，此時用戶可以根據所擬合基頻信號的幅值判斷曲軸振動異常是否是由不平衡所引起，以便于查明異常振動原因。這里設置超精度樣本比的目的是防止小概率隨機干擾所引起的誤診斷。以上臨界參數可以根據實際情況進行更改。

2)離線分析方式。以上在線監測信號可以自動生成文件名并保存到固定文件夾，用戶可以根據需要隨時調取歷史數據進行離線分析。用戶可以選取該系統應用界面中的“離線分析”模式，此時，系統會以彈出式對話框的模式提示用戶加載歷史數據，并可以進行相應的信號分析操作。

2 基于最小二乘法的不平衡振動信號提取方法

傳統的利用FFT算法求取振動信號的基頻成分時，一般會有1～3 Hz的頻率誤差 (這是由算法的頻率分辨率引起的)，而且FFT求得的相位信息誤差也偏大。在對柴油機曲軸振動信號的分析中采用最小二乘法擬合振動信號的低階頻率成分，該方法是在獲取曲軸振動信號及基準信號的基礎上，首先由基準信號計算當前曲軸的轉頻，然后把此轉頻作為振動信號的基頻，并利用最小二乘法擬合振動信號的前幾階頻率成分。這里以前三階振動信號的擬合為例說明具體算法［3］。

設柴油機曲軸系統振動信號為

式中:y為曲軸振動信號;b為曲軸振動信號常數項;Y1，Y2，Y3分別為曲軸振動信號前三階頻率成分幅值;φ1，φ2，φ3分別為曲軸振動信號前三階頻率成分相位。

式(1)展開得:

由最小二乘原理可知，要使得誤差的平方和最小，則要求下式為最小:

式(4)分別對 a1，a2，a3，a4，a5，a6，b 求偏導，并令其等于0，對得到的偏微分方程化簡整理后可得a1，a2，a3，a4，a5，a6，b必須滿足正規方程組:

利用列主元高斯消去法求解上述7×7階的線性正規方程組，便可求得 a1，a2，a3，a4，a5，a6，b。然后利用下式求得:

獲得前三階頻率成分的幅值和相位信息后，可采用2種方法進行振動是否由不平衡量引起的判斷:①依據國家標準及曲軸的實際情況，設定不平衡振動精度范圍。將基頻振動信號的幅值與曲軸精度相比較，如果超過精度要求，則不平衡振動過大，需要平衡;②在忽略熱變形的影響情況下，計算基頻振動信號的能量及曲軸振動信號的總能量，如果基頻振動信號的能量占多數，則振動是由不平衡量引起。

3 實驗數據分析

本文實驗對象為山東淄博柴油機總公司生產的6300ZLCA號柴油機，柴油機額定功率為 ICN551 kW，額定轉速為500 r/min，飛輪端旋轉方向為R。采樣頻率為10 kHz，樣本長度為5 K點，基準信號上升沿觸發采樣。實驗為轉速為300 r/min，監測信號如圖3所示，信號分析結果如表1所示。

圖3 曲軸振動監測信號Fig.3 The monitoring signal of crankshaft

表1 實驗數據分析Tab.1 The experiment data analysis

由表1可以看出，基頻信號幅值隨轉速的增加而增加，可以看作為不平衡振動信號。同時，基頻信號幅值整體不大，說明被測柴油機曲軸系統不平衡量較小，所測振動信號主要為機構耦合干擾所至。

4 結語

通過開展船舶柴油機曲軸振動信號監測及不平衡振動信號提取研究，得出以下結論:

1)采用Labview語言開發信號采集、分析與監控應用程序。從功能上實現船舶柴油機振動信號監測、分析和處理于一體，進而為基于曲軸振動信號監測的柴油機不平衡振動異常監測提供參考。

2)提出采用最小二乘法擬合曲軸前幾階振動分量的方法。該方法相對于傳統的利用FFT算法求取振動信號基頻成分的方法具有一定的優勢，不平衡振動信號的提取精度較高。

3)實驗表明，文中所開發的船舶柴油機曲軸振動信號采集與監控系統是有效的。采用課題所提出最小二乘法能夠較準確地擬合曲軸前三階頻率振動分量，該方法對不平衡振動信號的提取是有效的。

［1］李志敏．基于振動分析的內燃機主軸承狀態監測與故障診斷方法研究［D］．大連:大連理工大學能源與動力學院，2001．

［2］杜榮銘．船舶柴油機［M］．大連:大連海事大學出版社，1999．

［3］伍良生，晁慧泉，張仕海．基于最小二乘法的轉子不平衡振動信號的提取［J］．機械設計與制造，2012(2):194－196．

［4］SMALLEY A J．Automated Balancing of Rotors:Concepts and Initial Feasibility Study［J］．Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，1989，111(4):65 －69．

［5］叢培田，姜洪濤．六缸柴油機曲軸動平衡量分解方法研究［J］．沈陽工業學院學報，2002，21(2):34 －37．

［6］ 鐘一諤，何衍宗．轉子動力學［M］．北京:清華大學出版社，1987．

Vibration monitoring and imbalance vibration signal separating for marine diesel engine crankshaft

JIANG Shi-xun，ZHANG Shi-hai，YU Zhi-min
(Tianjin Maritime College，Tianjin 300350，China)

In accordance with the practical situations of marine diesel engine，the imbalance vibration monitoring significance for marine diesel engine crankshaft system was discussed and as well the reasons and harms of the imbalance vibrations were analyzed．The vibration monitoring system for marine diesel engine crankshaft was put forward．The application program for signal acquisition，signal analysis and signal monitoring were designed by Labview language．The method of least square was proposed to fit the first few order branch amount of the crankshaft vibration signal．The feasibility of the proposed system and method are tested via experiments．

diesel engine;crankshaft;vibration monitoring;imbalance

姜世勛(1976－)，男，碩士，講師，主要從事船舶柴油機故障診斷技術研究。

TK428

A

1672－7649(2013)05－0079－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.05.018

2012－10－15;

2012－11－06

天津市高等學校科技發展基金資助項目(20100414)