， ，

(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(guī)定，所有船用柴油機正式服役前或經(jīng)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(shù)據(jù)庫對柴油機的維護保養(yǎng)、修理、狀態(tài)監(jiān)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(fā)電機，四沖程、渦輪增壓、中間冷卻，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，V型夾角60°，發(fā)火順序A1—B2—A3—B1—A2—B3。從飛輪端看，左側(cè)為A，右側(cè)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(fā)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(jié)構(gòu)、較薄的殼體等)。測點1在柴油機安裝支座上，位于B側(cè)自由端機腳附近；測點2在柴油機B側(cè)輸出端機腳螺栓上；測點3在柴油機B1缸缸蓋側(cè)面；測點4在發(fā)電機罩殼上；測點5在柴油機A側(cè)機體上，位于A側(cè)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(shè)置

試驗儀器見表1。測量系統(tǒng)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(shè)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(shù)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(shù)。

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(zhuǎn)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(shù)。

2.3 振動烈度結(jié)果

采用上述方法對采樣信號進行分析，得到振動烈度結(jié)果見表3。

表3 振動烈度結(jié)果

空載時測量了3個轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的變化不是單調(diào)的。額定轉(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)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(xiàn)出明顯的線譜性質(zhì)，基頻為柴油機單缸發(fā)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(fā)現(xiàn)[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(zhuǎn)速下，同一測點的不同方向振動速度信號在柴油機發(fā)火基頻及其倍頻處相干系數(shù)均大于0.8，多數(shù)為0.9，在轉(zhuǎn)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(guān)系數(shù)分布規(guī)律很接近。不同負荷時，同一測點同一方向的相干系數(shù)分布規(guī)律也相近。

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

表4 相干系數(shù)表

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

圖7 測點1和測點2的相干系數(shù)(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(shù)(1 500r/min，89%負荷和100%負荷)

4 結(jié)論

1) 6缸V型柴油機平衡性差，因此振動烈度較大，額定轉(zhuǎn)速額定負荷時達到39 mm/s。不論轉(zhuǎn)速多大，振動速度幅值譜的最大值對應的頻率為曲軸轉(zhuǎn)動頻率的1.5倍，即單缸發(fā)火頻率的3倍，也就是單列氣缸的發(fā)火頻率，額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下，發(fā)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(zhuǎn)速的變化不是單調(diào)的。

3) 相干分析表明，同一轉(zhuǎn)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(fā)火頻率處的相干系數(shù)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(fā)火頻率。

[1] 歐陽光耀，高洪濱，譚 笛，等.安裝基礎(chǔ)剛度對柴油機振動烈度的影響分析[J].內(nèi)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(chǎn)品研發(fā)中心.MATLAB7輔助信號處理技術(shù)與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005.