浙江國際海運職業(yè)技術學院 舒海濱

基于模擬故障下的船舶軸系扭振研究

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扭振是影響船舶推進軸系可靠性和安全性的重要因素，尤其在軸系故障情況下，危害性更大。本文，筆者開發(fā)了一套以柴油機為激振源，以螺旋槳為負載的船舶軸系模擬實驗平臺。該平臺以PC機為核心，將傅里葉變換（FFT）和小波變換相結(jié)合開發(fā)了在線監(jiān)測及報警系統(tǒng)軟件，對磨損、打滑等工況進行了扭振特性研究，現(xiàn)將實驗過程闡述如下。

一、實驗裝置

如圖1所示，實驗平臺結(jié)構(gòu)仿照舟甬線客輪的推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計，主要包括動力激振、扭矩傳遞、負載調(diào)節(jié)、實驗臺基礎。

1. 動力激振。選用型號為Z170F的小型柴油機外接減速比為5∶1的06型船用齒輪箱為動力激振源，通過油門桿調(diào)節(jié)進油量大小，使軸系轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在200～500r/min。

2. 扭矩傳遞。軸系總長1.2m左右，軸徑25mm，分為中間軸和艉軸，長度比為13∶7，軸系扭振主要體現(xiàn)在中間軸上。

3. 負載調(diào)節(jié)。采用剛性的凸緣聯(lián)軸器和法蘭連接各器件，艉軸的輸出端連接水箱中的三葉螺旋槳，利用調(diào)節(jié)水面高度的方法來調(diào)節(jié)負載。

4. 實驗臺基礎。實驗平臺安裝在底部裝有自制避振彈簧的基礎平臺上，通過避振彈簧上的螺釘聯(lián)鎖裝置調(diào)節(jié)基礎平臺的振動狀態(tài)，以模擬船舶航行中的機艙振動狀態(tài)。

二、測試過程

1. 計算軸系扭振程度。在中間軸兩端測點安裝一對測速齒輪，采用30等分矩形齒， 與透射式光電傳感器構(gòu)成非接觸扭振雙通道測量系統(tǒng)，當測速齒輪運轉(zhuǎn)時，傳感器輸出的光電脈沖頻率與軸的轉(zhuǎn)速成正比。光電傳感器輸出振動信號經(jīng)放大整形成矩形脈沖，進入與門；而時基信號由晶體振蕩器發(fā)出，經(jīng)分頻電路后得到低頻脈沖信號進入與門。兩路信號相遇后，通過軟件控制，采集卡中的計數(shù)器計算出一個光電脈沖中的時基脈沖數(shù)。根據(jù)扭振理論

式中，φ—扭角，n—轉(zhuǎn)速變化分量，ΔF—光電脈沖頻率變化分量，Z—光電齒輪盤齒數(shù)。通過軟件分析光電脈沖的頻率變化情況，就可以計算出軸系的扭振程度。

2. 采集數(shù)據(jù)。扭振信號通過信號處理箱送入數(shù)據(jù)采集卡，通過軟件進行兩個通道的同步采集，每采集到21s數(shù)據(jù)后暫停工作，然后對采集到的數(shù)據(jù)每隔10ms進行插值，即確定采用頻率為100Hz，每個通道取2 048個采樣點。

3. 獲取數(shù)據(jù)頻譜分布。采樣后的轉(zhuǎn)速-時間的波動譜，經(jīng)數(shù)字濾波后對其做快速傅立葉變換（FFT）和小波變換，選擇db2小波對通道1和通道2的兩路扭角差進行7層小波分解，把每層的重構(gòu)信號進行維數(shù)為64的相空間重構(gòu)，提取多分辨率奇異譜即可獲取其頻譜分布特征。通過綜合分析和對比不同尺度空間之間的熵值，得到信號局部特征的分布差異和變化，并以此作為故障的特征向量輸入到多類支持向量機進行故障識別。

三、故障模擬實驗

調(diào)節(jié)柴油機轉(zhuǎn)速大小，將改變激振力大小和激振頻率；調(diào)節(jié)水箱水位高低，將改變負載的大小。模擬試驗中，柴油機轉(zhuǎn)速從200～500r/m，每50r/m一檔；水箱水位為50～550mm，每100mm一段；通過逐檔逐段改變柴油機轉(zhuǎn)速和水箱水位高度進行故障試驗，利用信號分析和故障診斷軟件系統(tǒng)做扭振特性分析和診斷。

1. 軸承磨損。在中間軸右端軸承支座上下聯(lián)接處加入墊片，使支座與軸承產(chǎn)生0.5mm的配合間隙，圖2為在室溫、底座無振動、55cm水位、500r/m轉(zhuǎn)速時，中間軸軸承磨損時的頻譜圖，最大扭角為0.054度，可以看出，工頻幅值明顯增大，其他頻段幅值減小，這部分頻幅變化是由產(chǎn)生的慣性力所引起橫向振動與扭轉(zhuǎn)振動的耦合造成。圖3為在室溫、底座無振動、55cm水位、500r/m轉(zhuǎn)速下，實驗平臺正常工作與偏心和磨損故障時的軸系扭振頻譜變化情況。從圖中可以看出，磨損故障將明顯改變軸系的激振力大小和激振頻率，使系統(tǒng)雙結(jié)振動的主簡諧次數(shù)和激振能量分布發(fā)生變化，其中，1倍頻的幅值變化最為明顯，2倍頻的幅值也有比較大的變化。

圖2 中間軸軸承磨損時扭振頻譜

圖3 偏心與磨損時扭振頻譜變化

2. 齒輪箱打滑。撥動齒輪箱調(diào)節(jié)螺母，使它的法蘭端面向著摩擦片方向松開2格，稍微增大調(diào)節(jié)螺母與法蘭端面的間隙，使齒輪箱打滑。在室溫、底座無振動時控制柴油機轉(zhuǎn)速為1 750r/m，軸系轉(zhuǎn)速在300r/m上下快速波動，任意選取兩張不同時刻頻譜圖，如圖4（a）、（b）所示。從圖中可以看到扭角變化較大，波動從-0.039094～0.038531o變?yōu)?.086034～0.078763o，頻譜中工頻幅值變化較大，中低頻信號分布較雜亂，28Hz頻段上幅值明顯。

圖4 齒輪箱打滑對扭振頻譜的影響

綜上，測試結(jié)果表明，軸承磨損故障主要引起推進軸系的橫向振動，而對軸系高倍頻部分的扭振影響不大。齒輪箱打滑故障時軸系傳遞扭矩由齒輪箱摩擦片的最大摩擦力決定，轉(zhuǎn)速波動大，中低頻段幅值分布雜亂。該結(jié)果對實船扭振研究具有重要參考意義。