， ，

(1.中國(guó)人民解放軍91708部隊(duì)，廣州 510320；2.海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，武漢 430033)

柴油機(jī)振動(dòng)水平在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和海軍標(biāo)準(zhǔn)中均有明確規(guī)定，所有船用柴油機(jī)正式服役前或經(jīng)過(guò)維修后均需要測(cè)量振動(dòng)[1-2]。柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)特性的變化在一定程度上能夠反映機(jī)器的性能，建立柴油機(jī)的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)柴油機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)、修理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等具有重要的意義。而振動(dòng)烈度和柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)的頻譜是重要的指標(biāo)。以某型柴油機(jī)為例，對(duì)柴油機(jī)振動(dòng)加速度進(jìn)行測(cè)量，分析該型柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

6缸V型柴油機(jī)用作發(fā)電機(jī)，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(jī)組彈性安裝。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

在柴油機(jī)上布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，在發(fā)電機(jī)上布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置的原則是盡量反映機(jī)組整體的運(yùn)動(dòng)，剛度較差的地方盡量不布點(diǎn)(例如懸臂結(jié)構(gòu)、較薄的殼體等)。測(cè)點(diǎn)1在柴油機(jī)安裝支座上，位于B側(cè)自由端機(jī)腳附近；測(cè)點(diǎn)2在柴油機(jī)B側(cè)輸出端機(jī)腳螺栓上；測(cè)點(diǎn)3在柴油機(jī)B1缸缸蓋側(cè)面；測(cè)點(diǎn)4在發(fā)電機(jī)罩殼上；測(cè)點(diǎn)5在柴油機(jī)A側(cè)機(jī)體上，位于A側(cè)自由端機(jī)腳附近。每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量3個(gè)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(jī)曲軸中心線方向，Z向(橫向)與XY平面垂直。

1.3 試驗(yàn)儀器和測(cè)量設(shè)置

試驗(yàn)儀器見(jiàn)表1。測(cè)量系統(tǒng)量程±10 V。加速度計(jì)最大可測(cè)值100 g， 頻率范圍0.5 Hz～4.0 kHz。測(cè)量時(shí)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(yàn)儀器

2 振動(dòng)烈度計(jì)算

2.1 振動(dòng)速度有效值計(jì)算

實(shí)際的采樣信號(hào)為加速度，而評(píng)估振動(dòng)烈度用的是振動(dòng)速度，采用數(shù)值積分方法得到速度信號(hào)。速度有效值計(jì)算流程見(jiàn)圖1。計(jì)算得到的是單個(gè)測(cè)點(diǎn)單個(gè)方向的振動(dòng)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(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度值；

N——平均的點(diǎn)數(shù)。

圖1 速度有效值計(jì)算流

表2為1 500 r/min、空載時(shí)各測(cè)點(diǎn)各方向的振動(dòng)速度有效值，可以看出，柴油機(jī)上各測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)1、2、3、5)橫向振動(dòng)速度最大，垂向次之，縱向最小。電機(jī)上測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度(測(cè)點(diǎn)4)垂向和縱向相差不大，但橫向明顯大于其余兩個(gè)方向。其余工況趨勢(shì)相同。

表2 轉(zhuǎn)速1 500 r/min，空載時(shí)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度有效值 (mm·s-1)

2.2 烈度計(jì)算

機(jī)組烈度Vrms計(jì)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(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度有效值的和，mm/s；

Nx、Ny、Nz——同一工況下，垂向、縱向、橫向測(cè)點(diǎn)數(shù)。

2.3 振動(dòng)烈度結(jié)果

采用上述方法對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行分析，得到振動(dòng)烈度結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 振動(dòng)烈度結(jié)果

空載時(shí)測(cè)量了3個(gè)轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)烈度，1 200 r/min時(shí)烈度最大，1 500 r/min時(shí)次之，900 r/min時(shí)振動(dòng)烈度最小。同一負(fù)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(fù)荷，直至額定負(fù)荷，可以看出，隨著負(fù)荷增加，振動(dòng)烈度單調(diào)增加。

3 振動(dòng)速度信號(hào)頻譜分析

3.1 信號(hào)頻譜分析

圖2為900 r/min、空載時(shí)測(cè)點(diǎn)1橫向振動(dòng)速度幅值譜，頻譜最大幅值對(duì)應(yīng)頻率22.5 Hz，對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率15 Hz的1.5倍。

圖2 測(cè)點(diǎn)1橫向振動(dòng)速度幅值譜(900 r/min，空載)

圖3為1 200 r/min、空載時(shí)測(cè)點(diǎn)1橫向振動(dòng)速度幅值譜，頻譜最大幅值對(duì)應(yīng)的頻率為30 Hz，對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率20 Hz的1.5倍。

圖3 測(cè)點(diǎn)1橫向振動(dòng)速度幅值譜(1 200 r/min，空載)

圖4為1 500 r/min、空載時(shí)測(cè)點(diǎn)1橫向振動(dòng)速度幅值譜，頻譜最大幅值對(duì)應(yīng)的頻率為37.5 Hz，對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率25 Hz的1.5倍。

圖4 測(cè)點(diǎn)1橫向振動(dòng)速度幅值譜(1 500 r/min，空載)

同是空載，1 200 r/min時(shí)頻譜的最大幅值明顯大于900 r/min時(shí)和1 500 r/min時(shí)的頻譜幅值，可見(jiàn)在22.5～37.5 Hz之間，柴油機(jī)存在一個(gè)共振頻率，且該共振頻率更接近30 Hz。

3.2 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)相關(guān)分析

由于篇幅限制，只列出了測(cè)點(diǎn)1的部分頻譜，從圖2～4可以看出，振動(dòng)速度的頻譜表現(xiàn)出明顯的線譜性質(zhì)，基頻為柴油機(jī)單缸發(fā)火頻率，各階倍頻均有明顯幅值，幅值譜最大值對(duì)應(yīng)的頻率均為基頻的3倍。相干分析發(fā)現(xiàn)[4]，柴油機(jī)上各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)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(cè)點(diǎn)的不同方向振動(dòng)速度信號(hào)在柴油機(jī)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(dòng)頻率的1.5倍頻處接近于1。同一負(fù)荷下，不同測(cè)點(diǎn)同一方向的振動(dòng)速度相關(guān)系數(shù)分布規(guī)律很接近。不同負(fù)荷時(shí)，同一測(cè)點(diǎn)同一方向的相干系數(shù)分布規(guī)律也相近。

圖5 測(cè)點(diǎn)1振動(dòng)速度垂向和縱向的相干系數(shù)(1 500r/min,100%負(fù)荷)

表4 相干系數(shù)表

圖6 測(cè)點(diǎn)1振動(dòng)速度垂向和橫向的相干系數(shù)(1 500r/min,100%負(fù)荷)

圖7 測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的相干系數(shù)(1 500r/min,100%垂向)

圖8 不同負(fù)荷下測(cè)點(diǎn)1垂向振動(dòng)速度的相干系數(shù)(1 500r/min，89%負(fù)荷和100%負(fù)荷)

4 結(jié)論

1) 6缸V型柴油機(jī)平衡性差，因此振動(dòng)烈度較大，額定轉(zhuǎn)速額定負(fù)荷時(shí)達(dá)到39 mm/s。不論轉(zhuǎn)速多大，振動(dòng)速度幅值譜的最大值對(duì)應(yīng)的頻率為曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)為37.5 Hz。說(shuō)明該頻率的激勵(lì)是柴油機(jī)振動(dòng)的主要激勵(lì)源，減小該激勵(lì)將是減小柴油機(jī)振動(dòng)烈度的主要方法。

2) 額定轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機(jī)組振動(dòng)烈度隨著負(fù)荷的增加而增加；而負(fù)荷不變時(shí)，振動(dòng)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(jī)不同測(cè)點(diǎn)、同一測(cè)點(diǎn)的不同方向、同一測(cè)點(diǎn)同一方向在不同負(fù)荷時(shí)，振動(dòng)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(shuō)明6缸V型柴油機(jī)的最重要激勵(lì)源的頻率為單列氣缸發(fā)火頻率。

[1] 歐陽(yáng)光耀，高洪濱，譚 笛，等.安裝基礎(chǔ)剛度對(duì)柴油機(jī)振動(dòng)烈度的影響分析[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2007，28(6)：70-72.

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

[3] GB/T 12779—91.往復(fù)式機(jī)器整機(jī)振動(dòng)測(cè)量與評(píng)級(jí)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1991.

[4] 飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心.MATLAB7輔助信號(hào)處理技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005.