基于階次提取法的軸系軸心軌跡分析

邱博，王志華，李中成

基于階次提取法的軸系軸心軌跡分析

邱博，王志華，李中成

針對軸系原始軸心軌跡不易識別的問題，采用階次提取法對軸心軌跡進(jìn)行提純。以軸系試驗(yàn)臺為基礎(chǔ)，使用電渦流位移傳感器測量徑向平面內(nèi)兩垂直方向的振動(dòng)信號，在LabVIEW中對信號進(jìn)行處理并合成軸心軌跡圖，利用等角度采樣得到各階次軸心軌跡，然后利用Gabor變換對感興趣的階次進(jìn)行時(shí)域重構(gòu)并疊加得到提純后的軸心軌跡圖，最后選用適當(dāng)?shù)妮S心軌跡特征參數(shù)表征軸系校中的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，階次提取法具有較好的提純效果，提取的軸心軌跡特征參數(shù)能有效反映軸系的校中狀態(tài)。

軸心軌跡；階次提?。惶卣鲄?shù)；軸系校中

船舶推進(jìn)軸系的不合理校中會(huì)對船舶動(dòng)力裝置系統(tǒng)的性能和船舶航行安全帶來嚴(yán)重危害[1-2]。軸心軌跡能在一定程度上反映船舶軸系的狀態(tài)變化，為船舶軸系校中狀態(tài)的監(jiān)測提供依據(jù)[3]。軸系的軸心軌跡有以下特點(diǎn)：①由于轉(zhuǎn)頻較低,使得軸心軌跡的形狀穩(wěn)定性差，實(shí)時(shí)正確地顯示軸心軌跡困難；②混疊在位移信號中的噪聲增多，加大了軸心軌跡提純的難度。清晰的軌跡圖是精確提取振動(dòng)特征參數(shù)和正確認(rèn)識軸線狀態(tài)的前提。針對軸系原始軸心軌跡不易識別的問題，將階次提取法應(yīng)用于軸心軌跡分析中，利用階次分析和Gabor變換實(shí)現(xiàn)對軸心軌跡的提純，在提純后的軸心軌跡中選用適當(dāng)?shù)妮S心軌跡特征參數(shù)來表征軸系校中的狀態(tài)，分析不同轉(zhuǎn)速和船體變形激勵(lì)對軸系校中狀態(tài)的影響。

1 階次分析和Gabor變換

1.1 階次分析

(1)

1.2 Gabor變換理論

(2)

周期為L的離散時(shí)間周期信號s(k)的Gabor展開為

(4)

(5)

2 軸系軸心軌跡提純方法

2.1 軸心軌跡階次提取

對測得的2兩路位移信號分別進(jìn)行階次分析，從階次譜中選取感興趣的特征階次，對該階次進(jìn)行時(shí)域重構(gòu)，這在階次分析中稱之為階次分量提取或階次分量重構(gòu)，可進(jìn)行進(jìn)一步的分析[6]，然后利用Gabor變換對感興趣的主要振動(dòng)階次都進(jìn)行時(shí)域重構(gòu)[7]，合成各階分量軸心軌跡，再將這些分量軌跡圖進(jìn)行疊加，得到提純后的軸心軌跡圖，流程見圖1。

2.2 特征參數(shù)提取

3 實(shí)測軸心軌跡分析

3.1 試驗(yàn)臺架及測量系統(tǒng)

軸心軌跡分析試驗(yàn)臺架組成見圖3。系統(tǒng)動(dòng)力源為55kW三相異步電機(jī)，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩357N·m，額定轉(zhuǎn)速1 471r/min，電機(jī)通過減速齒輪箱帶動(dòng)軸系旋轉(zhuǎn)，齒輪箱減速比為1.84，軸系運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍為：0～550r/min。

軸心軌跡測量流程見圖4。

共設(shè)3個(gè)測點(diǎn)，艉軸和2中間軸各分布1個(gè)，安裝傳感器時(shí)，轉(zhuǎn)軸的初始間距應(yīng)在傳感器線性范圍內(nèi)，盡量選在線性段中點(diǎn)，一般為1～1.5 mm，軸系工作前用萬用表測量傳感器輸出電壓，如測得電壓接近0 V，則初始間距最佳。

3.2 穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下的不同船體變形激勵(lì)

設(shè)定軸系轉(zhuǎn)速為300 r/min并保持不變，分別繪制空載、X向(徑向)加載、Z向(軸向)加載,轉(zhuǎn)矩加載、XYZ向加載及綜合加載這6種載荷狀態(tài)下的艉軸軸心軌跡見圖5。由圖5可見，在空載時(shí)艉軸為“香蕉”形，隨著加載改變，“香蕉”形凹陷加深，逐漸變?yōu)橥狻?”字形，且在綜合加載時(shí)最為明顯，說明隨著船體變形的激勵(lì)越來越復(fù)雜，艉軸的不對中程度越來越大。表1為特征參數(shù)表，由表1可見，1階長軸與2階接近，1階長軸傾角比2階小61.73°，比3階長軸傾角小70.27°，長軸間夾角都接近于垂直，且2階到5階細(xì)長度相對于1階都非常小，同時(shí)離心率接近于1，這正是軸線不對中的特征。這也說明了所選取的特征參數(shù)能夠很好地表征軸心軌跡的狀態(tài)。

階次1階2階3階4階5階形狀方向正進(jìn)動(dòng)正進(jìn)動(dòng)反進(jìn)動(dòng)反進(jìn)動(dòng)正進(jìn)動(dòng)長軸L/m20．0320．106．102．133．24細(xì)長度r0．750．200．150．090．23離心率e0．670．980．990．990．97傾角α/(°)63．52125．25133．7928．4653．61

3.3 穩(wěn)定船體變形激勵(lì)下的不同轉(zhuǎn)速

由于綜合加載最能體現(xiàn)船舶推進(jìn)軸系的實(shí)際工作狀況，所以將工況穩(wěn)定在綜合加載，在5種轉(zhuǎn)速下對艉軸的軸心軌跡進(jìn)行檢測，見圖6。取各轉(zhuǎn)速下的前2階軸心軌跡特征參數(shù)進(jìn)行分析，見表2。由表2可見，各轉(zhuǎn)速下1階細(xì)長度均明顯大于2階細(xì)長度，而傾角均明顯小于2階傾角，說明1階分量更接近于圓形，各2階離心率都非常接近1，說明各轉(zhuǎn)速下艉軸都有不對中故障；隨著轉(zhuǎn)速的升高，不對中度M逐漸減小，也就是說，隨著轉(zhuǎn)速的升高，軸系的不對中程度減輕，這與軸心軌跡圖顯示的結(jié)果是一致的。

表2 艉軸軸心軌跡前2階分量參數(shù)

4 結(jié)論

所提出的階次提取法能夠?qū)S系的軸心軌跡進(jìn)行整周期提取，克服了軸系轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大時(shí)軸心軌跡圖形雜亂的問題，提純后的軸心軌跡能夠很好地反映軸系的軸線狀態(tài)；利用經(jīng)提純后的單階軸心軌跡上所提取的細(xì)長度、離心率、傾角和不對中度等特征參數(shù)分析不同轉(zhuǎn)速和船體變形激勵(lì)對軸系校中狀態(tài)的影響，結(jié)果表明：軸系的不對中度隨著轉(zhuǎn)速的升高而降低，隨著船體變形激勵(lì)的復(fù)雜化而升高；所建立的軸心軌跡實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)為軸系校中的狀態(tài)監(jiān)測提供了有效工具。下一步的工作將研究船體變形與軸承負(fù)荷的關(guān)系，結(jié)合軸心軌跡探討船體變形對軸系合理校中的影響。

[1] 周瑞平,肖能齊,林晞晨.船舶推進(jìn)軸系振動(dòng)與校中關(guān)鍵技術(shù)[J].船海工程,2016，45(1):78-85.

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[3] 張金龍.基于軸心軌跡的船舶軸系校中狀態(tài)評價(jià)[D].大連：大連海事大學(xué),2012.

[4] 宋寶玉,解志杰,張鋒,等.基于角度域同步平均和階次分析的低速斜齒輪故障診斷[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2015,45(2):454-459.

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(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063)

Analysis of Shaft Centerline Orbit Based on Order Extraction

QIU Bo, WANG Zhi-hua, LI Zhong-cheng

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Against the difficulty of identifying the original shaft centreline orbit, a new way to purify orbit by order extraction was proposed. The vibration signal was measured based on a shafting test platform, using two eddy current displacement sensors mounted mutually perpendicular in the radial plane, the signal was processed and was used to draw the centerline orbit diagram in the Labview software, and extract the major order components of the orbit using uniform angle sampling, the extracted order components are regenerated in time domain using Gabor transform and superimposed to attain the purified orbit. Several appropriate characteristic parameters were selected which can reflect the condition of shafting alignment. It was shown that the order extraction can attain better purifying effect, and the characteristic parameters can effectively reflect the condition of shafting alignment.

centerline orbit; order extraction; characteristic parameter; shafting alignment

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.017

2016-04-07

國家自然科學(xué)基金(51139005)

邱博(1993—)，男，碩士生研究方向:振動(dòng)與噪聲控制技術(shù)

U664.21

A

1671-7953(2017)01-0069-04

修回日期：2016-04-28