基于模拟故障下的船舶轴系扭振研究

浙江国际海运职业技术学院 舒海滨

基于模拟故障下的船舶轴系扭振研究

浙江国际海运职业技术学院 舒海滨

扭振是影响船舶推进轴系可靠性和安全性的重要因素，尤其在轴系故障情况下，危害性更大。本文，笔者开发了一套以柴油机为激振源，以螺旋桨为负载的船舶轴系模拟实验平台。该平台以PC机为核心，将傅里叶变换（FFT）和小波变换相结合开发了在线监测及报警系统软件，对磨损、打滑等工况进行了扭振特性研究，现将实验过程阐述如下。

一、实验装置

如图1所示，实验平台结构仿照舟甬线客轮的推进系统结构设计，主要包括动力激振、扭矩传递、负载调节、实验台基础。

1. 动力激振。选用型号为Z170F的小型柴油机外接减速比为5∶1的06型船用齿轮箱为动力激振源，通过油门杆调节进油量大小，使轴系转速稳定在200～500r/min。

2. 扭矩传递。轴系总长1.2m左右，轴径25mm，分为中间轴和艉轴，长度比为13∶7，轴系扭振主要体现在中间轴上。

3. 负载调节。采用刚性的凸缘联轴器和法兰连接各器件，艉轴的输出端连接水箱中的三叶螺旋桨，利用调节水面高度的方法来调节负载。

4. 实验台基础。实验平台安装在底部装有自制避振弹簧的基础平台上，通过避振弹簧上的螺钉联锁装置调节基础平台的振动状态，以模拟船舶航行中的机舱振动状态。

二、测试过程

1. 计算轴系扭振程度。在中间轴两端测点安装一对测速齿轮，采用30等分矩形齿， 与透射式光电传感器构成非接触扭振双通道测量系统，当测速齿轮运转时，传感器输出的光电脉冲频率与轴的转速成正比。光电传感器输出振动信号经放大整形成矩形脉冲，进入与门；而时基信号由晶体振荡器发出，经分频电路后得到低频脉冲信号进入与门。两路信号相遇后，通过软件控制，采集卡中的计数器计算出一个光电脉冲中的时基脉冲数。根据扭振理论

式中，φ—扭角，n—转速变化分量，ΔF—光电脉冲频率变化分量，Z—光电齿轮盘齿数。通过软件分析光电脉冲的频率变化情况，就可以计算出轴系的扭振程度。

2. 采集数据。扭振信号通过信号处理箱送入数据采集卡，通过软件进行两个通道的同步采集，每采集到21s数据后暂停工作，然后对采集到的数据每隔10ms进行插值，即确定采用频率为100Hz，每个通道取2 048个采样点。

3. 获取数据频谱分布。采样后的转速-时间的波动谱，经数字滤波后对其做快速傅立叶变换（FFT）和小波变换，选择db2小波对通道1和通道2的两路扭角差进行7层小波分解，把每层的重构信号进行维数为64的相空间重构，提取多分辨率奇异谱即可获取其频谱分布特征。通过综合分析和对比不同尺度空间之间的熵值，得到信号局部特征的分布差异和变化，并以此作为故障的特征向量输入到多类支持向量机进行故障识别。

三、故障模拟实验

调节柴油机转速大小，将改变激振力大小和激振频率；调节水箱水位高低，将改变负载的大小。模拟试验中，柴油机转速从200～500r/m，每50r/m一档；水箱水位为50～550mm，每100mm一段；通过逐档逐段改变柴油机转速和水箱水位高度进行故障试验，利用信号分析和故障诊断软件系统做扭振特性分析和诊断。

1. 轴承磨损。在中间轴右端轴承支座上下联接处加入垫片，使支座与轴承产生0.5mm的配合间隙，图2为在室温、底座无振动、55cm水位、500r/m转速时，中间轴轴承磨损时的频谱图，最大扭角为0.054度，可以看出，工频幅值明显增大，其他频段幅值减小，这部分频幅变化是由产生的惯性力所引起横向振动与扭转振动的耦合造成。图3为在室温、底座无振动、55cm水位、500r/m转速下，实验平台正常工作与偏心和磨损故障时的轴系扭振频谱变化情况。从图中可以看出，磨损故障将明显改变轴系的激振力大小和激振频率，使系统双结振动的主简谐次数和激振能量分布发生变化，其中，1倍频的幅值变化最为明显，2倍频的幅值也有比较大的变化。

图2 中间轴轴承磨损时扭振频谱

图3 偏心与磨损时扭振频谱变化

2. 齿轮箱打滑。拨动齿轮箱调节螺母，使它的法兰端面向着摩擦片方向松开2格，稍微增大调节螺母与法兰端面的间隙，使齿轮箱打滑。在室温、底座无振动时控制柴油机转速为1 750r/m，轴系转速在300r/m上下快速波动，任意选取两张不同时刻频谱图，如图4（a）、（b）所示。从图中可以看到扭角变化较大，波动从-0.039094～0.038531o变为0.086034～0.078763o，频谱中工频幅值变化较大，中低频信号分布较杂乱，28Hz频段上幅值明显。

图4 齿轮箱打滑对扭振频谱的影响

综上，测试结果表明，轴承磨损故障主要引起推进轴系的横向振动，而对轴系高倍频部分的扭振影响不大。齿轮箱打滑故障时轴系传递扭矩由齿轮箱摩擦片的最大摩擦力决定，转速波动大，中低频段幅值分布杂乱。该结果对实船扭振研究具有重要参考意义。