（动力机械及工程专业论文）轴系裂纹故障模拟试验研究.pdf

哈尔滨t 稃大学硕十学f 7 = 论文 摘要 论文介绍了柴油机轴系裂纹故障诊断的研究现状，阐明了柴油机轴系裂 纹故障诊断研究的重要性和必要性。介绍了柴油机轴系扭转振动算法、扭转 疲劳裂纹动态特性、扭振测试和分析方法。 论文运用m a t l a b 软件编制精细时程积分计算程序对模拟试验装置进行了 数值仿真，采用频谱进行分析。 论文将制作的平行滑板扭振激振器应用于轴系试验台中，并进行了完好 轴和裂纹轴的扭振对比试验，为柴油机轴系裂纹故障诊断的进一步研究奠定 了基础。 论文首次研制了激励源频率和占空比可控的小型轴系扭转振动试验台， 并对试验台主要振动参数进行了计算。此试验台可进行有无裂纹的试验轴扭 振信号对比试验。 论文通过激励可控轴系试验台进行了有无裂纹的轴系扭振试验，结果表 明所研制的激励源起到了模拟柴油机激励的作用，使裂纹轴刚度的变化得到 了响应。从试验结果和分析中得到了柴油机模拟轴系裂纹故障诊断的扭振信 号特征。 关键词：柴油机轴系；扭转振动；裂纹：故障诊断；试验 a bs t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ec u r r e n tr e s e a r c ht e n d e n c yo fd i e s e le n g i n es h a f t i n g c r a c kf a u l td i a g n o s i s ，a n dd e s c r i b e dt h ei m p o r t a n c ea n dn e c e s s i t yo fd i e s e le n g i n e s h a f t i n gc r a c kf a u l td i a g n o s i sr e s e a r c h i te x p l a i n e dt h ea l g o r i t h mo f d i e s e le n g i n e t o r s i o nv i b r a t i o n ，t h ed y n a m i c so ft o r s i o nf a t i g u ec r a c k ，t o r s i o nv i b r a t i o nt e s t i n g a n da n a l y z i n gm e t h o d s t h ep a p e rp r o g r a m m e dp r o g r e s s i v ei n t e g r a lc a l c u l a t i o nb ym a t l a bs o f t w a r e ， a n dp e r f o r m e dm a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o na n df r e q u e n c yd o m a i nw a v ea n a l y s i sf o r t e s t e r t h ep a p e ra p p l i e dt h ep a r a l l e l - s l i d i n g - b o a r dt y p et o r s i o nv i b r a t i o ne x c i t e rt o s h a f t i n gt e s t e r ，a n dp e r f o r m e dc o n t r a s tt e s tb e t w e e ng o o ds h a f t i n ga n dc r a c k e d s h a f t i n g ，i no r d e rt om a k eg o o df o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c hw o r kf o rd i e s e l e n g i n et o r s i o nv i b r a t i o nf a u l td i a g n o s i s i tf i r s t l yh a v ed e v e l o p e ds m a l ls h a f t i n gt o r s i o nv i b r a t i o nt e s t e rw h i c hh a d v a r i a b l ee x c i t i n gf r e q u e n c ya n dd u t yr a t i o t h ep a p e rc a l c u l a t e dm a i nv i b r a t i o n p a r a m e t e r s t h ec o n t r a s tt e s t b e t w e e nw i t h c r a c k e ds h a f t i n ga n dn o n 。c r a c k e d s h a f t i n gc o u l d b ep e r f o r m e do nt h e t e s t e r t h ep a p e rf u l f i l l e ds h a f t i n gt o r s i o nv i b r a t i o nt e s tw i t hc r a c k e ds h a f t i n ga n d w i t hn o n c r a c k e ds h a f t i n go nv a r i a b l ee x c i t i n gs h a f t i n gt e s t e r t h er e s u l t sh a v e s h o w nt h a tt h ee x c i t i n gs o u r c eh a sp l a y e dt h er o l eo fs i m u l a t i n gd i e s e le n g i n e e x c i t a t i o n ，s ot h ec h a n g eo fc r a c k e ds h a f t i n gs t i f f n e s sh a sr e s p o n d e d t h et o r s i o n v i b r a t i o ns i g n a lc h a r a c t e r i s t i cf o rd i e s e le n g i n es h a f t i n gc r a c kt r o u b l es h o o t i n gw a s a c q u i r e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l ta n da n a l y s i s k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n es h a f t i n g ；t o r s i o nv i b r a t i o n ；c r a c k ；f a u l td i a g n o s i s ； e x p e r i m e n t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的引用已 在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已公开发表的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 盗 扣 盏 肌 夺多 h 咿 字 汁 挥 桫 ( 期 者阼 日 哈尔滨+ r 程大学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着内燃机的成熟发展，尤其是其中的柴油机有马力大、动力强的特点， 所以被广泛应用于动力发电、工程机械、铁路牵引及各种船舶动力等领域。 柴油机是不断强化及高速旋转的动力机械，尤其是应用于船舶动力的柴油机 的轴系结构复杂、运动部件多、承受的作用力和冲击大、工作状态恶劣。所 以其运行状态的好坏，直接影响到整个机组的工作状况。及时发现、诊断故 障并采取有效的措施，可增加内燃机工作时的安全性和可靠性，降低内燃机 维修费用，减少由此带来的损失，防止突发事故，具有重大的现实意义。 在船舶设计与建造过程中，轴系振动引起了广泛的重视，许多船舶机损 事故的发生，如断轴、弹性联轴节破坏、齿轮箱的齿轮敲击、齿面点蚀、过 度磨损、断齿、机座震裂以及机舱噪音等大多和轴系的振动有关，船舶柴油 机动力装置轴系振动主要有：扭转振动、横向振动和纵向振动。特别是与轴 系的扭转振动有关。柴油机输出扭矩是周期性的，引起轴系的扭转振动，在 实际使用过程中，人们经常会发现当发动机达到某一转速时，运转速度变得 很不均匀，性能变坏。轻则产生大的噪声，使磨损加剧：重则使曲轴断裂。 其原因主要是由于曲轴发生了大幅度的扭转振动，即当轴系达到某一转速时 施加在曲轴上的周期变化的扭矩与曲轴本身振动频率发生共振，此时会造成 曲轴扭转变形大大超出正常值。因此，无论在设计改进还是在维修诊断分析 中，必须对轴系的扭转振动特性进行计算和试验分析，以确定其临界转速振 型振幅所传应力，以及是否需要采用减振措施。其中曲轴的扭转振动对内燃 机影响最大。在内燃机工作过程中，曲轴受周期性干扰力矩作用产生扭转振 动。当干扰力矩的频率接近曲轴扭矩的固有频率时，其扭振振幅急剧增大， 产生“共振现象”，使曲轴运转不平衡，产生冲击，引起附加的动应力，从 而加速传动件的磨损，甚至导致曲轴扭断，因此对曲轴扭转振动的测量具有 非常重要的意义。 哈尔滨l ：稃人学硕十学何论文 据调查，国内外已经出现过多起与疲劳裂纹有关的轴系断裂事故l - j 。日本 在1 9 7 6 年到1 9 8 0 年发生的海难事故中对发动机故障进行统计，发现曲轴断 裂故障占所有故障的1 8 6 。柳州某厂柴油机4 次断轴事故共造成经济损失 达7 3 1 7 万元，其中1 9 9 2 年的一次断轴事故损失达到2 8 8 万元。1 9 6 4 年4 月 2 1 。一台8 1 0 k w ( 11 0 0 马力) 主机进行出厂试车时，由于当时的特殊情况。 发动机到测功器之间的短轴被占用，临时改以实船上的一段中间轴来代替。 这段中间轴，是该型船舶的成熟部件，未发生过问题。因此本认为试验可以 顺利进行。可开车不久便发现中间轴某处发热，继而变色，最后竟然折断。 经过对该系统进行了扭转振动实测，得到了有如图1 1 所示的结果。从图中 可以看出，在转速范围3 4 0 6 3 0 r m i n 内，当发动机与水力测功器以短轴相连 时应为可靠的。由于换用中间轴，结果因试车台架轴系变长，自振频率降低， 临界转速恰巧下移到6 0 0 r r a i n 附近，以致造成损坏。 扭 振 振 幅 图1 1 试验台轴系加k 扭振特性变化 1 9 7 5 年5 月，一艘1 0 0 0 吨供油轮中的7 3 6 k w ( 1 0 0 0 马力) 主机所带轴系， 在进行扭振测试时，事前已经做好扭振计算书。测试结果与计算符合。其情 形如图1 2 所示。按照计算出的结点位置，即轴段扭振应力最大处。应在图 中幸处。而实际测试中，工作人员摸该处轴段，明显感觉温度较高。当时室温 约1 5 ，而该处则至少达4 0 。可是在轴向前后不远处，则温度较低。特别 2 哈尔滨1 j 程大学硕十学位论文 i i 是临近的轴承，温度也较低。这算是不用仪器单凭感觉测出扭振现象的典型 例子。当情况继续发展时，则将演变成前面的例子。 扭 振 振 幅 1 4 33 4 0 4 4 3 图i 2 轴系扭振典型例 所内燃机轴系的扭转振动是影响该动力装置安全运行的重要动力性能之 一。因此，世界多数国家的船舶检验机构规定n ，：“大于1 5 0 马力的内燃机装 置的扭转振动计算和测量资抖必须向该组织机构提出审批，当扭转振动各项 数据超出规范限值时，不准出厂使用。我国船舶检验机构也有上述规定。 由此可见，内燃机轴系扭转振动这门科学在内燃机研究设计工作中自有重要 的地位。它已成为参加这方面工作的技术人员和科研人员必须掌握的理论知 识，并且要有一定实践经验。 因此，轴系裂纹故障的诊断研究是很有实际意义的课题。 1 2 柴油机轴系扭振计算的发展状况 国内外各种船舶建造规范，都对振动问题( 特别是扭振问题) 提出了相 应的验收规定和标准。目前，轴系振动分析计算工作，在国内外发展很快， 已逐步形成一套比较成熟的方法。目前计算最多的是扭转振动，而船舶轴系 哈尔滨下稃大学硕十学位论文 1 1 动力设计阶段，当部件选型和结构尺寸初步确定以后应进行系统的扭振固有 频率计算，使其远离干扰力矩的频率，在轴系工作转速范围内避免出现柴油 机主谐次的临界转速，否则应采取避振措施，使运动部件的响应符合规范要 求。 目前广泛采用霍尔茨( h o l z e r ) 表算法1 4 1 来计算轴系扭转振动的固有频 率、固有振型。由于这种算法是建立在相对简化了的力学模型基础上，与实 际系统存在一定的差别，加之一些难以确定的( 曲轴刚度等) 或不确定的( 非 线性刚度的减振器，联轴节等) 因素影响，使得实测与计算固有频率的相对 误差大于5 的事例不时出现，由于不满足规范相关的要求，测试方法出具 测试报告，验船师无法及时签发检验报告和证书，影响了船舶的正常航行。 而在扭转振动计算用得最多的是近似计算方法，通常有能量法与动力放大系 数法。放大系数法的优点是可以根据实测的扭转振动振动幅及计算得出的轴 系平衡振幅，来确定动力放大系数。这样，对于较简单的轴系可以很方便且 较准确地进行强迫振动计算，但对于较复杂的轴系则可能引起较大误差。轴 系固有频率和响应计算是建立在相对简化了的力学模型和经验公式基础上， 它们与实际系统存在一定的差别，因此，扭振实测是校核轴系扭振计算书与 评价轴系实际振动特性的重要手段，也是轴系扭振检验的工作内容之一。 当实测固有频率与计算频率的相误差大于5 ( 对大阻尼系统建议为 6 7 ) 时，应对测试报告与计算进行检查，若实测无误，则应对计算时一 些难以确定或不定的扭振参数进行修正。 对大阻尼系统轴系或多机单浆等较复杂的轴系等，一般宜采用解析法进 行响应计算，根据实测振幅修正了阻尼系数的解析法计算书，可等效扭振实 测报告。解析法是一种很好的计算方法，它是求微分方程组的特解，因此它 是一个精确解，可以同时适用于共振计算和非共振计算。解析法具有物理意 义明确、容易理解、计算简便的特点。过去由于计算工具的限制，采用解析 法来计算分析轴系振动较少，随着计算机的迅猛发展，为我们提供了先进的 计算工具，所以用解析法开发柴油机轴系振动计算系统软件是必要的，也是 可能的。 另外，传递矩阵法怕1 ，系统矩阵法，动力放大系数法等l 一，都是近年来常用 的轴系扭振计算方法。还有根据船舶轴系的实际受力情况，考虑一些模糊因 4 哈尔滨t 稃人学硕十学何论文 素的影响后，也可采用模糊优化计算【s j ，讨论了轴系扭转振动许用应力的计 算方法。通过计算结果可看出，所用方法是可行的。采用模糊优化评判方法 后，考虑了轴系设计、加工、使用过程中的一些客观模糊因素和人的经验的 影响，这样可使计算结果更接近实际情况。 1 3 裂纹的动态特性 裂纹的“呼吸 运动根据裂纹种类的不同而不同，传统的方波模型和余 弦波模型旧1 分别忽视了裂纹“呼吸过程中所经历的一些状态，比如方波模型 忽略了裂纹从全开到全闭的过渡过程，即使是较小的扭转疲劳裂纹，这个过 程也是有的，只是过程比较短暂，变化过程接近方波。对于横向裂纹，大多 数情况裂纹闭合时间较张开时间短，因为裂纹的“呼吸”主要依靠转轴曲率 的改变，所以裂纹不是从裂纹顶点逐步闭合，而是从裂纹一侧逐步闭合，而 且闭合的情况比较复杂，比如当裂纹较窄时，裂纹有全闭过程，但当裂纹过 宽，就有可能没有全闭过程。所以裂纹的几何形状、位置、裂纹与轴向的夹 角等共同确定裂纹的动态过程，使得裂纹对刚度的影响极为复杂。不像其它 机械故障可以从理论上求出故障的特征频率和稳定的时间和频域表象，裂纹 故障没有一个稳定的故障征兆，更不用说通过理论计算求出裂纹故障的特征 频率。裂纹故障在一些时域参数或无量纲指标上的表现甚至无规律可循，但 是对于另一些振动指标，它们的变化规律和裂纹的发展却能表现出一种近似 的同步，这些将是裂纹诊断的关键。总而言之，过去对裂纹的研究成果认为 裂纹对轴系扭转振动有一个宽频的，弱非线性n 们的影响。 另外扭转“呼吸裂纹 可以通过裂纹面间的相对运动来确定，并通过忽 略裂纹面间的静距来简化。也就是说当裂纹所在轴段相对转角变号时裂纹就 从张开转向闭合或从闭合转向张开，如图1 3 为扭转裂纹的开关函数 i l l 。开 关函数联系到众多参数，包括几何参数，各种类型的振动参数，位置参数， 受力状况等。所以裂纹的动态特性是非常复杂的问题。 哈尔滨_ r ：稃人学硕十学仲论文 趔 鉴 图1 3 扭转裂纹开关函数 1 4 柴油机轴系扭振的测量和分析方法 1 4 1 扭振测量方法 通常在轴系振动的测量中，重点测量轴系的扭振，它是轴类最基本的振 动形式之一。绝大多数轴系都用来传递扭矩，负载或者驱动力矩的变化都会 激起轴系的扭振，扭振产生的动应力导致轴的疲劳甚至损坏。机床的传动链 轴系发生严重扭振时，会破坏加工精度。发动机的曲轴也存在扭振问题。总 之，扭振是普遍存在并应引起足够重视的课题。与测量横向振动不同，测量 扭振【1 2 】要困难的多，主要表现在以下三个方面： 1 、对传感器的安装保护及信号传输要求高，相应的工作也复杂。 2 、扭振信号信噪比很差，加上横向振动的干扰，使扭振信号提取与分析 比较困难。 3 、非接触测量方法本质上是相对比较法，如何建立测量基准是一个难点。 扭振测量主要有两大类方法：接触测量和非接触测量，前者将传感器( 应 变片，加速度计等) 安装在轴上，测量信号经过集流环或者无线电发讯方式传 给仪器。非接触测量一般采用测齿法，即利用轴上的码盘、齿轮或其它等 分结构，测量角速度的不均匀性而达到测量扭振的目的。把多普勒测速方法 作恰当设计，还可利用激光来测量扭振【1 3 j 。 1 ) 盖革扭振测量仪 这是测量扭振的最早仪器【1 ，它模仿惯性式速度传感器原理，设计巧妙， 6 哈尔滨t 稃人学硕十学何论文 实现了绝对测量，从信号获取到记录全部采用机械结构，使用时，把待测轴 用皮带与扭振仪的皮带轮相联，使轴的扭振传递到仪器的头架上，飞轮以头 架的平均角速度旋转，皮带轮以头架的瞬态角速度旋转，二者之间用蝶形弹 簧联接，它们之间的相对角位移用杠杆测量并放大后去推动记录笔。该方法 简单实用，但因轴的扭振是通过皮带传递到测量头架的，皮带的弹性振动会 引起失真。机械式测量记录系统，响应带宽非常有限，又因蝶形弹簧不能太 软，频率很低的扭振也不能测量。 2 ) 接触测量法 为监测轴或轴上零件( 如叶片等) 的动态应力，把应变片【”】贴在轴上，作为 敏感元件，来测量剪应变，剪应变随时间的变化情况就反映了轴的扭振，应 变片的布置要能消除轴的横向振动的干扰，并能实现温度影响的自动补偿。 应变片测量法具有较宽的频响范围和高的灵敏度，但不能测出轴的刚体扭振。 用压电加速度计测量扭振也是可行的，将加速度计的敏感方向置于轴截面的 切线方向，为消除轴横向振动引起的测量误差，用一对相同加速度计对置对 称安装，把两它们的输出信号相加除以2 作为扭振信号。该方法需要在轴上 设计专用的传感器安装机构，并严格切向安装，且二者的特性和到轴心的距 离要一致。由于电荷信号微弱且不易传输，如何把加速度计的输出信号准确 地从旋转轴上取出，是测量成败的关键。实际上，在所有接触测量法中，一 个共同的难点就是信号的传输问题，常用有以下两种方式：1 集流环方式。 是动静部件之间传递信号的常用方法。集流环主要由两部分组成：一廓分与 传感器的引出线相联并随轴旋转，另部分与测量仪器相联，两部分之间应 具有良好的减磨耐磨特性和良好的导电性。集流环分拉线式、碳刷式、水银 式和感应式四种。由于集流环动静部分之间接触电阻的不稳定性，加上摩擦 静电干扰，这种传输方式会大大降低信噪比，摩擦发热和磨损使集流环不能 长时间工作，所以不便作监测使用。因这种方式复杂和易受测量对象制约， 无法设计通用的测量仪器。2 无线电发讯方式。也称遥测。传感器输出信号 用导线引至无线电发讯器，经调制放大后，靠装在轴上的天线发射到周围的 空间，在发射天线附近的静止结构上安装接收天线，经解调放大和校正后， 送记录或分析仪器。发讯器有调幅式调频式两类，其电源可采用电池或感应 供电方式。发讯器、电源、天线等的安装和保护要视被测轴的实际结构精心 7 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 设计。与集流环方式相比，遥测具有使用方便、可靠及测量精度高的特点， 大规模集成电路的发展，为收、发射机微型化开辟了道路，而且市场上还有 通用的遥测仪，所以，扭振的遥测方法会得到更多应用。接触测量法都需要 在轴上安装传感器等测量装置，有时不得不破坏轴的原来结构，这在许多场 合下是不允许的，此时非接触测量法就显示出了它的优越性。 3 ) 非接触测量方法 这类方法都基于“测齿原理 1 6 1 ，当轴旋转时，装在轴上的齿形结构在 传感器上感应出钟形脉冲电平信号序列，其幅值和相位都可能携带轴的扭振 信息，这取决于所用传感器，如用电涡流式位移传感器，扭振信息存在于脉 冲的相位中，经鉴相器解调后得到扭振信号，这是调频法。若用电磁感应式 速度传感器，则扭振信息既存在于信号的幅值也存在于相位信息中，通过检 波，积分平滑并取掉直流分量后，就得到扭振信号，这是调幅法。因市场上 有许多通用单片解调集成电路，非接触测量方法显得很简单，然而，调频法 假定轮齿的间距严格等分，不存在分度误差；调幅法假定轮齿不存在齿廓误 差，这两项误差是影响测量精度的主要因素。由于扭振幅度相对于齿间距很 小，信号的相位调制度是很小的，对频率解调电路的精度要求将很高；扭振 引起轴的角速度波动与平均角速度相比也很微弱，信号的幅值调制度很小， 因此，对幅值解调电路的精度要求同样是很高的，另一项主要误差来源是轴 的横向振动( 径向振动) ，y 方向的振动直接影响齿廓扫过测头的时间而导致 信号的相位误差，从而引起扭振测量误差；x 方向的振动引起信号脉冲幅度 变化一经电路整形后，同样导致脉冲相位误差，调幅法也存在类似的误差， 不再详细分析。要提高测量精度，需要改进和发展上述方法。数字式脉冲相 位解调法能消除上述两项主要误差，是一种很好的改进措施。既然扭振使传 感器的测齿脉冲产生相位调制现象，将脉冲整形后，用一高频基准脉冲来填 充相邻齿廓脉冲，基准脉冲的计数值表征了轴在此瞬间的角速度，基于该原 理的典型测量系统。只要预先测量出齿廓的分度误差，作为基准数据，去 修正上述计算值，就能消除齿廓分度误差的影响，但需要一只标志起始轮齿 周向位置的传感器( 通常用光电传感器) 对各齿编号。 非接触测量法不需要在轴上安置特殊装置，而是利用轴上已有的等分结 构，测量准备工作较少，测量过程也不干扰轴的正常运转。它最适合扭振的 哈尔滨下稃大学硕十学位论文 长期监测之用，将成为大型旋转机械扭振测量和监测的主要方法。现在，已 经设计出基于上述原理的扭振测量仪，如英国e c o n o c r u i s e 公司的t v l 型扭振仪，美国s h a k e r 公司的v e d 一2 2 3 a 型扭振仪，上海电力成套设备研 究所研制的d t v 一8 8 扭振测量仪等。但该方法要求轴上有回转等分结构， 一般的大型旋转轴上仅有一个测速齿轮，而一个测点显然是不够的，这使测 点数目大受限制，可行的解决办法是：利用轴上的准等分结构，如联轴节周 向的一组螺钉作为扭振测点，在轴平稳运转状态下，测出各螺钉之间的周向 分度误差。数字式p p m 解调法中，信号的采样频率取决于轴的转速，因为轮 齿间隔是不可改变的，采样点数可以自由选取。 4 ) 基于多普勒效应的测量法 当激光束照射到轴的表面时，轴表面的线速度使散射光产生多普勒频移 f 1 8 1 ，频移量的瞬间值表征了轴的瞬态角速度，除去直流分量，就得到扭振。 分光镜把来自激光器的光束分成两束，经透镜聚焦到轴表面的同一点，因两 束光的入射角与轴的转速方向不同，其散射光的频移量也不同，二者的散射 光相干涉产生拍频，扭振又使拍频产生波动，即扭振信号被转速的拍信号所 调制( 调频) ，经频率解调就得到扭振信号。显然，轴的横向振动、轴截面的 圆度误差都直接影响测量精度，该方法很难提高测量精度。但只需要轴上有 一段光洁表面，测点容易设置，该方法能实现绝对测量，不需要专门建立测 量基准。不过，因测量装置复杂而昂贵，难于商业化推广应用。 总之，扭振测量技术随着传感器技术、电子技术的发展，从机械式测量 法、模拟测量法发展到数字化测量法，测量方法日趋简单，测量精度越来越 高。研究关于轴系振动的问题，首先要熟知关于振动的理论，这样才能建立 数学模型，又因为有关轴系振动方面的计算比较复杂，所以又要有好的计算 机软件支持，选好用于轴系振动方面的软件也很重要，最后要找到好的测量 方法，这样才能把理论计算和实际测量相比较，得出结论进行轴系振动方面 的研究。 1 4 2 信号分析方法 采用振动分析法对内燃机轴系裂纹故障进行监测与诊断通常可分信号检 9 哈尔滨一r ：程大学硕十学何论文 测、特征提取、状态识别和诊断决策四个步骤。通常信号的来源有通过模拟 计算和试验采集两种。数值模拟的优越性在于可以改变裂纹等模型的参数进 行模拟，但很难保证其模型及参数能够和实际吻合的很好，并验证模拟结果 的正确性，而实际曲轴又非常昂贵，曲轴裂纹实验又具有破坏性，因此一般 通过轴系代替曲轴进行试验，所以能够设计和实际接近的实验装置就至关重 要，只要实验装置合理，那么试验采集的数据将更可信，并可以对模拟计算 的数据进行修正。 由于曲轴的几何形状、边界条件和作用载荷都极其复杂，主要是气缸燃 气爆发和往复运动影响，因此可以对曲轴作简化处理，将对轴系扭转振动特 性影响不大的附属系统略去不计，把转动惯量较大的部件作为没有弹性的集 中质量，而对较轻的轴段仅考虑其弹性，更精确些就是将其质量分配到其两 端的质量上。常用的简化方法是集中参数法，将整个内燃机轴系转换成“当 量系统”。实践证明“当量系统”能够满足工程计算模拟要求。因此，建立一 个求解规模适当而又能保证有足够的精度内燃机轴系动力学模型是模拟内燃 机轴系动力特性的一个重要课题。而能够在相应的轴系力学模型的基础上设 计一个实验装置将是对内燃机轴系裂纹故障诊断有作很大帮助的。 内燃机轴系振动信号的处理方法有时域分析法、频域分析法，9 】、小波分 析法等。振动信号的时域特征参数主要有峰峰值、均值、均方幅值、方差、 标准差以及无量纲参数斜度指标、峭度指标、波形指标、脉冲指标、裕度指 标等，还可以进行信号的相关分析，时域平均等。特征参数和无量纲量由于 测量比较直接，可以用于在线监测，同时也可以作为其它诊断方法的特征提 取参数。相关分析可以用于检验信号的相似程度或者相对时间延迟。时域平 均可以一定程度消除噪声。振动信号的频域分析主要是将信号通过某种变换， 将信号从时域变换到频域，然后再进行特征提取的一种方法。 古典谱法基于f f t 快速算法1 2 0 l ，包括相干分析，自谱，互谱，细化谱， 倒频谱等。现代谱估计方法基于参数化模型，因此功率谱，高阶谱还分为基 于传统f f t 快速算法和基于参数化模型两种。古典法的优点是物理意义明确， 如功率谱是在频域中对信号能量或功率分布情况的描述；相干分析可用来判 断系统是否混入噪声，系统是否非线性。缺点是谱分辨率偏低，旁瓣泄漏严 重。现代谱分析法具有较高的分辨率，对数据量的要求较少，但是容易产生 l o 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 波形失真，信噪比低。 小波分析方法【2 i 堤一种发展比较迅速的信号处理方法，有信号处理科学 中的“显微镜”的美誉。小波分析是一种“可变焦距”的信号处理工具，也就是 小波通过尺度参数和时移参数来保持小波的能量一定和沿时间移动的功能。 小波在时域中采用窄窗时对高频有较高分辨率，采用宽窗时对低频有较高分 辨率。在频域中用窄窗对低频有较高分辨率，用宽窗对高频有较高分辨率( 高 频在两个相邻采样点之间( 采样时间间隔一定) 的频率间隔增大) 。小波变 换和傅利叶变换一样有完整的理论体系，具有信号分解和重构的功能，还具 有信号去噪，压缩，加密等功能。 1 5 柴油机轴系扭振模拟试验装置的激励方法 振动系统在任何一种激励之下都能反映出系统特性。但不同激励方法所 用的测试与分析手段有很大差别，所得结果的准确性也有不同。因此，应根 据振动系统的特点和现有的手段，选择合适的激振方法【2 2 l 。理论上的激振方 法很多，主要区别在于其激振函数的不同，如正弦函数、脉冲函数、阶跃函 数、复指数函数、自相关函数、白噪声函数和伪随即噪声函数等。目前在实 际应用中使用最多的有正弦函数激振和脉冲函数激振两种方法。 1 、正弦函数激振 正弦函数激振方法分为慢速扫频和快速扫频两大类，虽然它们都使用了 简谐激振力，但慢速扫频属于稳态激振，而快速扫频则是瞬态激振的一种。 通过对正弦稳态激振的讨论，阐述振动系统内部特性与激振力的关系。所谓 正弦稳态激振是指在选定的振动坐标段范围内，首先对被测系统施加一定量 级和单一频率的简谐激振力，测出激振力和响应信号及两者的相位差。然后， 缓慢地改变到另一个频率，重复上一个过程，如此反复，直到扫过所有频率。 记录各个频率下的输入和输出信号，通过计算即可得到系统的频响特性。正 弦函数激振方法具有测试精度高的特点。 2 、脉冲函数激振 脉冲函数激振与正弦函数激振方法相比，操作相对简便。理论上的脉冲 函数有单位脉冲、矩形脉冲、半正弦波脉冲和三角形脉冲等多种形式。而在 哈尔滨i ：程大学硕十学何论文 实践中，锤击法是一种最为简便的脉冲激励方法。其优点是：激振十分简单 易行，无需价格昂贵的仪器设备：实验时不会对试件产生附加质量、附加刚 度等副作用；激振点的选择不受敲击锤本身结构的限制，可以在不能安装激 振器的部位实现激励；能很方便地在生产现场实施在线诊断的试验；试验数 据获得速度快、效率高。而柴油机轴系扭振模拟试验装置的激振则应是脉冲 函数激振，但不能是简单的锤击，模拟内燃机的气缸压缩气体作功对轴系带 来的扭转振动应为矩形脉冲激振比较合理，所以柴油机轴系扭振模拟试验装 置采用频率和占空比都可调的脉冲激励符合理论要求。 1 6 本课题的主要研究内容 采用振动分析法进行柴油机轴系裂纹故障监测与诊断，具有传感器简单、 安装方便、长期监测，使用时不影响动力装置的结构、测试系统价格便宜等 优点，在动力装置故障诊断中越来越受到重视。本课题通过模拟试验装置针 对柴油机轴系裂纹故障的扭振信号诊断做一些尝试和研究。主要工作如下： 1 、从理论上简单分析柴油机轴系扭转振动的计算方法和扭转疲劳裂纹的 动态特性，为数值仿真和试验研究奠定良好的基础。 2 、对试验装置进行模拟仿真。建立具有试验条件的仿真模型并进行仿真， 从而尽量满足理论仿真与试验的可比性，在此基础上，作进一步研究。 3 、根据扭转振动的特点，设计研制了平行滑板转子轴系扭振实验台，为 柴油机轴系裂纹扭转振动试验研究奠定了基础。 4 、柴油机轴系扭振的特点，研制了激励频率、占空比和负载可调的模拟 柴油机轴系扭振试验装置。 5 、利用基于扭振信号分析的裂纹轴系试验装置的试验研究。提出了裂纹 轴系的扭振诊断方法。 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 第2 章裂纹轴系试验装置扭转振动仿真研究 柴油机轴系是一个复杂系统 2 3 1 ，比如柴油机的曲柄连杆机构是作往复平 面运动，它的等效转动惯量随曲柄转角发生变化；船舶轴系的中间轴，艉轴 是既有质量又有一定弹性的部件：与曲轴相接的配气机构，油泵，水泵传动 轴系实际上也参与了轴系扭转振动。 对柴油机直接进行各种试验研究显而易见有着很多不便：首先，布置测 试点难，很难找到合适的位置布置传感器提取到有效的信号进行研究。其次， 很难形成要研究的故障现象，如：要研究裂纹轴的扭振信号，很难使柴油机 轴系产生需要的扭转疲劳裂纹。再次，试验费用昂贵，如用柴油机曲轴做试 验，要用多条轴进行，曲轴价格高且反复对柴油机拆卸十分繁琐。最后，信 号提取困难，柴油机工作中形成各种复杂的振动，试验很难要提取我们想要 的数据信号，并把它们从中分离出来。 由于对柴油机直接试验的上述特点，所以用试验装置代替柴油机研究轴 系裂纹的扭转振动就很方便，而且可以按我们的需要对试验轴进行处理和各 种测试。所以首先要对裂纹轴系试验装置进行扭转振动计算和仿真分析。试 验装置如图2 1 所示。 图2 1 试验装置示意图 哈尔滨一i ：稃大学硕十学何论文 如图所示：试验调速电动机转动惯量较小，另外为使电动机的输出转速 更加平稳，在电机输出端安装较大惯量的质量块，在对试验装置进行简化计 算时，可把它们看成试验装置的一个转动惯量。另外，发电机侧同理，把齿 盘和发电机的转动惯量看成试验装置的另一个转动惯量。 在轴系扭转振动计算中，总是在尽可能反映轴系扭转振动特性前提下， 使计算能简便些。因此在将实际轴系转换成“当量系统时，一般将对轴系 扭转振动特性影响不大的附属系统忽略，仅考虑大惯量部件，将大惯量部件 简化为没有弹性的质量，而对于小惯量的轴段，则简化成弹性元件，或者将 轴段惯量分配到两端惯量上。以上的简化是长期扭转振动研究的结果，是合 理的简化。所以此试验装置可以简化成双惯量系统。 2 1 轴系双惯量系统简化模型 双惯量系统可以反映柴油机的一些扭转振动特性，它和扭摆不一样，两 端都是自由的，但是如果两个惯量相差太大，其性质接近扭摆。由于两端自 由，所以双质量系统的扭振形式可能包含“零频率 扭转振动。双惯量系统 的扭转振动性质可以通过上述试验装置来模拟，双惯量系统的扭转振动的简 化如图2 2 所示。 图2 2 轴系双质量系统简化模型 1 4 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 2 2 轴系双惯量当量系统扭转振动分析 轴系双惯量当量系统比较简单，可对其直接作理论分析。轴系双惯量当 量系统的扭转振动运动方程为： 。 1 仍+ c ( 伊l 一仍) + 七( 仍一鲠) = 删 ( 2 - 1 ) ，2t , a 2 + c ( 吁0 2 - 仍) + 七( 仍一仍) = 五( ，) j 扭转振动与横向振动、纵向振动不同之处是其往往需要求出相对扭角， 为此，将式( 2 1 ) 上式减去下式，并令伊= 仍一仍，伊= 伊i 一仍，伊= 缈厂缈2 得： 厶厶妒+ c ( + 1 2 ) o + k ( i i + 厶) 妒= 1 2 t 1 ( t ) 一l i t 2 ( t ) ( 2 - 2 ) 则，无阻尼自由振动的频率和阻尼比分别为： 吲晤k i i + i z 侉兰藤 ( 2 3 ) 一般情况下，强迫扭转振动的激励扭矩是工频的简单谐函数，可令： 1 2 t l ( t ) - i l 互( t ) = ( 1 2 t i - l i t 2 ) e 。删，矽= o p 鲥( 2 - 4 ) 于是有： , 2 0 j 2 0 e 似+ i c a ) ( 1 1 + 厶) o p 姒+ k ( i j + 厶) o p = ( 厶石一正弦刎 ( 2 - 5 ) 解式( 2 5 ) 得： ：! 生互二当互! ( 2 6 ) 七( 厶+ l ) 一厶国2 + i c c o ( 1 i + 厶) 通过变换，并将式( 2 3 ) 代入式( 2 6 ) 得： = 姒圳驯2 后( + 厶) ( 2 7 ) 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 o = ( 2 8 ) ：a r c t a n 量型冬 ( 2 9 ) 舻 薪 q 。9 所以，相对扭角为： 妒= i i e “叫一弛) ( 2 - 1 0 ) 从式( 2 - 7 ) 可看出，当瓦= 一五时，系统除了静变形外就是自由扭转振 动，试验装置在稳定运转时就是这种状态。但是由于阻尼的存在，瞬态扭振 很快衰减，所以如果要研究轴系双惯量当量系统的强迫振动响应，必须通过 扭振激振器进行激励，试验研究中采用载荷、频率、占空比可调激励也是可 行的。 2 3 含裂纹的轴系双惯量当量系统扭转振动分析 如果轴系双惯量当量系统连接轴上出现裂纹，即使瓦= 一互，系统响应将 受到裂纹导致的冲击作用，可能失去自由振动响应的特征。含有裂纹的轴系 双质量当量系统扭转振动方程为： 。 1 1 1q ，l + c ( ) ( ”仍) + 七( ) ( 仍一仍) = 砌l ( 2 - 1 1 ) 厶妒2 + c ( r ) ( 9 2 一仍) + 七( ，) ( 仍一眈) = t 2 ( t ) j 采用和2 2 节相同方法推导： 厶厶缈+ c ( ，) ( + 厶) 缈+ j | ( f ) ( + 厶) 伊= i z t l ( t ) 一l j t ：( t ) ( 2 一1 2 ) 所以，无阻尼自由振动的频率和阻尼比分别为： ( ，) = ( 2 1 3 ) 可见，含裂纹的轴系双质量当量系统自由振动频率是时间的函数，即是 自由振动频率由无裂纹时的个确定值变成一个频带，导致了假阻尼产生的。 1 6 哈尔滨r i - i l l - 大学硕十学仲论文 将式( 2 3 ) 代入式( 2 1 2 ) 得： 4 s t 0 2 0 p 枷+ 纪( f ) 国( + 1 2 ) o e 酬+ 七( f ) ( 厶+ 厶) o p 。叫= ( 厶互一i l t z ) e 。耐( 2 1 4 ) 所以： 。2 丽丽罴丽而( 2 - 1 5 ) 变形得： 其中： ) = e 7 ( 2 1 6 ) 卅删a n 鬻糟 协 k ( t ) - - k 0 + m e ( ，) c ( f ) = 铴+ a c g ( t ) 最终裂纹轴的相对扭角为： q ，( t ) - - - l ( t ) le 纠一。 2 4 轴系双惯量当量系统扭转振动仿真分析 ( 2 1 8 ) 通过m a t l a b 语言平台【批s 】基于精细时程积分方法1 2 7 2 9 】对轴系双惯量系 统进行时域数值模拟1 1 1 1 。假设：1 ) 中间传动轴段上无裂纹和有4 5 0 扭转裂纹 两种情况；2 ) 发电机受到方波脉冲激励，方波脉冲激励频率为3 5 ，占空比 为0 2 6 ；3 ) 电动机转速可调，选择4 2 0 r m i n ，6 3 0r m i n ，7 2 0r r a i n 、8 10r m i n 几组转速下进行；4 ) 时间步长为0 0 0 1 ；5 ) 裂纹活动方式采用综合模型开关 函数，开关函数的参数根据裂纹深度略有变化。仿真结果如下： 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 0 1 0 o 0 幅o 1 1 i o 0 0 4 o 0 0 2 o 0 1 0 。jl 一 一l 1 02 04 0 0 0 8 0 1 0 01 2 01 4 01 1 2 0 0 频率( h z ) 图2 3 转速4 2 0 r r a i n 时无裂纹的扭振响应f f t 从图2 3 看出，4 2 0 r m i n 的仿真中没有裂纹时转子的振动主要集中在脉 冲频率3 5 h z 处和其倍频处，由于是仿真，模型中只考虑脉冲激励，而实际 中振动系统总是存在其它的激励，所以实际情况在轴频及各倍频也应该有一 些峰值。在该转速下对含有4 5 0 扭转疲劳裂纹转子进行扭振仿真，仿真结果 如图2 4 所示，从图中可以看出除激励脉冲频率及其倍频处有峰值外，在低 频区出现明显波峰，但其二倍频峰值较小。 图2 4 转速4 2 0 r r a i n 时4 5 0 裂纹的扭振响应f f t 1 8 哈尔滨一i ：程大学硕+ 学位论文 0 1 2 0 1 o 幅 a 值 jl一一 l l i l 图2 5 转速6 3 0 r m i n 时无裂纹的扭振响应f f t 图2 5 所示是转速为6 3 0 r m i n 时无裂纹情况下仿真结果的f f t 曲线，可 以看出，随着转速升高后振动进一步加剧，脉冲激励的二倍频增加较快。图 2 6 所示为含有裂纹的情况，脉冲激励的二倍频增加也较快。固有频率处的峰 值增加明显，原因是固有频率和低频五倍频相接近。其它情况和4 2 0 r m i n 转 速下的情况相似。 图2 6 转速6 3 0 r m i n 时4 5 度裂纹的扭振响应f f t 1 9 哈尔滨：f ：稃大学硕+ 学何论文 0 1 2 0 1 0 0 8 幅 值嘶 幅 值 0 0 4 0 0 2 0 。 jlj l。l 。 i 。 02 04 06 08 01 0 012 014 016 01 8 02 0 0 频率( h z ) 图2 7 转速7 2 0 r r a i n 时无裂纹的扭振响应f f t 图2 8 转速7 2 0 r r a i n 时4 5 。裂纹的扭振响应f f t 转速为7 2 0 r m i n ，8 1 0 r m i n 的f f t 图形和6 3 0 r m i n 相似，只是7 2 0 r m i n 转速下脉冲激励的二倍频峰值进一步增大，低频及其倍频处的峰值略有减小， 高频部分有很多微小峰值不太明显。8 1 0 r m i n 时和7 2 0 r r a i n 非常接近，只是 哈尔滨1 1 ：程大学硕十学位论文 暑 ii 昌 i i ；i i i i i i i i ；i i i i ；i i 昌i i i i i i 昌i ；i i 暑；i i ；i i i 宣宣 有一些工频倍频峰值被脉冲及其倍频峰值所淹没了。 0 1 2 0 1 o q i o 值 o 0 4 幅 值 0 0 - i i - _ j jfj i l j i j l i t 02 0 4 0 6 0 1 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0 频率( h z ) 图2 9 转速8 1 0 r r a i n 时无裂纹的扭振响应f f t 频率( h z ) 图2 1 0 转速8 |