柴油机轴系扭振监测方法研究

武汉理工大学硕士学位论文柴油机轴系扭振监测方法研究姓名胡旭钢申请学位级别硕士专业轮机工程指导教师杨建国20080501武汉理T大学硕士学位论文摘要柴油机作为整个船舶的“心脏”，其可靠性直接关系到船舶的航行安全性，而曲轴作为柴油机最重要的零部件之一，其可靠性则直接关系到整机的安全运转。随着船舶柴油机功率的不断提高，配套式样也愈来愈多，出现严重扭转振动的现象逐步增加，已经成为柴油机动力装置故障的重要原因之一。同时曲轴角振动信号作为柴油机各缸激振力矩的响应，直接反映了柴油机整体的工作状态，对其进行信号分析处理可以获得其工作过程和相关故障的信息。开展曲轴角振动诊断技术的研究，解决信号测量、处理及监测诊断的关键技术对柴油机的状态监测与故障诊断具有重大意义和工程应用价值。本文以新型中速柴油机为研究对象，进行了曲轴轴系扭转振动监测方法的研究，主要包含以下内容1对扭振信号的后处理方法进行了深入的研究，包括插值方法、窗函数的选择，周期平均、齿平均的处理等，通过信号的后处理使用较小的采样频率就可以得到较准确的测量结果，从而降低了采集系统的硬件成本；2开发了一套基于LABVIEW的虚拟扭振测试分析仪，并通过试验验证了其计算精度，满足实际测量分析的要求；3研究了基于NI采集系统的角振动测量方法，该方法具有测量精度较高、硬件成本低、通用性强、测量持续时间长的优点，并能实现角振动信号与其它信号的同步测量；4扭振测量仪可以通过采集大量的柴油机工作循环数，进行稳定工况角振动测量分析以准确地得到故障诊断参数，可利用曲轴扭角振动信号进行柴油机的状态监测和故障诊断；5通过试验结果分析得到05谐次扭振幅值对柴油机各缸工作状态最为敏感，验证了基于05谐次扭振幅值进行柴油机状态监测与故障诊断的方法，并应用于柴油机失火故障的诊断；6利用ADAMSENGINE模块对6L1624型柴油机曲柄连杆机构进行了动力学仿真分析，通过对仿真结果的对比分析，进一步验证了基于扭振的故障诊断方法的可行性，同时也为柴油机工作状态监测与故障诊断方法提供了一些新的思路与参考。关键词扭转振动故障诊断；测量；动力学仿真ABSTRACTASA“HEARTOFTHESHIP，THERELIABILITYOFDIESELENGINEDIRECTLYRELATEDTOTHESHIPSSECURITY,ANDTHERELIABILITYOFCRANKSHAFTDIRECTLYRELATEDTOTHESAFEOFTHEDIESELENGINE嬲ONEOFTHEMOSTIMPORTANTCOMPONENTSWITHTHECONTINUOUSLYIMPROVEOFMARINEDIESELPOWER,MOREANDMOLESERIOUSTORSIONALVIBRATIONPHENOMENONAPPEAREDINSHIPDIESELANDHASBECOMEAMAJORCAUSEOFTHEDIESELFAILUREASTHERESPONSEOFTHEDIESELENGINEEXCITEDBYCYLINDERTORQUE，THECRANKANGLESIGNALSCANDIRECTREFLECTINGTHEOVERALLWORKINGCONDITIONSOFTHEENGINE，SOWECALLGETMUCHUSEFULINFORMATIONABOUTWORKINGCONDITIONSANDFAULTSRELATEDTOENGINEBYTHESIGNALSANALYZINGANDPOSTPROCESSINGITHASGREATSIGNIFICANCEANDAPPLICATIONVALUEOFENGINEERINGFORTHEWORKINGCONDITIONMONITORINGANDDIAGNOSISOFTHECYLINDERBYSTUDYINGTHETECHNOLOGYWITHTHECRANKSHAFTVIBRATIONANDSOLVINGTHEKEYTECHNOLOGIESOFSIGNALMEASUREMENTANDPROCESSINGTHISPAPERSTUDIEDTHEMONITORINGMETHODABOUTTORSIONALVIBRATIONOFCRANKSHAFTONTHENEWMEDIUMSPEEDDIESELENGINEANDLARGELOWSPEEDMARINEDIESELENGINE，MAINLYCONTAINSTHEFOLLOWINGCONTENTS1HAVEANINDEPTHRESEARCHTOTHEPOSTPROCESSINGMETHODSABOUTTORSIONALVIBRATIONSIGNAL，INCLUDINGTHEINTERPOLATION，THEWINDOWFUNCTION，THEPROCESSINGOFCYCLEAVERAGEANDGEARAVERAGEANDSOONWECOULDGETTHEACCURATEMEASUREMENTRESULTSUSEASMALLERSAMPLINGFREQUENCYTHROUGHTHESIGNALPOSTPROCESSINGANDREDUCETHECOSTOFHARDWAREABOUTACQUISITIONSYSTEM；21DEVELOPEDAVIRTUALINSTRUMENTABOUTTORSIONALVIBRATIONBASEDLABVIEWANDVERIFIEDITSACCURACYTHROUGHEXPERIMENT；3RESEARCHEDTHEMEASURINGMETHODOFANGULARVIBRATIONBASEDONNIACQUISITIONSYSTEMWHICHHASITSOWNADVANTAGESSUCH船HIGHERACCURACY,LOWERCOSTHARDWARE，HIGHERUNIVERSALITYANDLONGERDURATIONOFSURVEYING，ALSOTHEANGULARVIBRATIONSIGNALOFCRANKSHAFTCANBEMEASUREDWITHOTHERSIGNALSSYNCHRONIZED；4THETORSIONALVIBRATIONMEASURINGINSTRUMENTCANCOLLECTALOTOFWORKINGN武汉理工大学硕士学位论文CYCLESOFTHEDIESEL，ANDWECALLGETTHEACCURATEFAULTDIAGNOSISPARAMETERSTHROUGHMEASURINGANDANALYZINGTHEANGULARVIBRATIONOFDIESELWITHSTABLECONDITIONANDHAVETHECONDITIONMONITORINGANDFAULTDIAGNOSISBYTHETORSIONALVIBRATIONSIGNAL；5THROUGHTHEANALYSISOFTESTRESULTSFINDOUTTHATTHE05HARMONICAMPLITUDEVALUESISONTHEMOSTSENSITIVESTATETOTHEDIESELENGINEWORK，ANDVERIFIEDTHEMETHODSOFDIESELENGINECONDITIONMONITORINGANDFAULTDIAGNOSISWHICHWASAPPLIEDTOTHEMISFIREFAULTDIAGNOSIS；6HADADYNAMICSIMULATIONANALYSISTOTHECRANKLINKAGEOF6L1624DIESELENGINEBYADAMSENGINENOTONLYVERIFIEDTHEFEASIBILITYOFFAULTDIAGNOSISBASEDONTORSIONALVIBRATIONTHROUGHTHECOMPARISONANDANALYSISOFTHESIMULATIONRESULTS，BUTALSOPROVIDEDSOMENEWIDEASANDREFERENCEFORTHEWORKMONITORINGANDFAULTDIAGNOSISMETHODSOFDIESELENGINEKEYWORDSTORSIONALVIBRATION，FAULTDIAGNOSIS，MEASURING，DYNAMICSIMULATIONII独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学和其他教育机构的学位和证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确地说明并表示了谢意。签名鲨目趔凼日期迎茳上关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后应遵守此规定日期弘7DG5武汉理工大学硕士学位论文11选题背景及意义第1章绪论柴油机作为整个船舶的“动力心脏“，其可靠性直接关系到船舶的航行性能和安全性。如果船舶航行过程中柴油机发生的故障未能及时诊断与修理，将会直接造成巨大的经济损失和人员伤害，如1989年5月上远一集装箱轮在上海至纽约途中，曲柄箱发生爆炸，引起主机停车和四个主轴承烧损，造成全船失控的恶性事故；1996年12月美国“布莱特菲尔德“号货轮航行在密西西比河，主机突然失灵，船舶失去动力，造成船舶撞向河岸的恶性事故。船舶柴油机产生的曲轴扭转振动，一方面会使曲轴及其相关运动件产生附加应力，其值往往超过工作应力的几倍，对附件轴系产生不利影响，另一方面引起船舶推进轴系的扭振，从而激发轴系纵振，影响船舶动力装置的安全性。随着船舶柴油机功率的不断提高，因严重扭振引起曲轴断裂的恶性故障时有发生，扭振已成为船舶柴油机动力系统故障的重要原因之一。当轴系扭振振幅超过正时齿轮齿侧间隙或附加扭矩超过齿轮的平均扭矩时，将造成齿轮齿的反复敲击，加速了齿轮磨损和疲劳损坏，并影响柴油机的配气定时和激起齿轮系的噪声。扭振高次谐波还可能使柴油机出现高频噪声，据薛冬新等研究表明，扭转振动也会使柴油机机械噪声增大。当激振力矩频率与曲轴轴系固有扭转振动频率相同时，还会产生“共振“现象，放大了扭转振动振幅，增加了轴系的扭转应力，引起轴系各种故障，或造成其他附件的工作异常，严重时会引起曲轴断裂等严重事故。轴系扭振对柴油机的影响主要有以下几方面F1【2JI3J1扭转振动、弯曲振动、纵向振动及其相互耦合使曲轴在交变负荷下运行，长期作用易引发曲轴断裂等严重故障；2曲轴振动通过主轴承座传递给机体，由其表面产生辐射噪声。研究表明，机体表面的噪声辐射占整个柴油机噪声辐射声功率的65左右3柴油机的许多附属机构均直接从曲轴获取动力，如配气机构、燃油喷射等系统，曲轴振动将引起配气相位、供油定时、供油量等变化，使各缸工作不均匀，加剧了整机振动，降低了柴油机性能。武汉理下大学硕士学位论文船舶柴油机常见扭振损坏表现有1离合器、弹性联轴器、减振器和连接法兰等轴系连接部件损坏；2水泵、油泵等附件连接轴的扭转疲劳断裂；3曲轴扭转性疲劳断裂或轴系中局部过热；4齿轮传动部位发生齿击、点蚀、噪声和轮齿折断；5凸轮轴发生扭转性疲劳断裂和高压油泵栓塞咬死；6曲轴发生严重松动、错位现象；7动力装置发生纵向和横向振动。船舶柴油机是一种复杂往复式动力机械，零部件多且相互关联，船舶航行离岸作业和长时间工作，工作条件恶劣，发生故障的可能性大，据船舶机械故障的统计分析表明柴油机故障约占船舶机械故障80以上。由于柴油机辅助系统多，出现的故障种类多，且存在不确定性，仅靠单一诊断方法进行柴油机的实时监测难度大。据有关资料统计，船舶柴油机典型故障涉及到多系统，各系统又存在着多种故障，当出现某一故障征兆时，由于诊断参数和状态参数间的模糊性，即使发现故障也很难确定故障原因，这就决定了船舶柴油机具有诊断对象多，故障多样化，故障与原因间的关系复杂、故障信号检测困难的特点。传统的事后维修和定时检修方法已不能满足要求，许多故障很难靠人的感觉和经验检查出来，需要采用监测和诊断方法进行诊断。随着传感器技术、测试技术、信号处理技术及计算机技术等的不断完善，为柴油机监测诊断技术提供了技术手段。通过轴系角振动信号诊断柴油机故障的方法是一种比较故障的振动诊断方法。柴油机曲轴角振动主要由各缸气体压力的激励以及曲柄连杆机构往复作用力作用而产生，直接反映了柴油机的工作状态，通过对曲轴角振动的分析可以获得柴油机工作过程和相关故障的丰富信息。开展曲轴角振动诊断技术研究，解决轴系角振动信号测量、处理及监测诊断等关键技术，综合评价其各缸的工作状态，实现船舶柴油机的在线监测与诊断，对于保障船舶安全可靠地运行具有十分重要的意义。扭振测量是船舶柴油机检验的重要检验项目之一，它不仅可判断新机型在试制、改进过程中扭振特性是否达到规定标准，共振频率是否合适，振幅、扭矩和扭应力是否超过许用值，还可检验加工、装配过程中，各工序、各部件是否存在缺陷。扭振的理论计算方法经历了近I00年左右的发展已经比较成熟，但由于船舶柴油机结构的复杂性和运转过程中动态环境的多变性，轴系的激振2武汉理|工人学硕士学位论文力矩以及轴系的阻尼参数难以准确确定，因此大多采用经验公式，在实际计算中会使扭振计算结果出现较大偏差。为了对轴系的扭振做出正确的评价，避免柴油机轴系摇振破坏事故酶发生，不仅在设计阶段应进行详细兹翘振计算，还需要进行船舶柴油机的扭振测试。理论分析和计算结果必须经过实际测试的检验，若两者不楣一致，则必须以实测结采来修正理论计算结论。这在各国船规中已有明文规定“扭振特性的审查内容包括理论计算和实测结果，若两者不同，则以实测结果为准。“12相关技术的国内外研究现状柴油机曲轴角振动主要是由各缸气体压力的激励以及曲柄连杆机构往复作用力作用而产生，直接反映了柴油机的工作状态，通过对曲轴角振动的分析可以获得柴油机工作过程和相关故障的丰富信息。霸前在国外，如美国、德国、日本和法国等国家的学者进行了用角振动信号推算缸内压力变化等研究。国内华中科技大学、武汉理工大学、海军工程学院、浙江大学以及霹南交通大学等高校进行了利用曲轴角振动信号诊断柴油机故障的研究1415】161171。从上世纪80年代以来，剩用装轴角振动诊断柴油概赦障的研究取得了进展，发展了波形分砉蓐法、诊断模型法、多特征综合法和扭振信号反演法等多种分析方法，可进行柴油机王作过程监测简易诊断、故障失火缸号判断和各缸做功均匀性诊断等不同类型和不同层次故障的诊断1819瑚。波形分析法LFL2】F131【141是通过直接分析角振动信号的波形，从中提取柴油机故障信息的方法。其基本思想是以正常王况的蕉振动信号波形为基准，通过比较待检信号与正常信号的波形来实现其状态监测。此方法虽能判断柴油机是否运转正常，僵不能判断赦障部位以及故障原窭，只能对柴漆机的故障进行简易诊断，诊断参数包括各缸做功冲程瞬时转速波动增量血、瞬时转速上升段的平均加速度、瞬时转速相邻两波峰值之差或两波谷傻之差、连续上止点处瞬时转速差值、瞬时转速的互相关分析值、发火时瞬时转速的波动、扭转振动波形的峭度、燃烧膨胀行程对应曲线的砸积积分、曲轴瞬时角加速度波动增量等。在轴系扭振振幅不大时上述参数可判断故障缸。但当缸数较多、发火间隔角较小、扭振振幅大时，各缸相互干扰大，判断出错的概率较大。诊断模型法ITSIT6瑟跫是通过建立柒油机趣轴豹刚体动力学模型，根据益轴角3武汉理工大学硕士学位论文振动估算各缸气体压力，进而判断各缸是否存在故障。这种方法假设曲轴为刚体，或只考虑单缸机模型，未充分考虑曲轴扭振的影响，因而不适用于存在明显扭振的曲轴轴系。多特征综合法【18】【19】【20】【2LL先对瞬时转速信号进行各种变换，然后提取与故障有关的特征参数，最后通过某种模式识别方法将待检模与基准模进行比较识别故障。目前各种多特征综合法中，灰色关联度分析法应用较多。神经网络也被用于曲轴角振动诊断的多特征综合法中。多特征综合法虽具有计算量小、不需要轴系结构参数的优点，但需要建立起可靠的故障标准模，而各种标准模的获得需要依靠经验或大量实验，工作量很大，故障的种类和程度均难于模拟，且只适用于某一具体机型，将其进行工程应用还需作大量的工作。扭振信号反演法【221123】是建立轴系扭振的动力学模型，利用扭振信号反推各缸缸内压力以诊断各缸做功均匀性的有效方法。常用的反推方法有两种，一是基于解析分析的反推方法，采用测量某一惯量的扭振角位移，按轴系实际的弹性模型，反算各缸平均有效压力，进而定量判断各缸的做功状况。如果能获得轴系刚度、惯量、阻尼等有关结构参数，通过测量轴系的瞬时转速，就可算出各缸的做功状况。其诊断精度取决于轴系结构参数的准确程度。另一种反推方法基于模式识别方法，即利用做功系数反映做功冲程压力的大小，将做功系数代入扭振计算方程计算扭振角位移，用计算扭振角位移和测量扭振角位移相减得到相对误差，利用相对误差修正做功系数使误差最小，得到的做功系数就代表各气缸的燃烧状态。由于在诊断过程中需要进行收敛运算，诊断速度很慢，同样，这种方法的诊断精度受到轴系刚度、惯量、阻尼等结构参数准确程度的限制。利用角振动信号监测诊断船舶柴油机的工作状态，需要准确地测量角振动信号。扭振测量技术的发展经历了从机械式到电子式，从接触式测量到非接触式测量的过程。上世纪七十年代以前，扭转振动测量仪器基本上以惯性式扭振仪【25L为主的传统仪器，如机械式盖格尔测振仪图21、DVL测振仪和电阻应变式测振仪等。这类仪器性能可靠、测量稳定，在船舶柴油机扭转振动测量中起到重要作用。但结构复杂、成本较高、安装难度大，且分析工作由人工完成，分析结果受主观因素影响大，精度较低。4武汉理工大学硕士学位论文I童曩I带盘2慢性轮3扭簧4，5直角杠杆6顶杆7，8时标振子9，II卷纸筒LO记录纸12记录笔13可调支座14弹簧15机壳16轴承图II盏格尔扭振仪原理图随着电子技术及计算机的发展，相继出现了以非接触式扭振仪F26JF27J为代表的扭转振动测量仪器，如国产FN一1型扭振仪、美国ATLANTA25242型扭振仪、英国AETV一4型扭振仪、丹麦DISA公司51BOO万能指示组合扭振等测试设备。这类扭转振动测量仪主要配备了磁电或光电传感器和测量齿盘，采用磁电或光电脉冲原理测量分析扭角，测量原理如图22所示。传感器结构简单，安装方便，且能与以微处理器为核心的仪器配套，实现了扭振波形的自动采样、分析和记录。这类仪器受软硬件条件限制，分析功能有限，如综合振幅及各谐次振幅随工作转速的变化曲线、扭振三维谱阵图等稍复杂的分析仍需人工完成，且大多价格昂贵。图I2模拟式扭振仪上世纪九十年代，开始研制基于数字信号处理技术的数字式扭转振动测量仪，如比利时LMS公司的QTV扭振测量模块，如图23所示。这类仪器充分利用了计算机的软硬件资源，把过去靠人工完成的角振动测量分析工作由计算机自动完成，但这种测量仪器硬件多，对数据采集卡的要求高，价格昂贵。同时，激光技术【28J【29】也在扭转振动测试中得到应用，如丹麦BK公司的2523型激光扭武汉理T大学硕十学位论文振仪。激光扭振测试仪的特点是用光学探头和激光反光带代替磁电传感器和测量齿盘，安装方便，但测量设备价格昂贵并对环境要求苛刻。被测轴图卜3数字式扭振测试仪随着虚拟仪器技术的逐渐成熟，以其独特的优势被越来越多的应用到试验测量中。与传统测量仪器相比，减少了测量所需要的硬件，且数据传输简单、现场调试方便，用户可以根据个人需要开发相应的功能模块，成本也大大下降。同时以计算机为核心构成的测控系统，加上接口硬件板卡，可开发界面友好的测量分析软件。13本文主要研究内容论文的主要研究工作是解决柴油机曲轴角振动诊断系统研制中，在信号测量、信号处理以及故障诊断方法等关键技术上存在的难点，主要包含以下内容1按照软件加通用硬件替代专用硬件的虚拟仪器设计思想，基于LABVIEW平台开发了一套扭振测量虚拟仪器。为校验虚拟仪器的准确性和实用性，对两种不同型号的柴油机进行了角振动测量。2进行了扭振信号处理方法的研究。通过对原始信号进行多项式插值，对信号进行了加密重采样，较低采样频率采集到的信号就可以得到准确的测量结果，不仅降低了采集卡的要求，使硬件成本大大降低，同时经过插值处理减小了信号由于齿形齿距误差引起的干扰，再通过后续的齿平均、周期平均处理以及低通滤波器的使用，使干扰信号得到了有效的抑制。3曲轴角振动简谐诊断法根据曲轴角振动信号中O5谐次扭振幅值对于柴油机各缸工作状况最为敏感的特点，进行了基于O5谐次扭振的柴油机故障诊断方法的探讨性研究，并通过6L1624型柴油机的故障模拟试验验证了这种诊断方法的可行性。4曲柄连杆机构的动力学仿真6武汉邂王大学硕士学位论文通过ADAMSENGINE模块建立了柴油机曲柄连杆机构的动力学仿真模型，进行了相应的动力学仿真分析，把得到的翘振响应与实测结果进行对比，验证模型的合理性。论文整个思路如图L4所示，首先根据扭振测量原理在LABVIEW平台上开发一套虚仪扭振测量仪，并根据6L1624型柴油机和4108型柴油机的扭振测量结果验证该仪器的测量精度，若结果不合理，则修改程序再次验证；同时利用三维建模软件PROE建立益轴轴系各个部分的实体模型，剩用MSCPA红AN和MSCNASTRAN对曲轴进行模态分析，根据生成的模态中性文件将MSCADAMS中的剐性曲轴置换成柔性体，施加相应的载蘅和负载，对趣柄连轷机构进行多体动力仿真分析，同时测量6L1624型柴油机在正常和故障状态下的扭转振动，获取相关的特征参数，对比仿真计算与实测结果，如果结果合理，则进行后续的故障诊断与分析，若不合理，黉LJ进行模型的修蓬，保证仿真模型的准确性；最后利用该模型模拟柴油机在故障状况下的扭振响应，提取有用的扭振信息，研究柴漓枫故障时扭转振动的特征，为基于扭振鹩柴油机敌障诊断系统的开发提供基础。图14技术路线流程圈7武汉理工大学硕十学位论文第2章扭振测量仪的开发本章主要介绍扭振测量原理、信号处理方法以及基于LABVIEW扭振测量仪的开发等研究内容。21LABVIEW开发平台LABVIEW是美国NI公司推出的虚拟仪器开发平台，具有直观简便的编程方式、众多源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达等功能。LABVIEW特别适用于实验室、多品种小批量等需要经常改变功能的仪器。与传统的编程语言比较，LABVIEW图形编程方式可节省850以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响。用户可将原有的带有RS232接口的仪器、VXI总线仪器以及GPIB仪器通过计算机，联接在一起，组成各种各样新的仪器系统，由计算机统一管理和操作。LABVIEW可从交互式图形前面板控制测量系统和显示结果，提供用户界面、IO、数据分析及指定应用程序的连接，如简单数据连接、监控和数据采集及对PID的直接控制。提供的图形化编程功能既易于使用又具有一定灵活性。以计算机为核心构成的测控系统，加上接口硬件板卡的配合，其应用将越来越广。基于LABVIEW特点，选择其作为扭振测量仪的开发平台。22扭振测量原理轴系旋转时其瞬时转速的波动就是扭转振动的一种表现形式。若无扭振，轴系的瞬时速度等于其平均速度，轴上齿轮盘也是匀速转动，传感器输出每齿一个脉冲信号的重复周期是相同的。轴系发生扭振时，相当于在轴系平均速度上叠加了转速波动，则传感器输出的脉冲序列就是非均匀间隔，而是一个载波频率被扭振信号调制的调频信号。根据转速的波动量即可求出经过每一个齿轮分度的扭转角度，通过积分可计算轴系角振动。设轴系旋转一周的时间为乙，则平均速度为行，竺PNIL1111N21行L，1一L，。，。8武汉理工大学硕士学位论文或IC专，MINFL，2，3，22V扫L其中为齿轮的齿数，为第I个齿的瞬时转速，再测出转万个周期的时间为丁，则齿轮经过每个齿轮分度时轴向前或向后的扭角为Q6X一，乃23式中正为经过每个齿轮分度所用的时间，则可计算齿轮转过，个齿轮分度时轴向前或向后的扭角为式24够F只西FF6一NCR,DT圭6啊一正L，2，3，RIG24由原始信号到扭振计算原理框图如图21所示。图21扭振测量原理23信号处理方法研究由于扭振的测量是一种间接测量，需要对原始采样信号经过一系列后处理才能获得轴系的扭振测量结果。用磁电法测量瞬时转速的原始信号，然后对其进行多项式插值、滤波、整周期平均、齿平均等处理，采用零值点法提取轴系的瞬时转速，最后对瞬时转速积分获得扭振的测量结果。231多项式插值侧插值法是信号处理的常用方法，如果不能获得函数的解析表达式，或表达式过于复杂，常常用数据表格来表达函数间的关系，如表21所示。它确定了自变量与因变量间的函数关系，可以通过数据表推算未观测到的函数值，即根据所观测的数据构造一个适当的简单函数近似代替所求的函数，这就是插值法。9武汉理1大学硕士学位论文表21数据表格函数关系X而毛YFXFXO而FX。设函数YFX在区间【口，B】上有定义，且已知Y在N1个互异节点上的值为儿，YL，乩I此，若存在简单函数PX，使MP薯F_O，L，以成立，就称P砖为X关于节点，而，XN的插值函数，点XO，而，而。，XN称为插值节点，包含插值节点的区间【口，6】称为插值区间，LF百FX称为被插函数，求插值函数PX的方法称为插值法。若PX为不超过N次的多项式，即PXAOQXX”25其中，QF_0，1919刀为实数，就称PX为插值多项式。最简单插值法是两点线性插值方法。对给定两个不同点T，M，扛0，1，求插值多项式墨X满足1日功的次数不超过1；2乃五，FO，L。显然，可以取五X为过薯，M，J0，1的直线。设鼻DAOATX26把已知的两点坐标代入上述方程，可得AOA而砒271LZ，JL“O7ALXI2YL而，就可以解出AO，AT。由于两点间斜率为苎二丛，可将直线表示为点斜式西一丑XYO必一XO28用两点式，则表示为10丑石玉YI三叠29XO一而工LXO用正Z近似地代替被插函数FX，其几何意义如图22所示。通常，记式中的两个线性函数为TOX卫，210XO一而矽立丑211LO武汉理工大学硕七学位论文图22线性插值的几何意义并称厶X为上的一次插值基函数，L为而上的一次插值基函数。插值基函TOX，X在对应的插值节点取值L，其余插值节点取值0，且次数不超过L，如表22所示表22一次插值基函数在XO，而上的取值存而而函数值LOX10厶X0L图23为一次插值基函数的图形。由表22和图23可以看出两个基函数的性质。插值函数实质上是插值基函数700和Z的线性组合，组合系数是对应点上的函数值。焉西弓XL图23线性插值基函数图形线性插值仅使用了两个节点，精度较低，而使用三个节点，通过三点可以构造一个二次多项式，即一个二次抛物线函数，拉格朗日三点插值，又称为抛物线插值。与线性插值相似，对给定三个不同点薯，咒，江0，L，2，要求插值多项式罡功满足武汉理工大学硕士学位论文1最X的次数不超过2；2M昱一，FO，L，2。显然，可以取昱0为过，咒，FO，1，2的一条抛物线。设最XGO口IXA2X2212把已知的两点坐标代入上述方程，可得FQ粕口2露儿口0口L五A22XI2M213【口L屯02X22Y2由于三点要求是互异的，所以就可以解出其中的系数。另外，也可以通过构造抛物线插值的基函数求只X的表达形式。插值基函数在对应的节点上取1，其余取0，如表23所列。表23抛物线插值基函数在XO，而和屯上的取值点而而屯函数值厶XL00厶X0L012X0OL由表23可知，LOX有而，X两个零点且它的次数不超过3，故IOX有因子一而XX2，同理，IX，12X也有类似的形式。这样，罡X可以表示为BXYO厶J，LITY2，2W景熊等研罱然等垤雨XX丽O“X而X1QJ4图24中的A，B，C分别是基函数70X，“X和，X的函数图形。抛物线插值用到了三个节点，简单、直观，但精度仍然不够高，如果把所有已知的刀个点都用来构造近似插值多项式，显然可以有更高的精度。设有N1个节点JLII仃JL2019I敝力，钟缈LDFLIO夕3一月。隔话哪图216窗函数频域指标表24几种典型窗函数的性能比较主瓣3DB带宽等效噪声带宽旁瓣幅度旁瓣衰减率窗函数类型1T或D1T或AFDBDBDECADE矩形窗O8910一1320三角形窗1281332760汉宁窗1441233260海明窗1301364220高斯窗1551645520凯塞一贝塞尔项窗372377936O2LO柏鹄M1一一D鲁VI毛皇11食武汉理工人学硕十学位论文2342窗函数选择为了分析不同窗函数对测量分析结果的影响，以选取合适的窗函数，对测不同窗函对比LMS_HANNING胃INDDLABVIEW_NOWINDOWT0140120IC008捌O蓬端。人一0顿1J、一一UUZV埘U一”I”一LZL卜一LU一一1口口一一一一一QJ频率HZ图219不同窗函数计算结果的对比汉宁窗与布莱克曼窗武汉理工大学硕士学位论文通过上述分析可以看到，不同的窗函数对计算结果有一定影响，从其对比图可以看到，矩形窗的主瓣宽度最窄，但过渡频段分量较大平顶窗时主瓣最宽，其余窗的主瓣均较窄，且过渡频段基本上衰减快，综合考虑两个因素以及与QTV的对比结果，采用汉宁窗比较合适。24扭振测量仪的开发扭振测量分析仪的软件设计框图如图222所示，主要包含信号采集模块与数据后处理模块。信号采集模块主要采集原始信号；数据后处理模块主要对原武汉理I大学硕十学位论文始信号进行后处理，其中包括信号加密重采样、瞬时转速计算、扭振计算和计算结果保存等。参数设臀J数据采集I1等谐次数1据FL隐I“J瀑布图趸雨丽耵LL保存，杠线处理等帅柄转茄化数据后处理图222扭振测量仪分析软件设训框图图223程序主界面J0骱“FJ，H据理述域域撇L强10惴JI，删值LO贼。瓜信噼M扭武汉理F大学硕士学位论文程序主界面如图223所示。其中信号采集模块主要包括采集通道设置、采样参数选择、实时显示轴系的平均转速。数据后处理模块分为参数设置与图形显示部分。参数设置主要包括柴油机飞轮齿数、采集通道号、谱分析类型、幅值显示形式、各谐次幅值保存路径设置以及需要保存数据的选择等。图形显示包括瞬时转速、扭振时域、频域以及谐次波形等曲线图。信号处理将原始信号转换为柴油机瞬时转速、飞轮端扭振等曲线。当原始信号在零点附近波动时，用低通滤波器使原始信号在零点附近平滑过渡。当需要将瞬时转速或扭振时域信号转换到随曲柄转角变化曲线，需要进行曲柄转角转化处理。还可根据需要显示各谐次扭振幅值随转速变化曲线和瀑布图等，以确定扭振共振点。25小结本章首先简单介绍了利用LABVIEW开发扭振测试仪的优势以及扭振计算原理，重点研究了对扭振原始信号的信号处理方法，包括插值方法、窗函数的选取，周期平均、齿平均的处理等，在此基础上开发了基于LABVIEW的扭振测试仪，并对开发原理以及测试仪界面作了简单的说明。武汉理工大学硕士学位论文第3章扭振测量仪的试验验证本章主要介绍所开发的扭振测量仪的试验验证，分别采用LMS公司的SCADAIII数采系统QTV扭振测试模块和NI公司PXI数据采集系统进行了扭转振动的测量，并以QTV为准验证扭振测量仪的测量精度。310TV扭振测量模块介绍比利时LMS公司的SCADAIII数采系统的QTV模块是高精度扭转振动测量系统，它取代了传统的计数器法或模拟式频压转换法，利用ADCDSP组合测量轴系的瞬时转速，QTV最恰当的定义是数字式频压转换器。QTV由两个模块组成其电压输入调理模块确保100KHZ模拟信号带宽，用于对转速信号的调理、放大或衰减，以保证SP90模数转换模块的正确采样；过零检测和RPM变化量模块计算则通过一高性能数字信号处理器DSP在数字域内实现。QTV结构原理如图31所示，它说明了QTV如何将模拟式转速信号转换为高精度、高带宽RPM变化量，图中只给出了一个通道的框图，实际上QTV模块有四个通道，能同时对轴系四个不同部位进行扭振的测量分析。鬻剧抗混滤波H砌换纠力霈鬻纠线性插值变化量毋广1钱|工删阻拉格朗口插值图310TV结构原理图包含扭振信息的转速信号首先输入到一个高带宽的模拟调理电路，电路中能够选择适当的放大或衰减因子，也可输入到一高通滤波电路，但一般情况下不推荐这样做，因为它会引起相位失真和不必要的瞬态响应。抗混滤波器与24位、2048KHZ的采样频率模数转换器可保证精确的原始转速信号采集。然后由DSP对采集信号进行运算处理和后处理。对ADC输出数据进行加密重采样，这个过程相对简单，利用基于有限冲激响应FIR的插值滤波器，可以保证运算过程准确。然后，对加密重采样后的数据进行零位检测。达到上述采样间隔后，武汉理工大学硕士学位论文利用拉格朗日多项式插值法再进行插值，此时对原始转速信号的估计精度比最初ADC采样率仅为2048KHZ49PS时间分辨率有了较大的提高。最后，对拉格朗日插值后的采样信号再进行零位检测，查找其“、“一“值的转换点，并用线性插值法确定精确的过零时刻。由于最后一步的线性插值是在很高的重采样后进行的，可以认为输入数据具有极好的线性度，它有效地保证了RPM精度。仿真处理表明，理论上QTV处理的时间分辨率等价于工作在几个GHZ的计数器。QTV与传统的计数器法比较，主要有两大性能差别1QTV的相对误差对于所有频率都是常数，这是因为零位估计的误差只与信号周期有关。而计数器的相对误差则随频率的增加而增加，它可以表示为厅甲RE仁11CLOCK3IY6T其中，绳信号周期，而兀磁则是计数器的分辨率。上式说明计数器的绝对误差正比于厂2，而QTV的绝对误差与频率成线性关系，尤其对更高的频率而言每转的脉冲数较多，QTV的优点非常突出。这种情况的绝对误差为彳驯“纪一一，聊吉譬证五丽60322噪声抑制。由于高频计数器本身属于一种超高带宽的装置，模拟输入的宽带噪声是重要的影响因素。零位附近的幅值噪声直接转换为相位噪声，导致检测精确过零时刻的不确定性增加。而QTV滤除了高于鲁的所有噪声，过零时刻的估计会非常精确。32测试系统及测试工况测量系统的构成如图32所示，主要由测速齿盘、磁电式传感器、装有QTV的SCADASILL采集单元、PXI数据采集系统及计算机构成。测速齿盘一传感器系统作为信号拾取系统，产生与轴转速相关的电压脉冲信号，通常情况下为类正弦信号，其电压信号直接连接到QTV通道内，并由QTV计算轴系的瞬时转速。由于被测柴油机飞轮上已有相应齿，不需要安装测速齿盘。安装传感器时，注意传感器应与被测轴的支承相连，以避免传感器与被测轴间相对运动而造成的测量误差。传感器输出的电压信号通过BNC接头连接到QTV通道。27武汉理工大学硕士学位论文利用QTV模块对柴油机飞轮端各工况进行扭转振动的测量，同时利用PXI系统对同一路信号进行采集。为了找出不同采样频率对测量结果的影响，在PXI系统中分别设置50KHZ、80KHZ、100KHZ、150KHZ、200KHZ、300KHZ、400KHZ、600KHZ、800KHZ、1MHZ的采样频率采集信号，为了对LLQTV不同采集参数对测量结果的影响，设置了50KHZ、100KHZ、200KHZ三档采样频率、TIMESPECTRUM位移、速度、RMSPEAK方式采集信号。L、PXI测试系统测试工况测试工况如表31所示。1转速1000RMIN。0负荷采样频率分别为50KHZ、80KHZ、100KHZ、150KHZ、200KHZ、300KHZ、400KHZ、600KHZ、800KHZ、LMHZ采样频率；2转速从最低转速开始从800RMIN到1500RMIN每隔50RMIN稳定测量一次，采样频率设为200KHZ；2、QTV测试模块测试工况1转速1000RMIN，空载工况下参数设置如表31所示；2转速1000RMIN到1500RMIN每隔50RMIN稳定测量一次，采样频率设为200KHZ，SPECTRUMRMS，4KHZ；表31测试工况表50KLTZ不同的采样频率100KHZ分析频率设为4KHZ200KITZTIME结果数据SPECTRUM不同的谱结果RMS相同采样频率200KHZPEAK2KHZ不同的分析频率4KHZ8KHZ武汉理工大学硕士学位论文33试验结果分析331不同采样频率的测量结果由QTV的测量原理可知，测量精度取决于拟台曲线与实际电压脉冲曲线在基准电平处的接近程度。采样频率越高，采样点越接近基准电平，测量精度越高。但采样频率越高，所需时间和硬件成本也相应提高。在满足测量结果精度要求，采样频率应尽量取较小值。刚有三档的采样频率可供选择，分别为50KHZ、100KHZ和200KHZ，试验对象为4108型柴油机，转速为1000RMIN，测试结果如图33、34所示。睇嚣就LCUVEI引嚣荆嚣N硝霸幂止粤1，引黑图33原始信号的采样频率分别为50K与100K绿色为LOOKL；黜揣篇韶L_CXRFFRON1；I1雌M融一共4M口200图34原始信号的采样频率分别为100K与200K绿色为200K武汉理工大学硕士学位论文由图33和图34可以看到，对于中高速柴油机4108型柴油机的额定转速为1500RMIN，100KHZ的采样频率已完全满足测量分析的要求。332不同分析带宽的测量结果为了比较不同分析带宽对扭振测量结果的影响，分别用2KHZ、4KHZ、8KHZ分析频率对同一工况同一转速下柴油机飞轮端的扭振进行了测量测量对象为4108型柴油机，转速为1000RMIN，O负荷，测量结果如图35所示图中红色曲线为2KHZ的分析频率，绿色为4KQZ的分析预率，紫色为8KHZ的分析频率，为便于对比，截取了前200HZ的曲线值。50020000图3_5不同分析频率的测试结果从图357以清楚看到。分析频率对分析结果影响不大。当柴油机以I000RMIN运行时，基频相当于166HZ166RS，对于扭转振动的谐波分析，主要关心低谐次幅值的变化如分析前20谐次的扭振，其分析频率达到332HZ即可满足分析要求，困此只需2KHZ分析频率就可以满足扭振的分析要求。333测量稳定性分析为了保证测量结果的可靠性以及测试系统的稳定性。对于柴油机同一转速不同时刻进行了试验测量，测量对象为6L1624型柴油机，测试工况为空载，转速为740RMIN一1000RMIN，测量结果如下列国所示图中红色曲线代表转速上升过一麟武汉理大学硕士学位论文武汉理人学硕七学位论文由上述对比图可以看到，OTV扭转振动测量结果具有良好的稳定性，由于柴油机运行状态受诸多因素的影响，包括进排气质量、供油状况以及外界某些因素的影响，转速存在不同程度的波动，且测量过程为人为控制，尽管每次都在转速相对稳定的条件下测量，但仍会给测量结果带来一定偏差，从上述图中可以较明显看到各谐次的扭振幅值都能保持一定的稳定性和变化趋势，QTV的测量结果稳定可信。34扭振测量仪的试验验证341测试结果与计算结果的对比为了能够比较准确的验证计算结果与测试结果之间的一致性，对4108型柴油机和6L1624型柴油机两种型号的柴油机进行了扭振测量的试验。34114108型柴油机1各转速的频谱对比12武汉理工大学硕士学位论文在4108型柴油机试验台上进行了不同转速的扭振测量分析，图312“317是不同转速柴油机扭振频谱的对比。图312扭振频谱的对比1150RMIN图313扭振频谱的对比扭振频谱图1250RMIN吣测量结果一LABVIEWT。算结果OI0O趔饥伽H疆馨0。蛇、昼龋J蠢J一J7I一AOIOO帅70帅ILIO1201300L鲫频牢HZ图314扭振频谱的对比1250RMIN武汉理JL人学硕士学位论文图315扭振频谱的对比1300RMIN扭振频谱图1350RMINF二面S测量结桌_涵0I豳隧1O07OO050O04K趔L馨OOIA膏一匕一|JI一OJ刚匕A，一J【孟INJN如N一一蚍J岫一一TLLL一1址J如一JN一坳一R一一一一一一。一频率HZ图316扭振频谱的对比1350RMIN图317扭振频谱的对比1400RMIN对比4108型柴油机在各转速下的扭振频谱，扭振测量仪的测量结果与QTV扭振测量的结果基本一致。扭振的各频率成份和幅值在较小的范围内波动。342各谐次谱对比武汉理工大学硕士学位论文。4差。1115000RPM141000TACHOLT1A备谐次谱图NT0羽OSO“0皓G0促孽、OOLS。、00L、O4儿柏LL的LL的I痂O12M12柏12JO12曲1300L嘲1313JO13的L而0L幻IT转逮RMIB图31805谐次扭振随转速变化曲线AEMS测量结果、BLABVLEW计算结果35武汉理工人学硕十学位论文备谐次谱图INOT0【卅OI一ON、O住O11OI目0孽OOB0舛、O1N佶、JL柚IL的LL吾OL蛳I嘲12柚L瘟O12的13砷13细13帕13I0LL伽转速RILLA，B图31910谐次扭振随转速变化曲线ALMS测量结果、BLABVLEW计算结果备谐次谱圉LPLOTOM01201LOIOO譬O町O、，O05、OO、。LL们LL的LI的12的12幻L嫡OL痂12的X3IMT3幻13幻L如13的IT砷T幻转速RAANB图32020谐次扭振随转速变化曲线ALMS测量结果、BLABVLEW计算结果武汉理T大学硕士学位论文图32140谐次扭振随转速变化曲线ALMS测量结果、BLABVIEW计算结果通过对比各谐次频谱随转速变化的曲线，除了在05谐次之外，其余谐次基本保持变化趋势和扭振幅值一致。对于05谐次幅值，由于其随机性较大，两种扭振测量仪均存在较大的误差，对于整谐次的频谱变化几乎完全一致。通过QTV测量结果的试验验证，开发的扭振测量仪的测量精度和一致性满足扭振的测量精度要求。3瞬时转速对比瞬时转速是扭振测量计算的基础，在4108型柴油机试验台进行了转速为1000RMIN，0负荷的扭振测量分析。图322是QTV的扭振测量结果，图323是扭振测量仪的测量结果，柴油机瞬时转速的波动基本一致，瞬时转速的波动量分别为33