摘 要

柴油机在整个船舶中占据着如同“心脏”的重要位置，随着船舶大型化的发展，船舶轴系所传递的扭矩越来越大，而轴系的相对刚度却明显下降。于此使得大型船舶轴系出现严重扭转振动的概率大大增加。而同时出于对船舶运输经济性的考虑，必须保证船、机、桨的最佳匹配，因此，进行船舶推进轴系扭振及轴功率的测试具有非常现实的意义。

本文是对扭转振动测试方法进行分析设计，选取用“非接触式扭振测量法”的原理和方法，以虚拟仪器作为软件设计平台，设计了一套扭振测试系统软件，包括信号采集模块、计算模块、信号分析模块、信号存储模块以及试验验证等功能。每个功能模块均通过独立编程实现相应的功能。最后，在试验台进行测试分析，得到结果表明所设计的软件达到了使用要求。

关键词：船舶轴系；扭振振动；虚拟仪器；

Abstract

Along with the development of large Marine diesel engines in the ship occupying important position as the "heart", along with the development of the ship's large-scale, passed by the ship shaft system, the torque is bigger and bigger, and the relative stiffness of shaft system is markedly reduced, the making large ship shafting greatly increases the probability of severe torsional vibration. And out of consideration for shipping economy at the same time, must ensure that the best match between ships, machine, blade, therefore, of ship propulsion shafting torsional vibration test and shaft power has very realistic significance.

This article is the analysis of the torsional vibration test method design, selection with "non-contact torsional vibration measurement method" the principle and method,with virtual instrument platform for software design, design a set of torsional vibration test system software, including signal acquisition module, calculation module, signal analysis module, signal storage module and test, and other functions. Each function module are through independent programming to realize the corresponding function. Finally, in the test bench test analysis, the results show that the software is designed to meet the use requirement.

Key Words: ship shafting ; torsional vibration ;Lab VIEW.

目录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 论文的主要研究内容 4

第二章扭振测试的原理 5

2.1扭振测试原理 5

2.1.1脉冲时序法 5

2.1.2激光测量法 6

2.2扭振测试方法 8

2.2.1 扭振方法比较 8

2.2.2扭振测试方法选择： 8

2.3 本章小结 9

第三章信号分析方法 10

3.1信号平均处理 10

3.2扭振信号提取 11

3.3频域分析 13

3.4阶次分析 14

3.5本章小结 15

第四章扭振测试分析仪设计 16

4.1 软件总体设计 16

4.2虚拟仪器介绍 16

4.2 测试分析仪功能需求 16

4.2.1扭振计算： 16

4.2.2用户界面需求： 17

4.2.3存储要求： 17

4.3 功能模块设计 17

4.3.1数据采集模块设计 17

4.3.2扭振计算模块 19

4.3.3信号分析模块设计 19

4.4 软件界面 20

4.5 程序验证 22

4.6本章小结 22

第五章试验分析 24

5.1试验台架 24

5.2试验方案 24

5.3数据采集 24

5.3.1硬件配置 24

5.3.2设置采样率 25

5.3.3数据采集 26

5.4 信号分析 26

5.4.1频域分析 26

5.4.2阶次分析 28

5.5 试验结论 30

第六章总结与展望 31

6.1总结 31

6.2展望 31

参考文献 32

致谢 34

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

轴系作为船舶动力装置的重要组成部分，承担着将主柴油机产生的功率向外输出给螺旋桨，带动螺旋桨旋转，同时将螺旋桨旋转产生的推力通过推力轴承传递给船体，来推动船舶航行的重大任务[1]。而随着当前对运输效率和经济性的要求，向大型化发展越来越快，发动机功率不断提高，发动机与轴系的配置愈来愈多样，这使得轴系传递的扭矩越来越大，而轴系的相对刚度却明显下降，于此使得大型船舶轴系出现严重扭转振动的概率逐步增加，逐渐成为船舶动力装置故障的重要原因之一[2]。

作为现代大型动力的往复式柴油机，其功率输出是通过曲柄连杆机构将活塞的往复运动转变为曲轴的回转运动进行的，在运转时会产生各种不平衡的惯性力，再加上柴油机间歇性的喷油与燃烧冲击，其输出的扭矩往往会带有其天然的不均匀性；同时螺旋桨在船艉的不均匀流场中运转会对轴系产生持续不均匀的激励；再加之现代轴系往往结构复杂，其安装过程中的不对中、轴系材料的不均匀、加工的不精确以及自身轴系质量的不平衡等等都是使轴系发生扭振振动的主要因素，而严重的扭转振动将会导致严重的后果：如曲轴、中间轴断裂；弹性联轴器连接螺栓切断；弹性元件破裂；传动齿轮齿面点蚀或者齿断裂；凸轮轴断裂；局部轴端发热等等。因此开展对轴系的扭振测量对帮助我们正确判断轴系工作状态、保证轴系安全稳定的运行具有十分重大的意义[3][4]。

动力主装置是一个部件繁多的系统，同时其持续运转时间长，且工作环境恶劣，发生机械故障的概率很大。系统的故障是船舶发生海难的主要原因之一，随着航运业的发展，国内外相继开展了轴系等关键设备的状态监测方面的研究，其成果对提高航运业的经济效益非常明显，统计显示[5]，采用状态监测与故障诊断技术后，机械故障减少了75%，维修费用降低了25%-50%。可见动力机械的运行状况严重影响航运业的经济效益和安全性能[6]；而同时，根据世界各国船级社的规范，大型船舶的轴系必须进行振动的校核计算，并提供相应计算和测试报告，而轴系振动计算的精度因为受到计算时对系统的简化以及计算参数选取不同的影响，具有一定误差，必须要根据实际测量数据来修正。这所有的一切都要求能够有一种成本低廉、运行稳定、安装使用方便、测量精确的测试仪来完成对扭转振动信号的精确测试及分析处理，这也是本文的目的和意义之所在。

1.2 国内外研究现状

轴系扭转振动的测量一般可分为测量旋转轴测点处角位移（瞬时角速度或瞬时角加速度）的变化规律，和测量测点处扭应变（或扭应力）的变化规律[7]。

轴系扭应力的测点一般选取在轴上的节点处，一般采用应变片的方法来测量。这种方法在动力装置的扭振测量中得到了广泛的应用。

早在上世纪的七十年代，国外就有了扭应力分析仪（The Torsion Stress Analyzer-TSA）被应用于汽轮发电机组的轴系扭振测试的实践。德国KWL公司于1977年就将TSA系统成功的安装在多台发电机组上，该系统输入与扭振相关的多种信号，利用复杂的电子模拟线路来实现轴系扭振、扭应力、扭应变（各个相关截面）的计算，然后进行各工况下疲劳寿命消耗的计算和统计，统计整个大的区域的扭振信息，该系统在实际使用中取得到了一定的成果，比如其在运行检测中发现了轴系疲劳损耗的增长速度较快等故障现象，然而该系统非。常庞大且昂贵，这使得其应用受到了很大的限制[8]。国内在这方面的研究稍晚一些，80年代末期我国华北电力大学对TSA分析仪开展过相关研究[13]。到了现代，大多数现代先进的大型船舶都安装了主轴系的扭应力检测装置，以实现对扭应力的超限进行报警，例如大连造船厂就在其2001建造的25800吨的滚装船船艉轴上安装了扭应力检测设备[9]，大多数的船舶轴系扭应力信号的输出都采用的是滑环装置，其为接触式结构，接触电阻的不稳定性、摩擦发热和损耗、静电干扰都会大大降低信噪比，使得其无法长时间的工作[19]。2003年，哈尔滨工程大学研制出了一种利用红外信号传输扭应力信号的装置，该装置具有抗干扰性好，采用非接触式信号传输方法，具有不磨损、功耗小等特点，但距离应用于工程实际仍需进一步改进[10]。

轴系扭转角位移的测量即人们常说的扭振测量，现在普遍的扭矩仪都采取的是对角位移进行测量分析，但也有利用压电式加速度传感器对扭转角加速度进行测量的，西北工业大学的杨卓君，廖明夫利用对称安装在转子圆盘上的加速度传感器（传感器敏感方向与转子的截面切线方向一致）直接测量扭转角加速度，然后通过集流环将加速度信号引出从而实现测量扭振的目的[11]。

对于扭转角和扭转角速度的测量一般采用等分结构和相应的传感器的组合来完成，其中等分结构可以是轴上的等分齿轮、通过联轴器连接的角度编码器等等，也可以是贴于轴上的黑白等分码条；对于金属结构的等分齿轮可以选用霍尔传感器，磁电传感器，电涡流式传感器等等来完成脉冲测量，对于非金属的等分码条，可以选用激光传感器等等。当传感器探头感知到随轴转动的等分结构的一个齿或条纹转过时，就会输出一个脉冲。通过对脉冲序列进行处理，就可获得轴系的扭振信息。而对于这个脉冲序列有着不同的处理方式：一般有模拟电路处理和数字电路处理两种[12][13][14][15]。现按照对于扭振信号的提取方式的不同，扭振仪可被分为机械惯性式扭振仪、模拟式扭振仪、数字式扭振仪（虚拟仪器式扭振仪也属于数字式扭振仪的一种）。

机械式扭振仪利用机械结构获取信号和处理波形，测量范围有限且精度低，后期分析处理需人工进行，使用起来非常繁琐[16]，目前已基本没人使用。而模拟式扭振仪通过模拟电路来完成扭振脉冲信号的处理以及信号解调过程，这使得其标定困难，对于低转速和低扭角振动测试困难，后期处理不便，而且随着数字电气元器件的广泛使用，该类扭振仪的使用也越来越少[17]，人们更多的选用精度更高，分析越方便的数字式扭矩测试方法。数字式扭振仪与模拟式扭振仪的区别就在于其使用数字化硬件模块和计算机而非模拟电路对振动脉冲信号进行处理，其根本算法为脉冲时序法，基本原理是通过各种途径获取每个脉冲边沿的准确到来时刻，来计算扭振扭转角以及相应的扭振信息。而当前主流的获取每个脉冲边沿准确时刻的处理方法有：信号调理器加高频时钟计数器，高频A/D采样软件计数法、A/D采样拟合法（和插值法）[18][19][20]。