摘 要

轴系回转振动是内燃机运行过程中不可避免的振动，当回转振动的频率和系统的自身的振动频率相一致时，会产生共振。共振会造成尾管轴承，密封装置损坏，其可靠性对于船舶正常航行至关重要。国外对轴系振动的研究已经取得一定的成果，但国外的轴系振动测量分析仪器价格昂贵，给我们造成一定的经济负担。本设计通过介绍轴系回转振动的测量方法，测得振动信号，完成数据采集，对振动信号进行频域、时域、阶次分析，利用LabVIEW软件编程开发出基于虚拟仪器的轴系回转振动分析仪器，实现界面友好，操作方便，功能全面，精度达到国外水平的要求，并将设计好的轴系回转振动分析仪器在试验台架上进行验证。最终得出设计成果。

关键词：轴系回转振动 信号测量与分析 数据采集

Abstract

The shaft revolving vibration can not be avoided when the engine is in the process. And when the frequency of the shaft revolving the vibration approaches to the frequency of the system vibration, the resonance occurs. The resonance can destroy the stern bearing and sealed-in unit. As the essential parts of the ship, it is critical for ships to keep shafts reliable. It concentrates more on the vibration of shafts now. It has had many valuable results about the research of shaft vibration at abroad, but the price of the instrument at abroad is very high, it creates a kind of economic afford to us, so the design introduces the measurement ways of the shaft revolving vibration and gets the measurement signals to accomplish the date acquisition. The paper mainly aims at measurement and analysis about revolving vibration. The paper intends to create a instrument which has the advantage of friendly interface, convenient manipulation and simple maintenance, and it has same high level of accuracy compared with the instruments at abroad. By using the LabVIEW to create the procedure, make out the shaft revolving vibration analysis instrument. Then verify the analysis procedure in the experiment instrument. In the end get the design product.

Key words: shaft revolving vibration signal measurement and analysis data acquisition

目 录

第1章 绪论 1

1.1选题的背景及意义 1

1.2 国内外的研究现状 1

1.3本文研究的主要内容 3

第2章 轴系回转振动的测量与分析 4

2.1回转振动测量方法 4

2.2转速测量方法 5

2.3信号处理与分析 6

2.3.1信号的预处理 6

2.3.2时域分析 7

2.3.3频域分析 9

2.3.4阶次分析 9

2.4本章小结 9

第3章 轴系回转振动分析仪的设计 10

3.1系统的总体设计 10

3.2系统的硬件设计 10

3.2.1传感器的选型 10

3.2.2数据采集卡的选型 12

3.3系统的软件设计 13

3.3.1程序流程图设计 13

3.3.2软件各模块功能设计 14

3.4本章总结 17

第4章 试验验证 18

4.1试验目的 18

4.2试验对象 18

4.3试验方法 18

4.4本章小结 21

第5章 总结与展望 22

5.1总结 22

5.2展望 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

1.1选题的背景及意义

船舶轴系作为连接推进器与主机的重要传动部件，它能够将主机发出的功率传递到螺旋桨，以驱动船舶前进，完成航行使命。因此，对于轴系的回转振动研究非常必要。由于轴系一直往复不停地作回转运动，轴系会不可避免的产生回转振动，当轴系回转振动的频率与船舶系统本身的自振频率相一致时，就会产生共振现象。共振可能会使支撑传动轴系的轴承损坏，轴系疲劳破坏，从而使轴系不能正常工作，因此对船舶的可靠性运行产生重大的影响。由于轴系受到质量不平衡和螺旋桨作用力这些因素的共同影响，产生回转振动。然而当回旋振动超过一定的限度时，会产生许多破坏，如轴系回转振动会使轴系出现疲劳破坏事故，会使尾管轴承产生巨大的磨损，振动会造成局部的振动，使船体的密封装置产生破坏等故障^[1]；关于轴系振动造成的事故屡见不鲜，现列举几个如下^[2]：1940 年 5 月，美国的一艘名为“自由轮”号的船舶，就是因为强烈的长时间的轴系的回旋振动导致螺旋桨轴疲劳破坏形成龟裂，发生了重大事故；1991年，中国“金刚岭”轮由于轴系剧烈的回转振动，船舶的工作状态受到影响，导致船舶不能正常工作；1995 年7月，中国某万吨级成品油船由于轴系回转振动产生的疲劳破坏，使连接螺栓损坏，造成严重的故障。因此，需要我们设计和开发一套适用于测量回转振动的分析仪器，用于轴系的振动测量，随时监测故障可能发生的情况。目前，国内外对轴系回转振动的分析研究取得了一定的成果，并且也开发出了轴系回转振动分析仪器，但国外的振动分析仪价格贵，而国内的分析仪由于技术水平的限制，无法达到国外水平，不能适应测试发展的需要。因此原因，本设计拟运用目前流行的虚拟仪器技术开发出能适用多种应用的轴系回转振动测试分析软件，要求能够适应各种传感器和多种测试方法，精度达到国外同等仪器水平，以较低的价格满足一般的测量需要，界面友好，操作方便，维护简单。

1.2 国内外的研究现状

人们一直致力于轴系振动的测量研究，目前国内外已经有多种回转振动测量方法应用于实际测量中。由于计算机技术和测量技术的发展，应用于工程领域的软件越来越进步，人们正开发出先进的软件，便于工程测量应用，加上测量技术的发展，用于解决测试测量的方法也有很多。

国外的研究情况:1964 年美国两位科学家^[3]通过研究粒子在水流中的散射光频移的现象,从而验证激光多普勒频移技术在测量轴系回转方面可以得到很好的运用,激光多普勒技术有着非接触测量的优点，克服接触测量易受设备干扰的弊端，再加上激光多普勒技术的测量精度高和动作响应较快等一系列优点，已经成为一门相当成熟的技术，被人们广泛的应用于测量中。激光多普勒技术也存在着诸多缺陷。该技术的原理是主要靠激光多普勒信号在固体散射表面从后向散射光中提取的,基于此原因，测得的信号微弱,信噪比低,必须采用有效的降噪技术,来提取微弱信号。光电探测器输出的多普勒信号在输出前，它们的频率和振幅等都是已经被调制了的,且信噪比很小,加上散射面的纹理结构,有时会丢失一部分信号，因此，会对测量造成一定的影响。2002 年Gao W，Sato E^[4] 提出利用带倾角的三点法来进行主轴回转误差的测量，此方法能够把主轴的径向误差与角度误差有效地分离。2006 年，Eric March，Jeremiah Coney^[5]等在高精度的空气轴承执行轴测试装置上分别通过用多步法、反转法和多点法进行了回转精度测量，此方法的精度达到了纳米级。