摘 要

船舶推进轴系在生产和远洋航行的使用中，都需要对扭振进行测试。扭振不仅会使轴系的传动性能降低，还会对轴系的内部结构造成损坏，减少使用寿命，甚至会发生断轴事故，威胁海员的生命安全。为了保证船舶能够安全顺利的航行，对船舶推进轴系的扭振状态实时检测环节必不可少。现在各大造船国都在大力开发研究扭振测试新技术，而利用虚拟仪器测量扭转振动正是当前的研究热门，并且拥有很好的发展前景。

目前我国对扭转振动测试的技术仍然相对落后，对扭振的测试依旧以传统测试仪器的使用为主。根据扭振的测试原理开发一套完整的扭振测量虚拟仪器，能够打破传统测量仪器功能单一的限制，对我国扭振测量技术的发展具有重要意义。

本文使用图形化编程语言LabVIEW开发出可以测量船舶推进轴扭转振动的虚拟仪器，能够实时检测各种转速下的扭振状态，测量精度达到了同等仪器测量水准。论文主要介绍了虚拟仪器对扭转振动信号进行提取分析的原理、虚拟仪器的使用方法以及对虚拟仪器应用于工程实践的可行性进行验证。

验证结果表明：虚拟仪器成功分析出了轴系的扭振状态，测量结果稳定，能够应用于实际工程上的扭振测量。

关键词：扭转振动；LabVIEW；虚拟仪器；

Abstract

Ship propulsion shafts are required for testing torsional vibration in the use of production and ocean-going navigation. Torsional vibration will not only reduce the transmission performance of the shaft system, but also damage the internal structure of the shaft system, reduce the service life, and even the occurrence of shaft accident, threatening the safety of seafarers. In order to ensure the ship can be safe and smooth navigation, the ship propulsion shaft torsional vibration of the real-time detection link is essential. Now the major shipbuilding countries are vigorously developing research torsional vibration testing of new technologies, and the use of virtual instruments to measure torsional vibration is the current research popular, and has a good development prospects.

At present, the technology to reverse the vibration test is still relatively backward, and the torsional vibration test is still the main use of traditional test equipment. According to the principle of torsional vibration test to develop a complete set of torsional vibration measurement of virtual instruments, to break the traditional measurement instrument function of a single limit, the development of torsional vibration measurement technology in China is of great significance.

This paper uses the graphical programming language LabVIEW to develop a virtual instrument that can measure the torsional vibration of the ship propulsion shaft, and can detect the torsional vibration state at various speeds in real time, and the measurement accuracy reaches the same instrument measurement level. This paper mainly introduces the principle of virtual instrument extraction and analysis of torsional vibration signal, the method of using virtual instrument and the feasibility of applying virtual instrument to engineering practice.

The results show that the virtual instrument has successfully analyzed the torsional vibration state of the shaft system, and the measurement result is stable and can be applied to the torsional vibration measurement on the actual project.

Key Words：torsional vibration；LabVIEW；virtual instrument;

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题的背景与意义 1

1.2 国内外相关技术发展现状 1

1.2.1 扭转振动测试方法的发展 1

1.2.1.1 应变片测量法 1

1.2.1.2 非接触式测量法 2

1.2.2 扭振测试仪的发展 2

1.2.2.1 机械式惯性扭振仪 3

1.2.2.2 模拟电路式扭振仪 3

1.2.2.3 数字化扭振测量系统 3

1.2.2.4 虚拟仪器扭振测量系统 4

1.3 主要研究内容 4

第2章 扭振信号提取和分析原理 6

2.1 扭振的产生 6

2.2 扭振信号的提取 6

2.2.1 原始信号的测取 7

2.2.2 转速信号的提取 8

2.3 提高测量精度的方法 9

2.3.1 齿平均 9

2.3.2 周期平均 9

2.4 扭振信号分析 10

2.4.1 频域分析 10

2.4.2 阶次分析 11

2.5 本章小结 11

第3章 硬件选型 12

3.1 传感器的选型 12

3.2 数据采集卡的选型 13

3.3 本章小结 15

第4章 扭振测试软件开发 16

4.1 LabVIEW程序开发平台 16

4.2 扭振测试程序设计 16

4.3程序面板介绍 22

4.3.1 在线测试面板 22

4.3.2 离线分析面板 23

4.4 本章小结 24

第5章 扭振测试虚拟仪器试验验证 25

5.1 测试条件的设定 25

5.2 测试结果分析 25

5.3 测量结果稳定性分析 27

5.4 本章小结 27

第6章 总结与展望 28

6.1 总结 28

6.2 展望 28

参考文献 29

致谢 30

第一章 绪论

1.1 选题的背景与意义

由主机、传动设备、轴系和推进器等组成的推进装置，是船舶动力装置中最重要的组成部分。传统的船舶柴油机通常都是靠轴系传动将自身产生的扭矩传递给螺旋桨，带动螺旋桨转动以实现船舶在海洋中的航行。船舶轴系具有扭转刚度小、固有频率低的特点。柴油机输出的扭矩是不稳定的、螺旋桨在水中产生的负载扭矩也是不稳定的，另外，传动系统质量分布不均匀产生的惯性力矩是周期性变化的，因此，导致主动力系统产生不稳定的扭矩，在轴系上的响应表现为旋转的不均匀，即扭振^[1]。扭振会造成噪声，旋转机械动力性能下降，并且当扭振频率接近轴系的固有频率时会产生共振。使得轴系扭转疲劳加剧，逐渐产生裂纹并扩散，严重时甚至会断裂。长期以来，国内外发生了非常多的断轴事故，其中大多是扭转振动引起的，造成了巨大的损失。所以在船舶航行及维修过程中，对轴系进行实时扭振监测，进行扭振信号分析与故障诊断，对发现和解决轴系故障，保证船舶安全航行有非常重要的意义。

随着信息技术的高速发展，扭振测试技术进入了虚拟仪器时代。利用更新换代快，灵活，经济，人机界面友好，性能强的虚拟仪器技术，设计一款操作简便，紧凑，准确性高的扭转振动测试仪，在当今有着重要的意义。