摘 要

船舶轴系在船舶航行时会因各种因素而产生振动，若不及时监测到振动故障并处理，会不可避免地对轴系本身及船体结构造成不同程度的破坏，因此有必要对船舶轴系振动进行研究，以认清其振动形式，为科学采取避振措施作理论基础。

首先，为了能从本质上了解船舶轴系的振动，需要从它的振动形式及其机理开始认识，熟练掌握其振动机理才能有针对性地采取避振措施以减少其危害。

同时，为了更直观地表现轴系振动，需要对其振动信号进行采集，通过信号处理技术剔除不必要的干扰信号后再进行分析，以初步判断实船上轴系振动的形式。

最后，本文对于船舶轴系振动的进行了模拟试验，运用转子振动试验台模拟船舶轴系振动故障，用文中所提到的多种方法进行分析以评估实验的准确性。

关键词：船舶轴系；振动测试；振动信号分析；不平衡；不对中

Abstract

Ship shafting vibrates when damage to the hull structure, its normal operation or not relates to the safety of the ship, so it is necessary to a preliminary study was carried out on the ship shafting vibration, in order to identify the vibration mode, vibration absorber measures should be taken as the theoretical basis of science.

First of all, in order to understand the vibration of ship shaft from the essence, need to start from its vibration mode and its mechanism of understanding, mastering the mechanism of vibration can be targeted vibration absorber measures to reduce the harm.

Performance at the same time, in order to visually shafting vibration, on their acquisition of vibration signal through the signal processing technology to eliminate unnecessary interference signal, using time domain analysis and frequency domain analysis of vibration signal analysis, in the form of a preliminary judgment method on shafting vibration.

Finally, the simulation experiment of ship shafting vibration is carried out. Using the rotor vibration table simulation of ship shafting vibration fault, using the mentioned in this paper, a variety of methods were analyzed to evaluate the accuracy of the experiment, the experiment of ship shafting vibration fault of preliminary diagnosis has a certain significance.

Key Words：Marine shafting; Vibration signal measurement; Vibration Signal;Imbalance; Misalignment

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 课题研究内容 1

1.2.1船舶轴系振动形式 1

1.2.2船舶轴系振动信号的故障特征 2

1.2.3船舶轴系振动信号的采集与振动信号分析图的绘制 2

1.2.4振动信号分析方法的运用 2

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 船舶轴系振动信号监测技术发展及现状 2

1.3.2 船舶振动信号分析方法发展及现状 4

第2章 船舶振动形式及其机理 6

2.1 扭转振动 6

2.2 横向振动 6

2.3 纵向振动 6

第3章 船舶轴系振动信号采集与分析 8

3.1 船舶轴系振动信号采集方案 8

3.2 采集原理 8

3.2.1 扭转振动 8

3.2.2 纵向振动和回旋振动 9

3.3 船舶轴系振动信号分析方法 10

3.3.1 时域分析法 11

3.3.2 频域分析法 11

第4章 船舶轴系振动模拟实验 14

4.1 轴系振动信号故障特征 14

4.1.1 转子不平衡 14

4.1.2 转子不对中 14

4.2 转子故障模拟实验 15

4.2.1转子振动模拟实验装置 15

4.2.2 转子不平衡实验 16

4.2.3 转子不对中实验 19

第5章 结论 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

• 1. 课题研究背景

航运业在国际经济贸易中一直处于重要角色，因此船舶的安全问题也一直受到人们的关注。任何现代机械都需要动力来源，船舶运行的动力来源就是其动力装置，而船舶轴系作为能量的传递部件，又是动力装置的重要部件，故是船舶不可缺少的部件。船舶轴系在船舶航行容易受到各种振动激励，不仅会造成轴系本身的损害，也会对船体机构造成破坏。因此，有必要对船舶轴系振动进行初步研究，认清其振动形式与机理，以针对性地采取避振措施，减小由轴系振动造成的危害。

船舶动力装置包括动力来源(主机)，能量传递装置即船舶轴系和动力能量作用装置(螺旋桨)，由于力的作用是相互的，船舶轴系既要将主机能量传递给螺旋桨，又要将螺旋桨因与流体作用产生的轴向推力传给船体本身而使船向前运动^[1]。船舶轴系的重要部件有推力轴、中间轴、螺旋桨轴、轴承联轴器以及转轴上附带的旋转部件。船舶轴系是在应力松弛后能迅速恢复到接近原有状态和尺寸的部件，它在运行时既有扭转弹性同时又存在着旋转质量的扭转振动，所以船舶在实际航行时容易因多种多样的因素的影响而使船舶轴系发生振动现象。影响因素有很多如船舶主机力矩传递不均匀、轴系安装不对中、制造材质不均匀或者制造误差大，以及轴系本身质量不平衡等都会引起船舶轴系的周期振动，除此之外螺旋桨与流体的相互作用而产生的各种激励等都会传递给船舶轴系，使船舶轴系产生振动。船舶轴系振动形式包括扭转、纵向和横向这三种主要振动形式。这些振动形式将导致曲轴和中间轴疲劳甚至断裂、局部轴段发热以及零部件损坏等问题，进而使船舶动力系统出现问题甚至瘫痪^[2]。因船舶轴系振动而发生安全事故的例子发生了无数次：1960 年，在中国川江，国内某内江轮船公司的客轮的轴系发生扭转振动而使得轴系转轴断裂，客轮不得不靠岸修理，造成经济上的损失；1991年，中国的“金刚岭”货轮的轴系因发生强烈的振动现象而使得船舶停止工作状态，同样造成了经济上的损失；1995 年，中国的一艘载着成品油的油船因剧烈的轴系振动使得轴系支承部件及连接部件损坏，若非及时发现，将会进一步损坏整个转轴^[3]。通过诸多事故案列我们不难发现，船舶轴系的状态与春波运行安全密切相关。因此关于船舶轴系振动的研究从来就没有停止过。

• 1. 课题研究内容

1.2.1船舶轴系振动形式

1.2.1.1扭转振动

船舶主机传递给螺旋桨是转矩，轴系轴段在转矩的作用下会形成扭转变形,转矩不均匀时各轴段间会产生不同程度的扭角,由机械振动原理可知会发生扭转振动。

1.1.1.2回转振动（横向振动）

回转振动就是转轴在绕自身中心线旋转的同时，轴线又以弯曲形状以某一角速度绕原正常状态下时的轴中心线旋转的综合运动。

1.1.1.3 纵向振动

船舶轴系的纵向振动的表现形式就是转轴在轴向的振动，它主要是由螺旋桨的不均匀推力造成的。船舶航行时,螺旋桨会因遇到不均匀的伴流而造成推力的不均匀，船舶马力越大，纵向振动造成的危害也就越大。

1.2.2船舶轴系振动信号的故障特征

船舶轴系振动来源有很多，本文仅对旋转质量不平衡和轴系不对中这两种情况进行分析。由于旋转部件最重要的部件是转子，故旋转质量不平衡可用转子不平衡来代替研究，而转子不对中通常指轴系不对中，故本章研究的轴系振动故障为转子不平衡与转子不对中。

1.2.3船舶轴系振动信号测试与振动信号图

本文介绍了船舶轴系振动信号的采集方法，并通过转子振动模拟试验台模拟了质量不平衡和转子不对中这两种故障情况，并根据转子振动信号数据描绘出了波特图(幅频和相频特性曲线)、频谱图和阶轴心轨图等，以此分析转子故障状态。

1.2.4振动信号分析方法的运用

1.2.4.1 时域分析

时域分析是在时域上定量描述和定性分析信号的振动信号分析方法。时域分析方法可分为时域波形分析、轴心轨迹分析、包络分析以及统计分析四个方面。

1.2.4.2 频域分析

对于轴系的振动测试信号，由于其频率分量大，时域波形复杂，通过直接分析时域不可能完全分析出轴系的振动特性，因此，有必要分析频域中的振动信号。进行频域分析时，要通过数学处理方法将信号的时域描述（即信号是时变量的函数）转换为频域描述（即信号频率为自变量）。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 船舶轴系振动信号监测技术发展及现状

在工程振动测试领域，测试方法和方法各不相同，但根据测试过程的物理特性，可分为机械测试方法，电测法和光学测试方法。尽管三种测试方法的物理特性不同，但测试系统的结构基本相同，均包括振动拾取，放大和显示记录三个步骤。

1.3.1.1 机械式测量方法

传统的轴系振动测试方法都釆用机械式测试法，它是利用杠杆原理将工程振动的参量放大后直接记录的方法。这种方法简单方便，抗干扰能力强，但频率范围和动态特性范围窄，测试结果一般也只能依靠手工近似分析，只适用于精度和频率要求较低的振动测试。如今，该测试方法因无法满足现代复杂振动特性的测试要求，在实际应用中已经被其他方法所取代。

1.3.1.2 电测法

随着现代科技尤其是电子计算机技术的发展和对轴系振动机理的深入研究，轴系振动测试技术已逐渐从机械测量法转向电测法。电测法的原理是将振动量输出成电量（电荷，电压等）或电参数（电阻，电容或电感），当振动量变化时，电量或电参数也随之改变，然后经波形过滤，波形放大，波形重整，调制和解调等一系列信号处理，由电测量仪器和设备进行测量和显示。这种类型的测振仪具有灵敏度高，测试精度高，响应频率范围宽，动态线性范围宽的特点，还可以实现多点同步测试和远距离传输，电子信号的存储和回放。

电测法根据测试传感器与被测轴接触与否，可分为接触测试法和非接触测试法，若测试传感器与被测轴接触则为接触法，不接触即为非接触法。

1. 接触测试法

接触测试方法是在被测轴上安装一个传感器（应变计或压电加速度计）来直接感测轴系的振动信号，然后通过无线传输的方式将所测振动信号传递给振动计，信号在振动仪得到分析与处理后便能获得被测轴系的原始振动特性。

该测试方法存在以下三个缺陷：首先，传感器接收到的振动信号较弱，信噪比较差，这给信号提取和分析带来困难；第二，必须在被测轴上安装一个振动信号传输装置，这样就会改变轴的原始结构，会影响轴系的其他部件。第三，由于船舶主机功率较大且散热困难，轴系通常处于高温下，这需要对安装在井道上的传感器进行隔热保护措施，同时传感器必须对称分布以消除横向振动的影响。然而船舶轴系结构十分复杂，这些传感器的安装和保护并不容易实现。

1. 非接触测试法

非接触式测试方法是指传感器（磁场，霍尔，光电子或涡流传感器）并不与被测轴相接触，而是脚安装在转轴附近。虽然传感器与测量端之间存在一定的间隙，但可以通过电磁技术来感测轴振动，并将振动信号传输到振动计。振动分析仪分析和处理以获得被测轴系的振动特性。

该测试方法利用了电路和计算机强大的数据传输和处理功能，所以这种类型的测试方法它在测量精度，动态性能和抗干扰能力方面优于上述两种测试方法。但是，在采用非接触式测试方法进行轴扭转振动测试时，如果飞轮端不方便安装传感器，则要在轴上增加一个信号齿轮盘，这将在一定程度上改变轴系统的固有特性。

尽管非接触式测试方法也存在缺陷，但考虑到任何测试方法都不可能达到完美，而且这种方法比其他测试方法具有更大的优势。 因此，在当前轴振动测试领域，测试方法是应用最广泛的^[4]。

1.3.1.3光学式测量方法

近十年来，随着光学技术的迅速发展，基于激光多普勒效应的振动测试技术得到了发展。当激光传感器发出的光线照到运动物体表面时，物体表面散射或反射的光线频率发生变化，这种现象为多普勒效应。该测试方法中光学信号成为振动量的转化量，在经过光学系统放大后显示出来。光学式测试方法的除了具有非接触式测量优点外，还能满足现代振动测试灵敏度高，响应速度快的要求。

综上所述，目前船舶轴系现代振动测试方法为非接触式电测法和光学式测量法两种，后者精度较高，但结构复杂且价格昂贵，很难进行商业推广。故接触式测试方法应用最为广泛。

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