船舶推進(jìn)軸系的動(dòng)態(tài)影響因素及EMD故障診斷方法研究.pdf

1、隨著船舶向大型化方向發(fā)展,推進(jìn)軸系剛度越來(lái)越大,而船體由于采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及高強(qiáng)鋼的使用更易產(chǎn)生變形，兩者難以適應(yīng),在風(fēng)浪沖擊等動(dòng)態(tài)因素作用下,易造成軸系故障及損壞事故。由于軸系結(jié)構(gòu)及受力的復(fù)雜性,各動(dòng)態(tài)因素的作用機(jī)理尚不清楚,有必要進(jìn)行深入研究。
　　本文對(duì)軸系校中的多種影響因素作用機(jī)理及影響程度進(jìn)行了較全面的研究,同時(shí)對(duì)船舶推進(jìn)系統(tǒng)主機(jī)及軸系的早期故障診斷方法進(jìn)行試驗(yàn)研究,在轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)取滾動(dòng)軸承及齒輪等故障時(shí)的振動(dòng)信號(hào),用

2、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法(EMD)及改進(jìn)的集中平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)方法(EEMD)進(jìn)行分析,提取其故障特征,驗(yàn)證方法的有效性,為實(shí)船軸系故障研究打下基礎(chǔ)。
　　對(duì)校中模型中曲軸的等效直徑的取法進(jìn)行研究,有限元方法分析表明:曲軸轉(zhuǎn)角及各曲拐相對(duì)角度對(duì)軸承負(fù)荷有一定影響;等效直軸可用來(lái)近似曲軸,但軸承負(fù)荷不能做到完全一致;不同曲軸其等效直徑的比值是不同的,應(yīng)根據(jù)具體情況取不同值。當(dāng)已知需精確計(jì)算的主軸承數(shù)時(shí),在計(jì)算模型中必須多考慮2個(gè)主軸承。

3、　　提出一種基于剛度矩陣的確定軸承位置及偏移量的優(yōu)化逼近方法,該方法方便并且有效。由軸承支反力影響系數(shù)構(gòu)成軸系剛度矩陣,根據(jù)各軸承的目標(biāo)負(fù)荷,可反推出各軸承的垂向偏移量。當(dāng)艉管軸承及主機(jī)軸承確定后,可對(duì)中間軸承的軸向位置及垂向位置進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。
　　針對(duì)主軸承因船體變形而失去負(fù)荷并可能引起損壞,提出一種判斷主軸承損壞可能性的方法,以機(jī)艙后隔艙壁的相對(duì)變位量作為參考量,計(jì)算主軸承失去載荷時(shí)對(duì)應(yīng)的參考量值,與可能出現(xiàn)的參考量極限值進(jìn)行

4、比較,可判斷主軸承因船體變形而損壞的可能性。以某176,000DWT散貨船為例進(jìn)行計(jì)算,表明該方法的可行性。
　　為解決二維方法分析波浪對(duì)推進(jìn)軸系影響不夠準(zhǔn)確的問(wèn)題,提出一種三維有限元建模及波浪壓力自動(dòng)加載的分析方法。通過(guò)對(duì)某散貨船進(jìn)行三維有限元建模,基于PATRAN命令語(yǔ)言(PCL)進(jìn)行編程,計(jì)算作用于船體有限元的波浪壓力,并進(jìn)行自動(dòng)加載分析。在不同海況下,計(jì)算船體變形情況,分析了推進(jìn)軸系處船體的相對(duì)變位及對(duì)軸承負(fù)荷的影響。在4

5、級(jí)及4級(jí)以下海況時(shí),波浪對(duì)軸線處船體變位影響較小。波浪對(duì)軸線處船體變位影響隨海況增加而增加,在8級(jí)海況以上時(shí),軸線處船體變位最大值超過(guò)4mm,將對(duì)推進(jìn)軸系各軸承負(fù)荷造成巨大影響。在航向角為30度時(shí),三個(gè)方向的相對(duì)變位都有所增加。
　　軸承油膜是影響軸系校中的一項(xiàng)重要?jiǎng)討B(tài)因素。本文用數(shù)值分析方法解徑向軸承雷諾方程，得到索莫菲爾德數(shù)及軸心偏位角與軸承寬徑比B/D及軸心偏心率ε之間的關(guān)系,并針對(duì)特定船用軸承,計(jì)算得到油膜剛度及油膜力與軸

6、頸轉(zhuǎn)速及偏心率之間的關(guān)系。以某115000噸級(jí)散貨船軸系為例,用ANSYS及MATLAB軟件分析計(jì)算,分析了槳浸水狀態(tài)對(duì)各軸承的負(fù)荷影響,計(jì)算得到了實(shí)例軸承偏心率ε及偏位角β與軸轉(zhuǎn)速 n的關(guān)系,同時(shí)對(duì)軸承處軸頸垂直方向及水平方向偏心進(jìn)行了計(jì)算,最后對(duì)油膜對(duì)各軸承負(fù)荷的影響進(jìn)行了計(jì)算分析,結(jié)果表明:不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)下油膜對(duì)各軸承負(fù)荷的影響不盡相同,低轉(zhuǎn)速時(shí)影響較大,隨著轉(zhuǎn)速增加,影響逐漸減小。
　　軸承剛度、軸承間隙、船體彎曲變形、軸承

7、溫度變化、槳軸向推力偏心及推力軸承反力偏心等非線性因素都會(huì)對(duì)軸系校中產(chǎn)生一定的影響,介紹了各因素的分析計(jì)算方法。研究表明軸系軸承綜合剛度主要由所在位置船體剛度、軸承剛度及軸承油膜剛度等組成,各軸承點(diǎn)的船體剛度,應(yīng)考慮相互之間耦合影響。船體剛度、軸承剛度及軸承油膜剛度在數(shù)值上處于同一數(shù)量級(jí)或相鄰數(shù)量級(jí),因此在計(jì)算各支承點(diǎn)綜合剛度時(shí),三者都應(yīng)考慮。
　　軸系軸承及主機(jī)軸承負(fù)荷會(huì)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化而變化,在校中不當(dāng)時(shí),個(gè)別軸承負(fù)荷在某些轉(zhuǎn)

8、角范圍內(nèi)會(huì)過(guò)大或過(guò)小。提出一種軸承負(fù)荷會(huì)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的計(jì)算方法,即采用3D方法對(duì)曲軸及軸系建模,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度,考慮軸承間隙等非線性因素,考慮船體彎曲變形、軸承溫度變化、槳軸向推力偏心及推力軸承反力偏心引起的動(dòng)態(tài)彎矩等因素等,計(jì)算各軸承負(fù)荷隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況,使計(jì)算結(jié)果更附合實(shí)際。
　　針對(duì)EMD方法的模態(tài)混疊問(wèn)題,提出了一種改進(jìn)的EEMD算法,可以較大幅度提高重構(gòu)信號(hào)信噪比,改善模態(tài)混疊問(wèn)題。通過(guò)仿真信號(hào)分析,發(fā)現(xiàn)加減

9、噪聲的EEMD方法性能優(yōu)于單純加噪聲的EEMD方法,找出了加入噪聲與待分解信號(hào)方差比的最佳范圍及集中平均的最佳次數(shù),用這些最佳參數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行加減噪聲的EEMD分解,得到各內(nèi)稟模態(tài)分量(IMF),選取與信號(hào)相關(guān)程度較高的IMF進(jìn)行信號(hào)重構(gòu),將重構(gòu)信號(hào)作為待分析信號(hào)進(jìn)入下一輪EEMD分解重構(gòu),隨著循環(huán)次數(shù)的增加,重構(gòu)信號(hào)的信噪比不斷提高直至最大值。對(duì)齒輪及軸承故障實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)的分析表明此方法的有效性,從瞬時(shí)能量密度譜中可較清晰地發(fā)現(xiàn)故障特征