轴系扭转振动测量方法评述

中华人民共和国国家标准UDC 621.431．713．6船用柴油机轴系扭转振动测量方法GB 6299-86The measuring method for torsional vibrationin shaft system of marine diesel engine标准适用于船用柴油机轴系的扭振测量。

其他动力的船舶轴系的扭振测量亦可参照使用。

注：轴系包括与扭振计算有关的动力机、传动元件和受功构件。

1 量标以柴油机曲轴回转中心线为参考，第一曲拐（从自由端数起）上死点为基准，取被测点在定转速各谐次的角位移振幅为量标，以（°）或rad为计量单位。

2 测量仪器2.1 总的要求2.1.1 测量仪器系统必须经过校验，能够获得被测轴系扭振响应正确信息的记录，同时还要获取测点的转速信息。

2.1.2 测量频率范围一般为1～600Hz。

如所选测量仪器的频率范围不足,则必须满足测量信号中主谐次(即柴油机各单位曲柄相对振幅矢量同向时的谐次）或副谐次的频率要求,其频率响应平直部分的允许误差为上10％。

如果测量仪器低频响应不足，其特性确定，则可以使用，但必须对扭振测量值进行修正。

2.1.3 测量仪器应按规定在国家主管机关认可的单位进行校验，并具有校验证书。

2.2 机械式扭振仪2.2.1 正确选择仪器的安装位置，并保批安装精度。

2.2.2 合理选择或调整有关的仪器工作参数如：传动比、弹簧常数、皮带长度和松紧（如用皮带传动时）、划笔放大比和阻尼等。

2.3 电测扭振仪2.3.1 仪器组成测量仪器系统一般由传感器、放大器、记录器及监测指示装置等组成。

在能满足2.1.1款要求的条件下，允许改变其组成。

2.3.2 传感器传感器与被测点之间的联系装置应尽量减小尺寸，并保证其制造和安装精度，以减少非扭振信号对测量精度的影响。

选用的传感器，在规定的工作环境（如温度、湿度、磁场、油污等）下，应能可靠地工作。

传感器经受非正常状况（如冲击、过热、浸油、浸水等）后，应及时校验。

往复式压缩机轴系扭振分析与现场测试本文对一台往复式压缩机机组进行轴系扭振分析，并根据分析结果对轴系施加了频率干预措施。

为了验证扭振分析结果与现场压缩机运行情况的吻合性，专门邀请了国内专业的扭振分析测试团队，对本文分析的压缩机机组进行了现场扭振频率验收测试试验。

现场测试的结果显示，分析计算得到的机组扭振共振转速未偏离机组的实际扭振共振转速（即扭振共振转速测试值），说明理论分析的计算结果具体现场指导意义，可以尽早消除扭振潜在风险，为压缩机长期安全运行提供了保证。

标签：往复压缩机，共振转速，扭振分析1概述在现有的往复式压缩机运行使用过程中，尽管有更成熟的设计和分析工具，但是扭振相关的问题仍然是往复式压缩机安装与使用过程中一个反复出现的难题。

大多数问题发生在由电机驱动的压缩机机组上，常见问题包括曲轴故障、联轴器故障、电机轴故障、电机转子的焊接筋板故障、曲轴辅助驱动端故障和冷却器风扇轴故障等。

为解决这些问题，常用的措施是增加阻尼器，更改飞轮，改变压缩机运行速度范围，或提高零部件承受扭矩和应力的能力。

为某炼化公司生产制造的一台氢气压缩机，为避免轴系存在扭振的风险，我公司在压缩机设计阶段，就对整个机组的轴系进行了扭振分析。

根据轴系中各部位的转动惯量、刚度、阻尼以及相位等参数建立轴系扭振分析的等效模型。

机组的主要技术参数列于表1。

2扭振计算模型的建立与分析在实际的往复式压缩机的轴系中，扭转振动的形态往往很复杂，尤其是那些质量比较集中的地方，往往又伴有扭转变形，而作为连接轴的部分，本身又往往有相当的转动惯量，也就是说轴系中每一小质量都是既有惯量又有弹性的振动体。

这样的数学模型，显然是无法进行分析计算的。

本文按照振动特性不变的原则，将实际的轴系简化成能进行数学计算的当量系统模型。

借助专业的扭振分析软件，建立了氢气压缩机机组的轴系当量轴系模型，如图1。

從图1可以看出，此当量轴系模型由21个具有转动惯量的圆盘（每个圆盘代表一个集中质量块）和20个具有弹性的扭转弹簧所组成。

硕士论文基于希尔伯特变换的轴系扭振测量技术研究摘要本文分析了国内外扭振检测技术的发展和现状，介绍了一种用软件实现扭振检测的方法，该方法是基于希尔伯特变换解调原理。

该检测模块设计是以DSP处理器为核心，首先通过FPGA控制A/D采集输入的调制信号，然后将其经过FIR带通滤波器处理后储存在FPGA芯片中的双口RAM中，再由DSP提取处理，用希尔伯特变换算法对信号进行频率解调，最后由DSP的USB接口输出解调后的数据，从而能准确分离出扭振信号。

论文首先介绍了基于希尔伯特变换实现扭振检测的原理及技术，其次介绍了调制模块的硬件架构和软件平台的构建，然后介绍了该模块的硬件电路的设计，包括DSP外设及配置，FPGA实现FIR滤波器及双口RAM的设计，A/D转换接口电路等；最后文章重点介绍了在DSP中实现希尔伯特变换频率解调的软件设计。

本文的研究结果具有较大的工程实际意义，对于轴系的扭振检测具有一定的参考价值。

关键词：DSP，FPGA，希尔伯特变换，相位解调，扭振检测IAbstract 硕士论文AbstractThe development and current situation of domestic and foreign torsional vibration testing technology are analyzed in this thesis. We introduce a software method which can detect torsional vibration, based on Hilbert transformation demodulation. The design is based on DSP processor, at first the A/D picks up the signals controlled by FPGA; the signals are processed through the filter and stored in the dual-port RAM of the FPGA chip.And then the signals are processed by the method of frequency demodulation of Hilbert transform. At last, the outputs are sended to computer, and then we can accurately isolate the frequency from torsional vibration signals.Firstly, the theory and technology of the Hilbert transformation based detection of torsinal vibration are introduced. Secondly, the hardware design and the set up of software platform are put forward and discussed, and the design of the hardware is also introduced，including the connection of DSP and the dual-port RAM,A/D, the external interface and configuration of DSP and FPGA; Finally, the software of this system are introduced which are the core part of this thesis. Including the frequency demodulation of Hilbert transformation are implemented by DSP, the control of dual-RAM via FPGA.The result of this research is provided with great signality of practical engineering and a valuable reference for detecting of torsional vibration.Key Word: DSP，FPGA，the Hilbert transformation，frequency demodulation，torsionalvibration detectingII硕士论文基于希尔伯特变换的轴系扭振测量技术研究目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 国内外轴系扭振检测的发展及现状 (1)1.3 论文主要内容及结构安排 (3)2 轴系扭振检测的设计方案 (4)2.1 扭振信号的产生原理 (4)2.2 设计方案 (6)2.3 本章小结 (7)3 希尔伯特变换及解调原理 (8)3.1 希尔伯特变换的定义和性质 (8)3.2 希尔伯特变换的实现方法 (8)3.3 希尔伯特变换解调原理 ...........................................................................................103.4 本章小结 ...................................................................................................................114解调模块的硬件设计 (12)4.1 A/D转换接口电路设计 ............................................................................................124.1.1 FPGA的介绍及芯片选择 (12)4.1.2 A/D芯片介绍 (13)4.1.3 A/D转换接口电路设计 (16)4.2 FPGA的外围配置电路设计 .....................................................................................184.2.1 FPGA的时钟及电源电路 (18)4.2.2 FPGA的加载电路 (19)4.3 DSP介绍及芯片选择................................................................................................204.3.1 DSP的配置及应用电路 (22)4.3.2 DSP的EMIF模块 (25)4.4 双口RAM的硬件实现 ............................................................................................294.5 本章小节 ...................................................................................................................315 FPGA的逻辑设计及解调模块的软件设计 (32)5.1 FPGA的逻辑设计 .....................................................................................................325.1.1 FIR带通滤波器的设计 (33)III目录硕士论文5.1.2双口RAM的设计 (36)5.2 软件实现希尔伯特变换解调 ...................................................................................385.2.1 CCS的介绍 (38)5.2.2 DSPLIB库函数的介绍 (41)5.2.3 利用希尔伯特变换实现软件解调 (42)5.3 本章小节 ...................................................................................................................446仿真结果 (45)6.1 系统仿真环境 ...........................................................................................................456.2 双口RAM的仿真测试 ............................................................................................466.3 希尔伯特变换频率解调的仿真 ...............................................................................476.3.1 MATLAB仿真 (47)6.3.2 CCS软件仿真 (51)6.4 本章小结 ...................................................................................................................537 总结与展望 (54)7.1 总结 ...........................................................................................................................547.2 展望 ...........................................................................................................................54 致谢 ......................................................................... 错误！未定义书签。

船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究【摘要】本文通过一些国内因轴系扭转振动而引起的断轴断桨的事故实例，来分析引起轴系扭转振动的主要原因，分析扭振主要特性，并提取一些减振和防振的基本控制措施。

【关键词】船舶柴油机轴系扭振危害分析措施在现代船舶机械工程中，船舶柴油机轴系扭转振动已经成为一个很普遍的问题，它是引起船舶动力装置故障的一个很常见的原因，国内外因轴系扭转而引起的断轴断桨的事故也屡见不鲜，随着科学水平的提高和航运业的发展，人们越来越重视船舶柴油机组的轴系扭转振动，我国《长江水系钢质船舶建造规范》和《钢质海船入级与建造规范》（简称《钢规》）和也均规定了在设计和制造船舶过程中，必须要向船级社呈报柴油机组的轴系扭转振动测量和计算报告，以此来表明轴系扭转振动的有关测量特性指标均在“规范”的允许范围内。

1 船舶柴油机轴系扭转振动现象简介凡具有弹性与惯性的物体，在外力作用下都能产生振动现象。

它在机械，建筑，电工，土木等工程中非常普遍的存在着。

振动是一种周期性的运动，在许多场合下以谐振的形式出现的，船舶振动按其特点和形式可分为三种，船体振动，机械设备及仪器仪表振动，和轴系振动。

船舶柴油机轴系振动按其形式可分为三种：扭转振动，纵向振动，横向振动。

柴油机扭转振动主要是由气缸内燃气压力周期性变化引起的，它的主要表现是轴系上各质点围绕轴系的旋转方向来回不停的扭摆，各轴段产生不相同的扭角。

纵向振动主要是由螺旋桨周期性的推力所引起的。

横向振动主要是由转抽的不平衡，如螺旋桨的悬重以及伴流不均匀产生的推力不均匀等的力的合成。

船舶由于振动引起的危害不但可以产生噪音，严重影响旅客和船员休息，还会造成仪器和仪表的损害，严重的时候甚至出现船体裂缝断轴断桨等海损事故，直接影响船舶的航行安全。

而在船舶柴油机轴系的三种振动中，产生危害最大的便是扭转振动，因扭转振动而引起的海损事故也最多，因此对扭转振动的研究也最多。

而且当柴油机轴系出现扭转振动时，一般情况下，船上不一定有振动的不适感，因此这种振动也是最容易被忽视的一种振动形式，一旦出现扭转振动被忽视，往往意味着会发生重大的事故。

船舶轴系扭振计算与测量分析简介高莹莹(青岛齐耀瓦锡兰菱重麟山船用柴油机有限公司技术部)摘要：随着现代船舶计算的发展,船舶轴系扭转振动成为船舶动力装置安全运行的重要因素之一,各船级社规范也对船舶轴系扭振提出了计算和实测的要求，本文结合实例对船轴系用霍尔茨法进行自由振动计算和采用能量法进行共振计算进行了简单介绍,结合实船的扭振测量的结果和理论计算结果进行对比分析.结果表明,采用精确的原始轴系数据和柴油机参数,使得扭振计算的理论结果和实测结果非常吻合,本船的理论计算值符合实船状况,转速禁区设定正确.关键词:当量系统霍尔茨法能量法测量修正随着船舶工业的发展,造船数量和吨位不断增大,造船行业对造船技术的工艺和质量要求越来越高。

高质量、高效率的生产设计离不开现代化的技术支持。

然而船舶柴油机轴系的扭转振动是影响船舶动力装置安全运行的重要动力特性之一。

轴系振动计算不但对深入研究船舶推进轴系的可靠性、安全性、用于动力装置故障诊断等具有重要意义，而且是船舶推进轴系设计、制造、安装和检验比不可少的环节之一，为推进装置可靠安全运行提供了有力保障。

基于此，本文结合一30万吨VLCC船舶的轴系实例对船舶柴油机扭振计算和测量分析做了简要的概述。

1，当量系统的转化根据有关轴系振动理论，船舶柴油机及推进轴系实际就是一个多质量有阻尼强迫振动系统。

实际计算分析中，可以将其转化成为若干用无惯量的轴连接起来的集中质量系统，称之为当量扭振系统。

为了使转化后的当量扭振系统能代表实际的轴系的扭振特性，一般要求：当量扭振系统的固有频率应与实际系统的固有频率基本相等；其振型与实际的振型相似。

如下图Fig.1为一30万吨VLCC油轮轴系的当量扭振系统模型。

该船安装的是瓦锡兰7RT-flex82T电喷柴油机，主机的额定功率31640Kw，额定转速80rpm。

中间轴长9927mm，直径700mm，抗拉强度为590N/mm2;螺旋桨轴长10233mm，艉轴承处直径850mm，抗拉强度为590N/mm2。

曲轴扭振测试方法
曲轴扭振测试方法通常选用频响函数法。

频响函数法是利用频响函数测试扭振的方法，主要通过测量曲轴扭转减振器的频响函数来获取扭振频率。

在测试过程中，通常会沿X方向对系统进行锤击，给系统切向激励，以模拟实际工作状态。

同时，测试之前需要先将曲轴扭转减振器加热到指定温度，然后利用保温装置进行保温，并利用非接触式温度测量装置测量系统温度，以保证测试结果的准确性。

另外，由于橡胶在100℃时会有高温失效的倾向，而实际工作温度通常低于100℃，因此通常仅对20、40、60、80℃这四个温度下的曲轴扭转减振器扭振频率进行测试。

以上信息仅供参考，具体操作可能需要根据具体情况进行调整。

如需更多信息，建议咨询专业技术人员或查阅相关技术手册。