船舶发动机振动故障监测系统研究

船舶发动机振动故障监测系统研究

王子枎

身份证号：1521232002****0614

摘要：近年来，我国的船舶行业有了很大进展，在船舶中，发动机是非常重要的组成部分。船舶发动机结构复杂、设计精密，是船舶的动力核心，其振动故障监测与诊断是保障船舶运行正常的关键。在船舶发动机振动故障监测技术领域，故障特征信息的获取、故障特征的提取识别得到了广泛应用。基于此，本文就船舶发动机振动故障监测系统进行研究，旨在为船舶发动机振动故障监测技术的发展提供参考。

关键词：船舶；发动机；振动监测；振动故障；监测系统

引言

发动机是船舶的动力机构，是船舶的心脏，配气机构是发动机的心脏，而正时机构则是配气机构的核心。性能良好的正时系统能够保证各个气缸良好的工作循环和点火次序要求，使发动机达到最佳工作状态。由于链传动具有传动比准确、工作可靠性高、传递功率大、效率高、过载能力强，且能够与发动机同寿命等优势，因而被广泛应用于正时系统。随着用户对乘用车舒适度要求的不断提升，改善船舶振动噪声问题已成为各大船舶企业研究热点。

1发动机正时链系统振动噪声产生机理

正时链系统通常是由正时链条、凸轮轴链轮、曲轴链轮、导轨、张紧导轨及液压张紧器组成。根据发动机设计需求，正时链系统设计成不同布局形式，如：双顶置布局、单顶置布局等。同时，链条也可以采用多种形式，例如：滚子链、齿形链等。由于正时链的工作机理是利用高强度金属链条连接曲轴链轮和凸轮轴链轮，使凸轮轴与曲轴保持固定传动比运转，在运转过程中，正时链系统往往伴随着振动噪声问题。正时链系统的振动激励源主要由内部激励源和外部激励源构成。内部激励源是指链条与链轮运转过程中的啮合冲击和多边形效应引起的动态激励；外部激励源是指曲轴速度波动、凸轮轴扭矩波动、张紧器对导轨的激励等外部因素对正时链系统产生的激励。

2船舶发动机振动故障监测系统

2.1船舶发动机振动故障监测系统总体设计

压电振动换能器基于压电材料的正压电效应来实现能量的收集。在外界振动环境的激励下，正压电效应的作用可将压电材料的机械形变转换为电能输出。因此，微型线性压电振动换能器的发展和应用是以正压电效应的发现和压电材料的提供为前提条件。压电振动换能器是指利用正压电效应收集转换能量的装置。压电材料受到外部振动激励在正压电效应作用下实现机械变形转换成电能。因此，压电振动换能器的开发和应用的基础是正压电效应的发现和压电材料的运用。本研究提出运用压电振动换能器为船舶发动机振动故障监测系统的无线传感器监测节点提供电能，由于换能器输出能量微弱，需借助薄膜电池，通过一定时间的充电聚集电能在快速放电以驱动负载，确保船舶发动机振动加速度传感节点稳定运行。该系统硬件部分主要包括加速度传感器监测节点、PC端显示器、CC430单片机、薄膜电池、压电振动换能器等。加速度传感器监测节点由换能器供电。PC端主要包括无线-USB接口和显示软件构成。系统使用薄膜电池存储换能器转换的电能，当存储电能达到一定容量时，通过电源管理电路为传感器节点提供电能，确保传感器长期稳定采集船舶发动机振动信号，通过CC430单片机处理振动信号并传输至中继节点。最后，由中继节点将振动数据传输至PC端，呈现给用户。为满足低功耗要求，传感器监测节点选用CC430单片机，该单片机自带无线发射芯片，同时选用低功耗的ADXL312型加速度传感器，大大降低系统功耗。

2.2轮机辅助系统检查方法

轮机辅助系统的检查方法可以归结为：第一，扩大储油罐的间距，明确储油罐是否防护科学、间距太近。第二，检查自动排气阀的构造是否存在问题，明确阀座和电磁阀的衔接加工工艺，如果有问题，则务必及时解决。与此同时，对阀座的密闭性进行检查，明确是否存在泄漏状况，并加强预防措施。当发现自动排气阀无效时，务必对阀座和油路板开展相应的检查，便于提早发现故障，防止发生烧毁事故。一般的烧毁故障都是因为阀座突面不符合规定的密闭性，因此通过检查能够合理地避免气体泄漏。应进一步加强对汽柴油的管控，防止购置、使用品质不过关的汽柴油，进而避免发生化学腐蚀。第三，对管道清洗系统开展性能检测，尤其是管道供压设备的工作状况，并确保管道清洁系统软件正常工作；相关负责人还要定时对管道进行清理，首先将海水储水箱的气体引入管道，然后将工作压力设备引入管道中，对海水给予工作压力，保证海水的清洁功能。第四，将掉线阀、排气阀和进气阀组装到自然通风管道上，能够给予海水极大的工作压力，进而降低水栅的堵塞概率。工作人员还需要定时对管道进行检查和维护，避免堵塞，一旦发现堵塞，应立即清理。

2.3增设隔振器降低振动

通常来说，发动机并不是直接和船舶车体相连的，而是通过一个橡胶隔振器，起到降低振动的作用。在应用橡胶隔离装置时，只要适当增大其阻尼比，在适当范围内，即可实现对船舶车身的减振作用。尤其是在易产生谐振的船舶部位，通过提高减振橡胶的减振比，可以更好地实现谐振放大系数的控制。在提高减振效果的同时，也可以适当地选取减振装置的刚性。其目标是使船舶整体的振幅能够被很好地抑制，从而防止汽车产生较大的振动。

2.4船舶发动机振动故障监测系统软件设计

该系统的振动加速度监测节点程序流程图6所示，首先，进行协议栈初始化，开启CC430中断，确认振动加速度传感器是否开启以及是否已采集振动数据，接着，开启低功耗休眠模式。根据硬件电路设计，一旦加速度传感器成功上电并采集到振动信号，就会产生中断信号唤醒CC430单片机，如有唤醒数据，则启动加速度传感器并读取数据，读取完成后，传感器进入低功耗待机模式，判断传感器是否成功接入网络，如成功则将振动信号数据发送给控制节点。振动监测节点采集传输数据后，如果需要增加传输距离，则需增加中继节点，其主要作用是传输振动监测节点数据，以便将数据传输到更远的位置。

2.5优化船舶性能来降低振动

本文通过对船舶发动机的振源进行有效的调控，避免共振区产生，并采用合适的隔离装置隔离振荡，同时通过对其外表面进行适当的优化，从而达到改善整车性能，降低振动的目的。最常用的方法就是增加船舶车体的刚度，以确保船舶车体的总自振频率，从而改善船舶的减振性能。因此如何进行船舶的结构设计，就要求船舶的每一个几何尺寸都要经过科学的计算，这样就可以准确地计算出船舶的安装角度。此外，在进行船舶车身设计时，要确保车身设计的标准化，而且要尽量将实际生产和理论设计的一致性结合起来，而且，利用大断面尺寸薄壁构件，可以进一步降低对材料的用量，提升车架刚度。以上几种方法均可有效地改善船舶的减振性能，降低发动机的振动。

结语

综上所述，采用加速度传感器采集船舶发动机振动信号数据，利用压电振动换能器为加速度传感器提供电能，保证其稳定运行，从而实现对振动信号的实时采集。该系统可实时采集振动信号并在PC端显示，当振动信号数据超过阈值时可自动报警。也可对振动信号进行频谱分析，提供故障诊断依据。但本研究只设计系统的软硬件设计，对振动信号处理分析方面的研究有待完善。

参考文献

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