娄朝辉，袁成清，郭智威，杜杰伟

(1.武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063；2.武汉理工大学 船舶动力工程技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430063)

基于LabVIEW的船舶柴油机不同工况下的机身振动信号分析

娄朝辉1,2，袁成清1,2，郭智威1,2，杜杰伟1

(1.武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063；2.武汉理工大学 船舶动力工程技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430063)

机身振动信号对船舶柴油机故障的识别具有重要作用，可为故障的分析提供重要的参数，因此编写了基于LabVIEW的柴油机振动信号的采集与分析系统，应用搭建的平台在正常工况和几种典型的故障模式下进行振动信号的采集与分析试验。从采集到的状态信号中提取与设备故障密切相关的机身振动信号进行时域、频域和幅值域的分析，同时通过各特征参数的分析对柴油机进行简单有效的故障诊断与识别，并根据计算得出的特征值的变化趋势来分析确定信号中故障的发生与发展，及时对故障作出分析诊断。这对保证船舶安全航行以及对设备实行预知维护都具有十分重要的意义。

柴油机；LabVIEW；振动信号；故障诊断

柴油机最大的优点是功率大、经济性好，在船舶设备中的地位举足轻重，它的运行状态直接关系到船舶的运行安全和在船生命及财产安全[1-2]。由于工作环境恶劣、结构较为复杂，因而柴油机具有故障易发性的特点，对其故障的诊断的识别与分析已成为现阶段机械设备故障诊断领域中的热点和难点。因此，结合现代信号处理方法于柴油机状态监测、故障识别与分析中具有十分重要的意义[3-4]。

计算机技术的不断进步使得虚拟仪器技术在故障识别与分析领域得到了广泛应用，使用故障诊断软件可满足故障识别与分析要求的同时能够较好地弥补由硬件设备带来的不足，因此广受重视和欢迎[5]。在柴油机众多信号中，机身振动信号能够较为直接的反映柴油机的运行状况，是柴油机运行状况和故障征兆信息的载体[6]。

1 机身振动信号的特征参数与性能指标

机械振动的频谱在其正常运行时是一定的，当系统中某零部件发生故障时，就会导致振动的变化，使原有频率成分发生改变，因此通过对振动信号中各频率成分的分析，与机械正常运行时的频率分布进行对比，就可判断是否存在故障[7-9]。

在监测与诊断中，常用的时间和幅值域参数主要有平均值、均方值和有效值等，常用到的示性指标主要有峰值、偏斜度指标(简称偏度)和峭度指标等。在多信号源情况下，还可利用波形参数、峰值因数、脉冲因数、裕度因数等无量纲示性指标进行故障诊断或趋势分析。

故障诊断和故障趋势分析的准确性取决于所选分析参数的性能指标的敏感性和稳定性，如峭度指标是指信号峭度与其均方根值的四次方的比值，是概率密度分布陡峭程度的度量，它的敏感性好稳定性则差。而脉冲指标的敏感性较好，稳定性一般。几种用于故障分析的常用幅值域参数的性能指标如表1所示[10-11]。

表1 幅域参数的敏感性和稳定性

2 试验设计

振动信号的采集和分析是试验的主要部分，采集的硬件部分由柴油机、传感器、电荷放大器、控制柜、工控机等几部分组成，而软件部分主要利用LabVIEW进行编程分析。

2.1软硬件的选择

测试系统由测试前端、硬件部分、软件部分组成。采用图1所示的硬件平台，在虚拟仪器技术环境中对数据采集和信号处理进行设计，可以实现柴油机机身振动信号的实时数据采集、历史数据回放和暂态数据显示的功能，从而可以对采集的信号进行时域、频域的各类特征分析。

图1 测试系统示意图

2.2数据采集的软件设计

振动信号的采集程序能够真实模拟机械设备工作时的情况，可以同时实现对多路振动信号的实时采集，并对非平稳信号进行多样分析，试验中软件的设计总体上采用队列状态机结构。采集与分析软件是基于LabVIEW设计的分析测试手段，虚拟仪器技术不仅可省却硬件设备的购置，又可实现功能的快速化、形象化。

2.3传感器安装位置

柴油机机身振动的激励源众多，选定合适的位置安装振动传感器能够有效减小其他激励对信号采集造成的影响。因机身振动的主要激励源为活塞与缸套主、副推力面的横向撞击，故将传感器固定在机身上，传感器轴线与机身的横向振动的方向平行，与主推力面的母线垂直且相交。传感器安装位置如图2所示。

图2 传感器的安装位置

2.3试验

2.3.1试验对象

试验柴油机型号为1115柴油机，缸径115 mm，冲程105 mm，采用电机倒拖的方式运转。轴瓦轴承的选择：润滑不良、超载、非有效的密封、过小的配合间隙等皆可导致轴瓦、轴承的损坏，这些因素皆有其特殊的损坏形式且会留下特殊的损坏痕迹。本次试验选用因润滑不良造成表面被磨伤且有凹凸不平的表面合金从中间向两侧移位的轴瓦作为试验对象一，而试验对象二则选用因安装不良造成偏磨的轴承。

2.3.2试验设计

工况分别设定为正常工况、轴瓦故障和轴承故障3种模式，对于每一种工况，分别在200 r/min、400 r/min和800 r/min 转速下运行，运行时间均为2 h，实验采用20 kHz的采样频率，为了保持采样频率固定，在不同转速条件下需要每周期的采样点数不同，以达到频率分析一致性的目的，见表2。

表2 柴油机故障工况设计表

3 试验分析

3.1时域分析

试验采用的是加速度传感器，在时域分析中电荷传感器的输出幅值与机身振动的加速度大小成正比关系，而数据采集卡显示的电压大小也直接与机身振动的加速度大小成正比，在采集过程中体现在波形显示框中，因此通过时域信号可以非常直接明了的观察到振动强度随时间的变化关系。

从图3、图4、图5时域波形中，可以清晰地看到柴油机运行的每周期中不同飞轮转角下的机身振动强度，进而可以很直观的进行在不同转速或缸套类型工况下的对比分析。由图3、图4、图5比较可知，随着转速的增加，机身振动的幅值均会明显的增加。且在1个周期内信号峰值主要集中在6个时刻点，说明在这6个时刻点活塞缸套的撞击比较强烈，这与我们所知道的4冲程单缸内燃机在1个循环周期内活塞与缸套有6次撞击相符合。从图中还可以看出这6个时刻点是大致均匀分布在1个周期内，也即表明峰值的出现有规律的分布在4个冲程内。而在转速一定的条件下，在图中能定性的比较出轴瓦磨损和轴承故障下的峰值均要比正常运行工况下的峰值要高，且轴承故障情况下的振动强度相对较高，随着转速的增加表现的更为强烈。说明柴油机在转速一定时，轴承故障对柴油机振动信号的影响较强且有增大的趋势。

时域分析具有形象直观的特点，观察时域信号虽然可以得到各个相位在幅值上的变化，但这种分析方法会失去振动频率等相关信息。

3.2频域分析

图3 正常工况的机身振动信号时域图

图4 轴瓦磨损下的机身振动信号时域图

图5 轴承故障下的机身振动信号时域图

工程上所测得的信号数据较为常见的是时域信号，然而机械故障的发生往往伴随着信号频率结构的变化，为了了解和分析运行机械系统的特性和状态，往往需要所测得信号的频域信息。频域分析是把采集的时域信号通过傅立叶的变换转换成以频率为横坐标，原始时域信号的频率成分幅值或相位信息为纵坐标的一种分析方法。它将信号从时域变换到频域，在频率域上研究机械系统的性能与结构参数的关系，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。它能够得到从原始时域信号无法得到的信号特征，提供比时域信号波形更为丰富和直观的信号信息，判断某些信号是否为故障信号，以此来识别和分析故障。机身振动信号的激励源较多且信号随机、激励不稳定。因此可以对振动信号进行变化，求取功率谱密度来减小随机性对分析结果的影响。然后再进行对功率谱密度对比分析，比较信号在频域范围内特征参量的变化。图6、图7、图8分别为3种工况下的机身振动信号的功率谱图。这种功率谱分析能够描述实时采集的复杂工程信号的频率结构，实现对设备系统的“透视”，从而了解机器设备各部分的工作状况。

从图6正常工况下的功率谱图可以看出内燃机的能量主要集中在3 000～5 000 Hz频段，且能量分布较为集中。对比图6、图7、图8可以发现，随着转速的增加机身振动的能量分布越来越扩散，且能量的幅值也越大。正常工况下的运行比较均衡平稳，因为其能够形成较为完整的油膜。而轴瓦磨损和轴承故障使机身的振动多了一定数量的能量峰值点，产生这种变化的原因可能是由于轴瓦间隙或轴承故障原因使活塞上下运动时在某一个或某几个固定点产生了周期性的冲击等。

3.3幅值域的特征参数分析

信号幅值上进行的各种处理称作幅域分析。一般来说，船舶柴油机的结构较为复杂，采集获得的信号信息在大多数情况下随机性较强，因此为了得到柴油机振动信号的分析指标，可将实时采集到的的机身振动信号进行参数计算。利用LabVIEW平台开发的振动信号采集分析系统采集得到1115柴油机正常状态和故障状态的机身振动信号，各参数的计算值均取样本参量的算术平均值，如表3所示，从表3可以看出以下问题。

1)峰度又称峰态系数，表征概率密度分布曲线在平均值处峰值高低的特征数。从上述振动信号的特征值可以看出随着转速的增加3种工况下的峰度整体趋势均为降低，峰度越大表明加速度的变化范围越大，振动越不平稳。在200 r/min转速下，峰度值最大，柴油机运行最不平稳，随着转速的增加各工况下的峰度值均减小，运行越来越趋于平稳。而在同一转速下，轴承故障下的峰度值最大，可见轴承故障对柴油机运行的稳定性影响较大。

图6 正常工况的机身振动信号功率谱图

图7 轴瓦磨损下的机身振动信号功率谱图

图8 轴承故障下的机身振动信号功率谱图

表3 幅值域各参数值

2) 周期内加速度的均方根值，可作为反映整个周期内能量大小的参量。从数据可以看出轴瓦磨损和轴承故障情况下的均方根值要比正常工况下的值要大得多，这与理论上存在故障的柴油机振动能量较大的分析相一致。

3) 最大值与最小值，该参数表示为每周期振动信号加速度的极值。随着转速的增加极值也在不断的上升，此种现象的原因是随着转速的提高，活塞对机体的横向撞击加强。在同一转速下，机身振动信号的最大值、最小值以及峰值的显著增大反映出轴承或轴瓦存在故障，这与试验设计结果相吻合。

4) 脉冲因数对冲击脉冲类故障比较敏感，在转速200 r/min的时候，故障模式下的脉冲因数和正常工况下有明显的增加，但400 r/min、800 r/min时，数值反而降低，表明随着采集时间的增加，故障柴油机逐渐发展磨合，趋于稳定，脉冲因数对早期故障有较高的敏感性，但稳定性不好。

4 结束语

1)柴油机机身振动信号的时域、频域和幅值域参数，甚至包括统计参数以及无量纲参数在一定程度上能够反映出信号的波动情况和变化程度，正确选择可以进行故障的识别与预防。

2)柴油机振动信号激励源众多，信号的重复性较差，同一工作段的某些参数变化较大。选定机身振动信号作为研究对象，利用所设计的信号采集与分析软件进行特征值的分析可为故障识别提供可用的参数，在一定程度上验证了该软件在诊断与识别轴瓦磨损和轴承故障时的有效性。

3)把虚拟仪器技术应用于柴油机的故障诊断中，实现对柴油机在不解体的情况下进行故障的智能监测与识别，是智能故障诊断的一个发展方向。

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Fuselage vibration signals are of great importance on failure diagnosis of marine diesel engine,which can provide important parameters for failure analysis.An acquisition and analysis system of diesel engine vibration signal is written based on LabVIEW,applied on the built platform to test the acquisition and analysis of the system in normal working conditions and several typical failure modes.The fuselage vibration signals closely related to equipment failure are extracted from the collected state signals,which will be analyzed for its time-domain,frequency domain and amplituade-domain.At the same time,simple and effective fault diagnosis and recognition for the diesel engine were analyzed through the characteristic parameters.According to the trend of changes in the eigenvalure,the occurrence and development of the failure can be determined,thus timely and accurate analysis and diagnosis of the failure can be made.This has great significance for ensuring the safe navigation of the ship as well as the implementation of equipment prodictive maintenance.

diesel engine;Lab VIEW;vibration signal;fault diagnosis

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.04.014

霍英东教育基金会高等院校青年教师基金(131051)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-12-0910)

娄朝辉(1988-)，男，河南永城人，在读硕士研究生，研究方向为船舶能源与动力及可靠性。

2014-03-21