船舶推进装置振动的测量.docx

1、船舶推进装置振动的测量船舶推进装置振动的测量1范围本部分给出了获得船舶推进系统可靠振动数据所需要的仪器、测量和数据处理程序的指南。本部分也给出了特定测量技术应用的指南，该指南对于海船和内河船舶推进装置机械振动测量是较为常用且合适的。这些测量技术适用于柴油机、汽轮机或电力推进设备，在应用时要考虑每个测量程序的特定限制。本部分所规定的程序适用于往复式机械振动（稳态或者类似扫描的准稳态情况），本部分所规定的程序不适用于瞬态、快速变化或冲击信号的测量和评价。本部分主要规定了试航时主推进装置机械振动的测量技术。相同或相似的测量原则也适用于其他目的，如性能监测、运行中异常振动的分析以及已修复部件的状态评估

2、等。在这些情况下，测量程序应适应一些特定的要求。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 2298-2010机械振动、冲击与状态监测 词汇（ISO 2041：2009，IDT）3术语和定义GB/T 2298界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1自由航行 free route船舶保持稳定航速直线航行，操舵次数尽可能少，且操舵角不超过2的状态。GB/T 28784.2-2014，定义3.33.2振动烈度 vibration severity诸如最大值、

3、平均值、均方根值或其他描述振动参数的一个或一组数值，涉及多个瞬态值或多个平均值。GB/T 2298-2010，定义3.51注：振动烈度是一种通称，过去在涉及振动速度时经常使用。然而现在更多地用于位移、加速度等其他测量量。3.3峰值 peak value给定时间区间内振动最大值。GB/T 2298-2010，定义3.44注1：振动峰值通常取为该振动量相对其平均值的最大偏移。正峰值为最大正偏差，负峰值为最大负偏差，见图1。注2：由于振动的正峰值和负峰值可以不同，因此峰值通常被认为是峰-峰值的二分之一，同见3.4。3.4（振动的）峰-峰值 peak-to-peak value给定时间区间内振动最大正

4、值与最大负值之间的差值。GB/T 2298-2010，定义3.45注1：见图1。3.5均方根值 r.m.s. value给定带宽内快速傅里叶谱的均方根值（幅值平方和的平方根）或给定时间区间（如基频对应的周期）内时间信号的均方根值。例1 在到区间的均方根值为：例2 带有N个谱线的快速傅里叶谱得到的均方根值为见图1注1：本部分定义的谱均方根值是来自于GB/T 2298-2010中5.11一个更加普遍的谱均方根的定义形式，在振动方面经常使用。注2：对于正弦波，均方根值等于峰值除以。注3：对于混合激励源应作加窗处理。需要引入额外的参数得到如下形式的均方根值：其中，B是取决于防泄露窗的加窗噪声带宽系数对

5、于汉宁窗，B=1.5对于平顶窗，B=3.77对于不加窗情况，B=1Xn是通过快速傅里叶变换得到的窄带幅值说明：1. 峰值，2. 从到的峰-峰值3. 均方根值4. 周期时间图1 振动值u(t)（简化为正弦波）4振动测试4.1 测量仪器传感器、信号调理和数据存储设备应具有在一定频率范围内进行准确测量的能力，该频率范围对于振动量的测量是足够的，应用的测量技术应保证测量精度在10%以内。涉及的各方，即船厂、船东、船级社和供应商，应根据被测机械量确定一个合适的测量频率范围。对于线性振动测量，常采用1000 Hz作为频率的上限。采用应变仪测量推进系统旋转部件载荷、扭矩或其他量时，低速两冲程发动机采用100

6、 Hz作为频率上限；四冲程发动机采用400 Hz作为频率上限（四冲程发动机，频率上限值应不小于最大转速乘以缸数）。对于齿轮箱加速度的测量，应根据激励力（齿轮啮合频率）选取较高的频率作为上限。原始数据或经过处理的数据应以电子文件的形式永久保存。在某些情况下也可使用纸制印刷文件，但为了复制的目的，仍然首选电子（模拟或数字形式）数据存储方式。操作者应熟悉从传感器到存储和回放设备（或回放数字数据）这个测量链的完整传递关系，并在现场或实验室进行验证。推荐根据激励源来记录被测振动的相位，即应提供指示主激励源绝对位置的标识。这个标识常常采用发动机曲轴的旋转角度（例如，TDC1为1号缸上死点），然而对于一些特

7、殊情况，螺旋桨的相位也非常重要。4.2 测试条件为了满足测试的可重复性，与推进系统有关的一系列测量需要在稳定的状态下进行，并且应考虑船舶特定的装载工况，例如：a) 船舶的装载工况应尽可能与约定的额定工况一致。这个装载工况至少是试航时较常见的船舶压载工况，且螺旋桨完全没入水中。b) 水深应不小于5倍的船舶吃水。偏差由合约方约定，并在报告中说明。c) 在自由航行测试时，应尽量保持直线航行，舵角左右变化应限制在2以内。d) 在没有砰击或严重海浪冲击的情况下，最大的海况应如下，具体为：小艇：1级海况；小船（100m）：2级海况；大船（100m）：3级海况。e) 发动机应在正常工况下运行。对于某些种类的

8、测量和特定设备，可约定和正常工况有一定偏差的补充测量（对于扭转振动，典型的情况如一缸熄火）。f) 对于包括多发动机、轴和离合器的较复杂系统，应在性能测试前，由涉及的各方约定待研究的工作模式类型。在这种情况，必须满足船级社的要求（例如，若两个发动机通过离合器在一个轴上运行时，单发动机和双发动机运行的扭转振动，或带有冗余推进附加标志船舶正常和紧急运行）。4.3 测试程序4.3.1总则应充分检查每一个测试通道以保证其可靠、可重复和准确的工作。应变仪安装在现场后通常进行校准。如果约定需评价机械振动类型（扭转、弯曲、回旋、纵向、横向）之间的关系（而不是仅估计每种振动类型的幅值），推荐使用同步多通道存储技

9、术，或额外存储各自通道的相位。 4.3.2 稳态测量在4.2规定的条件下，采用如下程序之一获得“稳态振动数据”：a）在最小和额定（或最大）转速之间的整个有效的转速范围内，应均匀分档进行测量记录稳态值。转速分档的数目应能准确地记录以描述出整个转速范围内的振动特性。供参考：转速分档间隔约为额定转速的5%，在共振区域附近，按照b）规定采取连续缓慢的升速或降速，或采用更小的转速分档间隔。b）从最小转速缓慢而稳定的升至额定（或最大）转速。升速应足够缓慢以保证被测振动量级能充分体现。特殊情况下，可考虑降速测量，然而，最大激励通常在升速过程中发生（供参考：对于直接传动的两冲程发动机，施加每分钟小于2%额定转

10、速的速度变化率，整个升速或降速过程持续30分钟左右；对于中高速发动机，施加每分钟小于15%额定转速的的速度变化率，整个升速或降速过程持续10min左右）。建议发动机和船在加速过程中的功率吸收曲线与其额定功率-速度曲线相匹配。特殊情况下，参见附录A提供的操纵或瞬态方式进行测量。4.4 数据处理4.4.1总则推荐采用幅值-频率曲线或者幅值-谐波阶次谱曲线的形式。通常使用至少400谱线的分辨率和汉宁窗，但为了得到更好的振幅或频率分辨率，可以使用不同的参数（例如，1600谱线分辨率、平顶窗、1 kHz频率区间）。谱应在整个记录数据的时间长度上取平均。测量谱用于生成所有主要轴旋转谐次（主要发动机激励谐次

11、、轴频、叶频）的振幅图，更多情况是轴转速与合成值（见4.4.2）的曲线图。第二种方法是，如果激励主要是以轴或发动机转速为周期，应使用阶次跟踪。阶次跟踪是一个以一定时间帧作为测量周期的过程，该时间帧连续调整以适应基础激励周期（即两冲程发动机为一转，或四冲程往复发动机为两转）。然后，相应的阶次谱或者阶次图和轴速的关系一般不需要加窗或者采用高的谱分辨率。4.4.2 振动烈度根据被测参数(见4.4.3)，振动烈度的每个值(也常常叫合成值)应以峰值或者均方根值的形式表示。恒速测量通常使用平均傅里叶变换，变速测量通常使用单傅里叶变换。对于每个测量参数，评估的频率或者阶次应在合适的范围内。如果由于多余的噪声

12、信号或其他高低频的信号扰动采用了类似滤波的后处理，则应予以说明。振动烈度可直接由滤波后的信号评估或者通过缩减的频率或阶次进行计算来评估，并考虑峰值相位。4.4.3关注的量对于机械旋转部件的测量（例如，交变扭矩或推力和交变的扭转或弯曲应力），每个周期的峰值是值得关注的，并应以图表的形式表示。这些值可以以绝对值或以额定（或设计）推力和扭矩百分比的形式进行比例缩放。为了能看出可能出现的反向扭矩或推力，测量的（或理论的）扭矩和推力的平均值的曲线应添加在图表中。注:如果交变推力大于平均推力，随着叠加的动态推力频率的变化，推力方向从船头向船尾改变。同样的，如果齿轮装置的交变扭矩超过平均扭矩，则发生可听见的

13、轮齿敲击。在设计审核时计算或评估这些状况。在极低速范围内，载荷的换向是允许运行的。对于线性振动测量，从傅里叶变换得到的均方根值常常被认为是相应的振动烈度。这适用4.5.5列出的推进装置非旋转部件的线性加速度或速度的测量。并且，最大的谱幅值也是一个重要的指标。除此之外，可以包括相关轴旋转阶次的单振幅（发动机激励谐次、轴频、叶频）和轴转速的曲线图，从而了解推进装置的共振情况。4.5 测量4.5.1总则测量范围由涉及的各方协商确定。一些测量方法得到的值不能直接用于评估；因此，需要利用数学模型对这些值重新计算，这应由涉及的各方约定并在报告中说明。4.5.2轴系的扭振测量在测量之前，通常需要进行扭振计算

14、，并且该计算应由涉及的各方约定（如船级社、制造厂、咨询师、船东）。采用合适的测量技术进行测量（见如下基本的供选方案）。测量应尽可能和实际情况一致，测量量可代表所有涉及到的振动模态。为了评估，通过可接受的扭振计算模型将测量量转换成合适的量（例如对扭矩或应力的评估，转换成系统其它部件的交变扭矩或应力）。这样的典型部件包括弹性联轴器、啮合齿轮、连接件（交变扭矩）和轴（交变剪应力）。测量技术应采用下列方法之一： 使用应变仪做动态应力测量； 使用编码器或其他角度测量方法测量扭转振动角或扭转幅值。4.5.3轴的纵向振动测量如涉及各方（如船级社、制造厂、咨询师、船东）约定，可进行纵向振动的测量。采用合适的测

15、量技术进行测量（见如下基本的供选方案）。测量应尽可能和实际情况一致，测量量可代表所有涉及到的振动模态。若没有直接测量相关参数，将测量量通过接受的计算模型转换为合适的参数进行评估。测量技术应采用下列方法之一：a) 轴的纵向窜动或振动 法兰相对轴承座或基础的运动b) 推力的测量（见注3） 在轴上通过应变仪测量纵向动态应力 推力环测量 推力轴承的移动以及利用轴承刚度模型对推力的重新计算 推力轴承非旋转件上的弯曲应力和利用轴承模型的推力的重新计算注1：常常仅在必须采用特定技术时才进行纵向振动的测量。注2：对于大型两冲程柴油机，通常在曲轴自由端进行测量。注3：在推力轴承上进行推力测量仅适用于特殊情况（比

16、如特殊船只或者在研究损伤时），即他们不适用于大型两冲程柴油机和推力轴承集成在箱体上的齿轮推进装置。4.5.4轴的回旋（弯曲）振动测量如涉及各方（如船级社、制造厂、咨询师、船东）约定，可进行回旋（弯曲）振动的测量。采用合适的测量技术进行测量（见如下基本的供选方案）。测量应尽可能和实际情况一致，测量量可代表所有关心的振动模态。若没有直接测量相关参数，将测量量通过接受的计算模型转换为合适的参数进行评估。测量技术应是以下中的一种： 由应变仪测量弯曲应力； 通过90（正交）横向探头测量轴的位移量。注：回旋（弯曲）振动测量仅适用于特殊情况（例如当计算表明固有频率和振动主激励频率接近时）。弯曲振动测量具有重

17、要的技术意义，尤其是小轴径高转速轴、大跨距轴承、以及可引起较大弯曲振动的轴系，典型的如大倾斜高速万向轴。对于回旋（弯曲）振动测量，需要采用两个90的全桥测量来评价真实的动态弯曲应力。4.5.5机器的非旋转部件和组件的直线或横向振动测量4.5.5.1总则线性（结构）振动测量通常采用加速度传感器或速度传感器。对于船上振动的测量，内部激励振动和外部激励振动均应进行测量。测试条件见4.2，测试大纲由涉及的各方确定。测量位置取决于安装形式，应在测量前由涉及的各方约定。这些测量可能包括在4.5.5.2到4.5.5.8中提到的组件。4.5.5.2柴油机4.5.5.2.1总则对于测点的定义和测试数据的评价，应

18、考虑发动机的安装形式（弹性安装或刚性安装）。一般来说，船用柴油机是定型设备。他们本身被设计成可承受一定等级的振动。振动测量的相关评估准则由发动机制造厂给出，最大值通常发生在第3层（见图2中的机架顶端）。有时，制造厂还会给出某种类型和应用的柴油机典型值的一个范围。然而，由发动机制造厂提供的许用值，通常其主要目的是为了保证长时间不损坏发动机的完整性和功能性。因为这个原因，刚性安装的发动机可接受的振动等级在第1层（见图2中的机器安装端面）时应考虑船体的要求（传递的动态力、振动和噪声）。因此，他们应该大大的低于通常在第3层可接受的值（根据安装的方向和方法，一般小于二分之一）。这不仅适用于绝大多数低速两

19、冲程发动机（见4.5.5.2.2），也适用于刚性安装的四冲程发动机。弹性安装一般适用在中速和高速发动机。在这类发动机框架和悬挂件上的测量数据是发动机直接的载荷和弹性基础上发动机的运动而共同引起的。通常，应将这些影响分开评估。船体较低的动态力、振动和噪声的要求常常是由设计合适的弹性安装系统来满足的。这样，在弹性安装下的振动等级一般低于相应的发动机的振动等级，见4.5.5.2.3。典型的振动测点和术语的定义在GB/T 6075.1和GB/T 6075.6中给出，见图2。如果发动机制造厂没有标出测点时，可以采用这些测点。 a) 低速两冲程发动机 b) 四冲程发动机说明：测量面： L 面向输出端的左手

20、 R 面向输出端的右手 测量高度： 1 机器的安装端面 2 曲轴高度 3 机架顶端 机器长度方向的测点： .1输出端.2 机器中部.3 机器的自由端方向： x 纵向y 横向z 垂向图2 柴油机上典型测点4.5.5.2.2 针对两冲程柴油机直线振动的考虑直接传动船用柴油机是典型的两冲程发动机，其额定转速范围在70 r/min到250 r/min。这样的发动机大多利用钢制螺栓刚性地连接在船体结构或基础上。因此，特别是在基础附近，振动等级很大程度上取决于基础的设计和复合结构的固有频率，这个复合结构包括利用金属垫块或树脂浇注连接在基础和船体结构上的发动机。如果发动机制造厂没有给出特定的评价准则，可采用

21、GB/T 6075.6-2002中表A.1及相应的说明作为评估准则。为了确定振动幅值的均方根值，频率范围应限制在1 Hz到100 Hz之间，局部的共振效果应采用合适的滤波技术排除，这与GB/T 6075.6-2002中4.1和第5章不同。对于发动机机架的振动（测点见GB/T 6075.6-2002中4.2，第三层），最大值（机器的振动分类数）等于5（振动烈度28级）作为初始准则是合适的。如果发动机制造厂没有给出特定的评价准则，可采用GB/T 6075.6-2002中表A.1及相应的说明作为评估准则。为了确定振动幅值的均方根值，频率范围应限制在1 Hz到100 Hz之间，局部的共振效果应采用合适

22、的滤波技术排除，这与GB/T 6075.6-2002中4.1和第5章不同。对于发动机机架的振动（测点见GB/T 6075.6-2002中4.2，第三层），最大值（机器的振动分类数）等于5（振动烈度28级）作为初始准则是合适的。根据发动机制造厂或组件供应商的规格书，也可接受更高的振动值。对于附属部件（增压器，空气冷却器，发动机控制部件）的振动，采用部件制造厂和柴油机制造厂约定允许的振动限制值，同样包括特定的频率范围和测量位置。主要附属组件（平台，排气集管等）的振动应认为是局部振动，因此不能利用这些准则提供的值来评估。一般地，作为组件设计方的发动机制造厂给出这些组件振动的评估准则。次要的附属结构（

23、例如平台地板、栏杆、管等）振动通常更多地表现为局部共振的特征，因此应分开考虑。根据应用情况，如涡轮增压器和空气冷却器这些附属部件（常常为分包商）通常被设计成和型式认可为可承受特定的振动等级。总的来说，因为设计是满足要求的，并且已经满足对特定的振动等级的条件，因此这些限制值适用于评估的目的。注1 因为GB/T 6075.6仅适用于额定旋转速度大于250r/min的机器，对于其他情况，限制值没有约束力。注2 GB/T 6075.6-2002中图C1不适用于大型两冲程发动机，因为10 Hz到250 Hz的频率范围不能反映大部分发动机低转速的影响和相应的低频影响。因此，此图不适用于这些发动机。4.5.

24、5.2.3 针对四冲程中高速发动机直线振动的考虑船用四冲程发动机覆盖的转速范围在300 r/min和2500 r/min之间；低速适用于大型中速发动机，高速适用于紧凑的高速发动机。这样的发动机一般是通过齿轮箱连接至螺旋桨轴，且大部分采用弹性安装。对于刚性安装的四冲程发动机，除4.5.5.2.1中关于第1层可接受的振动外，发动机、基础和船的相互作用与4.5.5.2.2所描述的两冲程发动机是类似的。也就是说，不仅应考虑发动机允许值，还应注意传递到船体的动态载荷在一个可接受的范围内。对于弹性安装发动机一般其振动等级更高。这是因为弹性安装的振动包含了附加的低频分量，传递到船体上的动态力被弹性元件很大程

25、度地衰减了。因此，发动机第1层（机器的安装端面，见图2）的允许值也较高，可接受值和制造厂给出的第3层的值相类似（机架顶端）。如果发动机制造厂没有给出特定的评估准则，GB/T 6075.6-2002及相关的说明可以作为准则应用。根据以上考虑，对于发动机机架的振动（测点见GB/T 6075.6-2002中4.2，第3层），弹性安装的中高速四冲程发动机最大值（机器振动分类数）等于6（振动烈度等级45）以及刚性安装的四冲程发动机最大值等于5（振动烈度等级28）作为首要准则。四冲程发动机第3层的测量（机架顶端）在实际中很难，这主要是由于其接近限制值或是缺乏合适的位置，以及测量缸顶部时振动常常包含高频分量

26、导致的。根据发动机制造厂的规定，更高的振动值是可接受的。特别是弹性安装的大功率高速柴油机可以承受更大的振动。参见GB/T 6075.6-2002中表A.1。附属部件（例如涡轮增压器，空气冷却器，发动机控制组件）的振动应视为局部振动，不能采用指导值评估。可采用安装组件制造厂和柴油机制造厂约定允许的振动限制值，同样包括特定的频率范围和测量位置。根据应用情况，如涡轮增压器和空气冷却器这些安装的组件（常常为分包商）通常被设计成和型式认可为可承受特定的振动等级。总的来说，因为设计是满足要求的，并且已经满足对特定的振动等级的条件，因此这些限制值适用于评估的目的。4.5.5.3燃气轮机作为船用燃气轮机一般原

27、则，如果燃气轮机制造厂没有给出测点位置和评估准则，可采用GB/T 6075.3和GB/T 6075.4作为船用燃气轮机的准则。当燃气轮机作为原动机进行测量时，应明确区分由燃气轮机本身产生的振动和由于船用环境导致各种振动（例如由于螺旋桨激励产生的振动）。典型情况下，设计值适用于由燃气轮机本身产生的振动，并且，测量应满足类似于燃气轮机本身的“在线监测”的目的。典型的测量是转子不平衡（径向1阶和2阶）和轴的窜动。为了正确评估这些测量，应将从认证过程得到的设计值作为参考。注 对于由于船用环境引起的燃气轮机的振动，大部分制造厂考虑速度均方根值不超过14 mm/s。然而，一些商用的燃气轮机被设计成可以抵抗

28、冲击，总体上振动值更高。排气涡轮增压器也属于一种特殊类型的燃气轮机。因为涡轮增压器安装在发动机上，他们可被认为是“附属部件”。然而，通常，这样设计的歧管可以在高振动条件下可靠的工作，应将型式认可时考虑的振动幅值作为参考。制造厂对于涡轮增压器给出了典型的可允许值作为“总的可允许振动加速度”，即25 m/s2。该值与发动机引起的气体力和惯性力有关，由发动机上的涡轮增压器的安装支架放大，应与涡轮增压器“内部不平衡”明确地区分开。一般，涡轮增压器的监控系统主要关注“内部不平衡”，并采用专用的过滤技术，该信号不足以评估涡轮增压器的整体振动。4.5.5.4蒸汽轮机作为船用蒸汽轮机一般原则，如果蒸汽轮机制造

29、厂没有给出测点位置和评估准则，可采用GB/T 6075.2和GB/T 6075.3作为船用蒸汽轮机的测量准则。当蒸汽轮机作为原动机进行测量时，应明确区分由蒸汽轮机本身产生的振动和由于船用环境导致管路产生的振动（例如由于螺旋桨激励产生的振动）。典型地，设计值适用于由蒸汽轮机本身产生的振动上，并且，测量应满足和“在线监控”蒸汽轮机本身相似的目的。这些测量的典型值是转子不平衡（1阶和2阶径向）和轴的窜动。为了正确评估这些测量，应将从鉴定过程中推导出的设计值作为参考值。注1 对于由于船用环境引起的蒸汽轮机的振动，大部分制造厂考虑速度均方根值不超过14 mm/s的情况。然而，一些商用的蒸汽轮机被设计成可

30、以抵抗冲击，总体上振动值更高。注2 小的蒸汽轮机也同样应用在电气能源产品上，使用主发动机排气。这样的管路安装在一个单独的框架上，一般而言，应根据GB /T 6075.1-1999对区域A进行限制。对于一些特殊的应用，例如汽轮机的管路直接安装在发动机上，制造厂需要使设备在合适的高振动值下合格。对于推进装置，两个蒸汽轮机通过两输入轴齿轮箱传递功率。齿轮箱本身及其辅助设备需要通过合格的限制值单独评估。在这种情况下，他们不作为蒸汽轮机一部分进行评估。4.5.5.5电力推进电机作为船用电力推进电机一般原则，如果电力推进电机制造厂没有给出测点位置和评估准则，可采用GB/T 6075.3作为船用电力推进电机

31、的准则。电力推动电机作为主要原动机进行测量时，应明确区分由电力推进电机本身产生的振动和由于船用环境产生的振动（例如由于螺旋桨激励产生的振动）。对于由电机本身产生的振动，需要采用典型的设计值。那些由转子不平衡和磁场不均匀引起的振动，可在不受船用环境影响的试验台上测量，典型的速度均方根值远小于5mm/s（允许值）。电力推进电机相连到船体系统和直接连接至螺旋桨轴上，会产生其他的振动谱。注：对于由于船用环境引起的电力推进电机的振动，大部分制造厂考虑速度均方根值不超过14 mm/s。然而，一些商用的电力推进电机被设计成可以抵抗冲击，总体上振动值更高。一阶振动（旋转）不仅由电机内部不平衡引起（见前面的内容），还主要由连接轴和对中不良导致。需要区分这两种振动：对于前者应保证在设计规定的速度均方根值内（一般小于5mm/s）；对于后者应保证电机内部的设计和限定条件满足。一般地，在GB/T 6075.1-1999中定义的区域B适用于后者产生的一阶振动。对于其他电气设备，例如轴带发电机，应用轴承的适应性是主要的限制准则。这样的话，应考虑高振动水平下轴承的设计和适应性。4.5.5.6齿轮箱齿轮箱直线振动测量是一个间接的确定齿轮箱载荷的方法，这些振动是由外部或内部的激励引起的。典型的内部激励产生的振动包