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原文传递船舶推进轴系的动态影响因素及EMD故障诊断方法研究

论文题名：	船舶推进轴系的动态影响因素及EMD故障诊断方法研究
关键词：	船舶推进轴系;经验模态分解方法;故障诊断;优化逼近
摘要：	随着船舶向大型化方向发展,推进轴系刚度越来越大,而船体由于采用结构优化设计及高强钢的使用更易产生变形，两者难以适应,在风浪冲击等动态因素作用下,易造成轴系故障及损坏事故。由于轴系结构及受力的复杂性,各动态因素的作用机理尚不清楚,有必要进行深入研究。　　本文对轴系校中的多种影响因素作用机理及影响程度进行了较全面的研究,同时对船舶推进系统主机及轴系的早期故障诊断方法进行试验研究,在转子试验台上测取滚动轴承及齿轮等故障时的振动信号,用经验模态分解方法(EMD)及改进的集中平均经验模态方法(EEMD)进行分析,提取其故障特征,验证方法的有效性,为实船轴系故障研究打下基础。　　对校中模型中曲轴的等效直径的取法进行研究,有限元方法分析表明:曲轴转角及各曲拐相对角度对轴承负荷有一定影响;等效直轴可用来近似曲轴,但轴承负荷不能做到完全一致;不同曲轴其等效直径的比值是不同的,应根据具体情况取不同值。当已知需精确计算的主轴承数时,在计算模型中必须多考虑2个主轴承。　　提出一种基于刚度矩阵的确定轴承位置及偏移量的优化逼近方法,该方法方便并且有效。由轴承支反力影响系数构成轴系刚度矩阵,根据各轴承的目标负荷,可反推出各轴承的垂向偏移量。当艉管轴承及主机轴承确定后,可对中间轴承的轴向位置及垂向位置进行优化计算。　　针对主轴承因船体变形而失去负荷并可能引起损坏,提出一种判断主轴承损坏可能性的方法,以机舱后隔舱壁的相对变位量作为参考量,计算主轴承失去载荷时对应的参考量值,与可能出现的参考量极限值进行比较,可判断主轴承因船体变形而损坏的可能性。以某176,000DWT散货船为例进行计算,表明该方法的可行性。　　为解决二维方法分析波浪对推进轴系影响不够准确的问题,提出一种三维有限元建模及波浪压力自动加载的分析方法。通过对某散货船进行三维有限元建模,基于PATRAN命令语言(PCL)进行编程,计算作用于船体有限元的波浪压力,并进行自动加载分析。在不同海况下,计算船体变形情况,分析了推进轴系处船体的相对变位及对轴承负荷的影响。在4级及4级以下海况时,波浪对轴线处船体变位影响较小。波浪对轴线处船体变位影响随海况增加而增加,在8级海况以上时,轴线处船体变位最大值超过4mm,将对推进轴系各轴承负荷造成巨大影响。在航向角为30度时,三个方向的相对变位都有所增加。　　轴承油膜是影响轴系校中的一项重要动态因素。本文用数值分析方法解径向轴承雷诺方程，得到索莫菲尔德数及轴心偏位角与轴承宽径比B/D及轴心偏心率ε之间的关系,并针对特定船用轴承,计算得到油膜刚度及油膜力与轴颈转速及偏心率之间的关系。以某115000吨级散货船轴系为例,用ANSYS及MATLAB软件分析计算,分析了桨浸水状态对各轴承的负荷影响,计算得到了实例轴承偏心率ε及偏位角β与轴转速 n的关系,同时对轴承处轴颈垂直方向及水平方向偏心进行了计算,最后对油膜对各轴承负荷的影响进行了计算分析,结果表明:不同转速状态下油膜对各轴承负荷的影响不尽相同,低转速时影响较大,随着转速增加,影响逐渐减小。　　轴承刚度、轴承间隙、船体弯曲变形、轴承温度变化、桨轴向推力偏心及推力轴承反力偏心等非线性因素都会对轴系校中产生一定的影响,介绍了各因素的分析计算方法。研究表明轴系轴承综合刚度主要由所在位置船体刚度、轴承刚度及轴承油膜刚度等组成,各轴承点的船体刚度,应考虑相互之间耦合影响。船体刚度、轴承刚度及轴承油膜刚度在数值上处于同一数量级或相邻数量级,因此在计算各支承点综合刚度时,三者都应考虑。　　轴系轴承及主机轴承负荷会随曲轴转角的变化而变化,在校中不当时,个别轴承负荷在某些转角范围内会过大或过小。提出一种轴承负荷会随曲轴转角变化的计算方法,即采用3D方法对曲轴及轴系建模,每个节点有6个自由度,考虑轴承间隙等非线性因素,考虑船体弯曲变形、轴承温度变化、桨轴向推力偏心及推力轴承反力偏心引起的动态弯矩等因素等,计算各轴承负荷随曲轴转角的变化情况,使计算结果更附合实际。　　针对EMD方法的模态混叠问题,提出了一种改进的EEMD算法,可以较大幅度提高重构信号信噪比,改善模态混叠问题。通过仿真信号分析,发现加减噪声的EEMD方法性能优于单纯加噪声的EEMD方法,找出了加入噪声与待分解信号方差比的最佳范围及集中平均的最佳次数,用这些最佳参数对信号进行加减噪声的EEMD分解,得到各内禀模态分量(IMF),选取与信号相关程度较高的IMF进行信号重构,将重构信号作为待分析信号进入下一轮EEMD分解重构,随着循环次数的增加,重构信号的信噪比不断提高直至最大值。对齿轮及轴承故障实测振动信号的分析表明此方法的有效性,从瞬时能量密度谱中可较清晰地发现故障特征频率。
作者：	陆金铭
专业：	轮机工程
导师：	马捷
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文