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船舶推进轴系的动态影响因素及EMD故障诊断方法研究

作　者: 陆金铭
导　师: 马捷
学　校: 上海交通大学
专　业: 轮机工程
关键词: 轴系校中动态因素轴承负荷经验模态分解集中平均经验模态故障诊断
分类号: U664.21
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

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

全文目录

摘要  5-8
Abstract  8-13
第一章绪论  13-23
  1.1 本文的研究背景  13-14
  1.2 轴系校中的国内外研究综述  14-17
  1.3 EMD 方法应用综述  17-20
  1.4 论文的主要工作与安排  20-23
第二章轴系校中的优化算法  23-41
  2.1 概述  23
  2.2 曲轴等效处理  23-28
    2.1.1 曲轴等效直径对轴承反力影响  23-24
    2.1.2 等效直径的取法  24-28
  2.3 模型中的主轴承数  28-29
  2.4 轴承初始偏移量的确定  29-34
    2.4.1 轴系刚度矩阵  29-32
    2.4.2 轴承目标反力  32-33
    2.4.3 计算初始轴承偏移  33-34
  2.5 中间轴承位置优化  34-39
    2.5.1 优化中间轴承轴向位置  34-36
    2.5.2 轴承垂向位置优化  36-39
  2.6 本章小结  39-41
第三章船舶载荷及风浪载荷对推进轴系的影响  41-63
  3.1 船舶载荷对主轴承的影响  41-49
    3.1.1 等效影响系数S i的计算方法  41-44
    3.1.2 隔舱壁变位量的计算  44-47
    3.1.3 计算实例  47-49
  3.2 波浪载荷对船舶推进轴系的影响  49-61
    3.2.1 概述  49-50
    3.2.2 波浪基本理论  50-56
    3.2.3 船体有限元模型  56
    3.2.4 波浪压力自动加载  56-59
    3.2.5 计算实例  59-61
  3.3 本章小结  61-63
第四章轴承油膜及刚度等非线因素对推进轴系的影响  63-80
  4.1 概述  63-64
  4.2 油膜计算方法  64-68
  4.3 油膜影响计算实例  68-70
  4.4 支承刚度计算  70-74
  4.5 计算模型中考虑的因素  74-76
  4.6 计算实例  76-77
  4.7 本章小结  77-80
第五章基于改进 EEMD 方法的轴承与齿轮故障诊断  80-93
  5.1 引言  80-81
  5.2 改进的 EEMD 方法  81-83
  5.3 仿真信号研究  83-86
  5.4 实验研究  86-92
  5.5 结论  92-93
第六章总结与展望  93-98
  6.1 全文工作总结  93-95
  6.2 主要创新  95-96
  6.3 研究展望  96-98
参考文献  98-108
附录  108-111
致谢  111

船舶推进轴系的动态影响因素及EMD故障诊断方法研究

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