李江柏，段向陽，2，黃本潤，周 平

(1.中國人民解放軍92557部隊，廣東廣州，510720;2.海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院，湖北武漢，430033)

0 引言

由于噴水推進(jìn)船具有快速性優(yōu)、機(jī)動性高、操縱性好、抗空化能力強(qiáng)、高速時推進(jìn)效率高、振動與噪聲低等優(yōu)點，在世界各國的高速客渡船及軍用高性能艦船上均有廣泛的應(yīng)用［1-2］。

盡管噴水推進(jìn)具有抗空化能力強(qiáng)的優(yōu)點，但在啟航、加速、轉(zhuǎn)彎、倒車、拖帶、平移和部分泵工作時，噴水推進(jìn)泵很容易進(jìn)入空化區(qū)。由于噴水推進(jìn)在國內(nèi)應(yīng)用較晚，目前國內(nèi)還沒有建立相應(yīng)的空化監(jiān)測裝置，有關(guān)噴水推進(jìn)器空化監(jiān)測的研究還處于探索階段。牟介剛等人對噴水推進(jìn)泵的空化噪聲源進(jìn)行了深入分析，指出在噴水推進(jìn)降噪研究中應(yīng)重視空化噪聲［3］。何杰等對噴水推進(jìn)泵空化預(yù)測原理和方法進(jìn)行了研究，提出了噴水推進(jìn)泵空化監(jiān)測的方法和步驟，為開展相關(guān)的研究提供了很好的參考［4］。蘇永生、段向陽等人設(shè)計了噴水推進(jìn)器實船空化監(jiān)測方案，闡述了其空化監(jiān)測的機(jī)理，對噴水推進(jìn)器空化監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了研究［5-6］。本文在此基礎(chǔ)上對噴水推進(jìn)泵空化進(jìn)行實船測量，通過對大量實驗數(shù)據(jù)的分析，確定了適宜于空化在線監(jiān)測的特征量及其對應(yīng)的監(jiān)測報警閾值。

1 空化監(jiān)測原理和方法

空化發(fā)生時，會產(chǎn)生大量的氣泡，氣泡隨著周圍流體運動到高壓區(qū)時會潰滅?？张莸臐鐣a(chǎn)生高頻脈沖，輻射空化噪聲，引起介質(zhì)壓力波動，并誘發(fā)機(jī)械結(jié)構(gòu)振動?？栈O(jiān)測的原理就是測量空泡潰滅時產(chǎn)生的沖擊波和輻射噪聲以及介質(zhì)的壓力脈動和機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動，從測量信號中提取出表征空化的特征，建立空化特征值與空化強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系，通過監(jiān)測信號中各特征值的變化來判斷空化的發(fā)生和發(fā)展，從而達(dá)到監(jiān)測空化的目的。

國內(nèi)外學(xué)者對葉輪機(jī)械的空化監(jiān)測進(jìn)行了大量研究，提出了很多有效的空化監(jiān)測方法。常用的空化監(jiān)測方法有噪聲測量法、高速攝影法、超聲監(jiān)測法、壓力測量法和振動測量法等［7-10］。

本文在國內(nèi)首次開展了噴水推進(jìn)泵實船空化測量實驗研究。通過安裝在噴水推進(jìn)泵葉輪進(jìn)口前的水聽器和泵殼上的加速度傳感器分別獲取空化時的水聲信號和空化引起的結(jié)構(gòu)振動信號。通過對測試信號的分析，深入探討噴水推進(jìn)泵空化的特點和規(guī)律。利用虛擬儀器技術(shù)，建立了基于LabVIEW的空化在線監(jiān)測系統(tǒng)。

2 噴水推進(jìn)泵空化在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 空化在線監(jiān)測系統(tǒng)組成

整個監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器，信號調(diào)理模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，便攜計算機(jī)以及相應(yīng)的分析處理模塊組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Composition diagram of monitoring system

通過測取噴水推進(jìn)泵內(nèi)的水聲信號和泵殼體振動信號來確定泵的空化狀態(tài)，同時測取泵軸轉(zhuǎn)速和航速信號作為參考。水聲信號通過RHS-30水聽器獲取，振動信號通過PCB 608A11加速度傳感器測取，轉(zhuǎn)速通過HE-01霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測取，航速通過422串口從計程儀引入。各傳感器主要參數(shù)如表1所示。數(shù)據(jù)采集模塊采用了NI的PXI系列板卡，其中PXI-4472用來采集振動和水聲信號，PXI-6251用來采集轉(zhuǎn)速信號，PXI-8431/2用來采集航速信號。所有信號同步采集，水聲信號和振動信號采樣率分別設(shè)為102.4 kHz和51.2 kHz。

2.2 空化監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能

利用圖形化編程軟件LabVIEW構(gòu)建了空化監(jiān)測系統(tǒng)平臺。該監(jiān)測系統(tǒng)主要包含以下功能模塊:

1)參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊主要功能是設(shè)定各傳感器對應(yīng)的物理通道、采樣率以及傳感器靈敏度等參數(shù)，進(jìn)行各通道信號的采集。

2)在線處理模塊

在線處理模塊包含航速信號采集與顯示單元、轉(zhuǎn)速信號采集與顯示單元、水聲信號和振動信號采集與顯示單元，以及空化報警單元。

①航速信號采集與顯示單元

通過NI PXI-8431板卡將包含航速信號的串口信息讀入采集系統(tǒng)，編程提取航速信息并顯示。

②轉(zhuǎn)速信號采集與顯示單元

通過NI PXI-6251板卡采集轉(zhuǎn)速傳感器原始方波信號，通過編程提取頻率，通過計算轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速并實時顯示。

③水聲信號和振動信號采集與顯示單元

通過2塊NI PXI-4472板卡分別采集水聲信號和振動信號，在時域和頻域進(jìn)行實時顯示。

④空化報警單元

分別計算各通道的水聲信號和振動信號在特征頻帶上的聲壓級和振動加速度級，根據(jù)實測據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果設(shè)定對應(yīng)的閾值，當(dāng)聲壓級和振動級超過該閾值時產(chǎn)生持續(xù)聲光報警。聲報警可手動進(jìn)行消音。

3)數(shù)據(jù)保存模塊

數(shù)據(jù)保存模塊包含參數(shù)信息保存和測試數(shù)據(jù)保存單元。其中參數(shù)信息保存單元通過配置文件將試驗時間、試驗內(nèi)容、試驗工況、傳感器參數(shù)和采樣參數(shù)等信息單獨保存。測試數(shù)據(jù)保存單元分別將航速信號、轉(zhuǎn)速信號、水聲信號以及振動信號單獨保存為excel文件。同時具備空化報警數(shù)據(jù)自動保存功能，打開該功能按鈕后，如果出現(xiàn)空化報警，自動將該報警數(shù)據(jù)保存下來。同時可根據(jù)需要或?qū)梢蓴?shù)據(jù)手動進(jìn)行保存。

4)離線分析模塊

通過該模塊可查看保存的數(shù)據(jù)信息，并可進(jìn)行相應(yīng)的離線分析。監(jiān)測報警系統(tǒng)流程如圖2所示。

3 空化在線監(jiān)測系統(tǒng)在實船上的應(yīng)用

試驗船安裝有4臺噴水推進(jìn)泵，分別在每臺泵對應(yīng)位置安裝1個水聽器、1個加速度傳感器和1個轉(zhuǎn)速傳感器，對其空化狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，監(jiān)測界面如圖3所示。

圖3 噴水推進(jìn)泵空化監(jiān)控面板Fig.3 Cavitation monitoring panel for waterjet pump

3.1 傳感器的安裝

綜合考慮傳感器安裝要求和實船安裝環(huán)境，將水聽器安裝在位于噴泵葉輪進(jìn)口前檢查孔的空腔里，水聽器通過隔振橡膠固定在空腔內(nèi)，空腔內(nèi)注滿水，底部用高強(qiáng)型玻璃鋼聲板將水流隔離。該聲板由基體3201#樹脂和增強(qiáng)材料高強(qiáng)4枚緞紋纖布生產(chǎn)而成，其力學(xué)性能和聲學(xué)性能均滿足GJB-24A-95標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.2 空化監(jiān)測特征閾值的確定

空化在線監(jiān)測必須選用合適的空化監(jiān)測方法、選取適當(dāng)?shù)臏y量位置，以及選擇有效的空化監(jiān)測特征。研究表明，空化后聲壓級或振動級有10～20 dB的躍升。本文采用特征頻段的聲壓級和振動級作為監(jiān)測特征，為保證空化報警的準(zhǔn)確性，必須對報警閾值進(jìn)行合理的取值。

由于噴水推進(jìn)船在部分泵工作時容易進(jìn)入空化區(qū)，分析發(fā)現(xiàn)在4泵、3泵或單泵正常使用工況下均處于無空化工作區(qū)。下面主要對2泵工況進(jìn)行分析。

通過高階導(dǎo)數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，水聲信號在8～15 kHz和15～25 kHz頻段內(nèi)出現(xiàn)明顯峰值，振動信號在3～8 kHz頻段內(nèi)變化明顯。由此，選擇上述頻段作為水聲信號和振動信號的空化監(jiān)測特征頻段。圖4～圖6分別為2泵工況時主機(jī)轉(zhuǎn)速從1 650～1 900 rpm變化過程各特征頻段聲壓級和振動級分布規(guī)律。

從圖4和圖5可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的升高，聲壓級呈現(xiàn)出先增大、到達(dá)極值后又逐漸減小的趨勢，與典型的空化聲壓變化規(guī)律相吻合。研究表明，當(dāng)空化聲壓級達(dá)到極值時，此時空蝕率也達(dá)到最強(qiáng)［11］。因此，要想有效防止空化空蝕破壞，必須在聲壓級達(dá)到最大值之前及時發(fā)出警報。對比聲壓級和振動加速度級的變化趨勢，結(jié)合空化聲壓曲線變化規(guī)律，可以判定2泵工況時空化轉(zhuǎn)速在1 800 rpm左右。相對于無空化轉(zhuǎn)速工況，此時特征頻帶聲壓級和振動級均有約10 dB躍升。據(jù)此設(shè)定空化監(jiān)測參考閾值如表2所示。

表2 各頻帶的參考監(jiān)測閾值Tab.2 Monitoring threshold for each frequency band

根據(jù)實船監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在4泵各轉(zhuǎn)速下，水聲信號在8～15 kHz和15～25 kHz頻帶聲壓級最大值分別為145 dB和134 dB左右，振動信號在3～8 kHz頻帶振動級最大值約為140 dB。3泵和單泵各工況下對應(yīng)頻帶的聲壓級和振動級也基本上沒有超過設(shè)定的報警閾值。由此可見，設(shè)定的報警閾值在一定程度上可以對噴水推進(jìn)泵的空化進(jìn)行有效的監(jiān)測，有一定的工程應(yīng)用價值。

4 結(jié)語

本文在國內(nèi)首次開展了噴水推進(jìn)泵實船空化監(jiān)測實驗研究。利用LabVIEW圖形化開發(fā)平臺構(gòu)建了噴水推進(jìn)泵空化在線監(jiān)測系統(tǒng)，利用水聲信號和振動信號對應(yīng)特征頻帶的聲壓級和振動級對空化狀態(tài)進(jìn)行實時評估，實現(xiàn)了空化的在線監(jiān)測。通過實測數(shù)據(jù)分析，確定了特征頻帶聲壓級和振動級對應(yīng)的監(jiān)測報警閾值。實船試驗表明，該在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效地對噴水推進(jìn)泵的空化狀態(tài)進(jìn)行實時在線監(jiān)測。

本研究為噴水推進(jìn)泵空化在線監(jiān)測儀的研發(fā)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，有一定的工程應(yīng)用價值。為了提高監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，報警閾值的確定還有待于進(jìn)一步深入研究。

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