胡 義 ，劉佳佳 ，李武超 ，劉 斌

（1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063；2.武漢理工大學 物流工程學院，武漢430063）

管道異常振動危害在各行業(yè)中時有發(fā)生。在實際管道中，流體的沖擊或脈動都會激發(fā)管道產(chǎn)生機械振動，船舶管路還受到機艙發(fā)動機激勵力和螺旋槳激勵力引發(fā)的振動以及船舶在航行時晃動的影響。因此，船舶管路的振動與陸地管道相比較，振動模式復(fù)雜[1]、幅度較大。如果不能及時監(jiān)測到異常振動并采取有效的措施，可能成為船舶的安全隱患。國內(nèi)外對管道振動的研究專注于在線監(jiān)測與故障診斷方面[2]，當發(fā)生異常振動時，需要有相關(guān)的應(yīng)急處理措施相應(yīng)對?；谝陨蠁栴}，有必要設(shè)計和實現(xiàn)船舶管路異常振動應(yīng)急處理系統(tǒng)，在一定程度上減少管道異常振動所引發(fā)的事故和經(jīng)濟損失。

1 振動處理技術(shù)

近年來，針對于軸承振動處理的研究較多，隨著振動信號處理技術(shù)的日益成熟，故障診斷系統(tǒng)已有技術(shù)支持[3]，但是與之配合的應(yīng)急處理系統(tǒng)的設(shè)計仍處于待完善狀態(tài)。引起船舶管道系統(tǒng)振動的原因很復(fù)雜，歸納如表1所示。

表1 船舶管道系統(tǒng)振動形式與原因Tab.1 Vibration form and cause of ship piping system

在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)結(jié)合了船舶管道振動模式復(fù)雜的特點，采用流量傳感器與加速度傳感器或門連接，增加了系統(tǒng)的精確性與穩(wěn)定性。同時，針對管道異常事故的發(fā)生，在監(jiān)測的基礎(chǔ)上，增添了控流、減振的內(nèi)外調(diào)節(jié)式應(yīng)急處理模塊，從而降低了管道系統(tǒng)損壞的風險。該裝置可實現(xiàn)對船舶管道振動實時監(jiān)測與應(yīng)急處理，對及時發(fā)現(xiàn)并處理管道異常振動、泄漏等類似故障，對提高管道的安全性能，提升船舶自動化程度具有重要意義。

2 試驗平臺設(shè)計

本文研究并設(shè)計了一種船舶管道異常振動監(jiān)測與應(yīng)急處理試驗平臺，如圖1所示，其硬件系統(tǒng)主要包括振動信號采集裝置、信號分析系統(tǒng)、自動應(yīng)急處理系統(tǒng)。其中，振動信號采集裝置主要包括加速度傳感器、流量傳感器、信號采集卡；信號分析系統(tǒng)由微型處理器構(gòu)成；自動應(yīng)急處理系統(tǒng)由單片機、電磁閥、緊固橡膠圈以及伺服電機組成。

圖1 監(jiān)測與應(yīng)急處理試驗平臺Fig.1 Monitoring and emergency response test platform

加速度傳感器選用AKE390B電壓型加速度計，具有低功耗、結(jié)構(gòu)堅固、輸出穩(wěn)定等優(yōu)點。流量傳感器選用西門子公司QVE1901型，傳感器將信息存儲于LMS SCADAS III數(shù)據(jù)采集端[4]。該數(shù)據(jù)采集端具有16通道，每通道最高采集頻率為204.8 kHz，量程 PQA 為（-10 V±62.5 mV）～（10 V±62.5 mV），PQMA 為（-25 V±10 mV）～（25 V±10 mV），PQCA 為（-51200±5）～（51200±5）pC， 采樣帶寬為 16 位 ΣΔ，92 kHz；數(shù)據(jù)采集前端與微型處理器連接，微型處理器實時對信號進行分析處理。若出現(xiàn)異常振動即超出所設(shè)定的安全范圍，單片機控制伺服電機帶動閥門轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)閥門開合大小的調(diào)節(jié)?？刂扑欧姍C帶動橡膠圈的縮放，實現(xiàn)對管道緊固程度與高度的調(diào)節(jié)。其共同構(gòu)成應(yīng)急處理系統(tǒng)，實現(xiàn)對船舶管道異常振動的相應(yīng)處理。

在本試驗平臺中，傳感器的選擇主要考慮到工作的環(huán)境、量程、精確性、穩(wěn)定性以及經(jīng)濟性，流量傳感器實時監(jiān)測管道內(nèi)的流量，加速度傳感器經(jīng)電壓放大器與積分轉(zhuǎn)化，實時精確而穩(wěn)定的輸出管道振動產(chǎn)生的位移、管道相對于水平面的傾斜角度等信號。在此，流量傳感器采用了普通傳感器，而振動傳感器關(guān)系到最終的定位精度，采用了AKE390B加速度傳感器。后者為單晶硅電容式，由一片經(jīng)過微機械處理的硅芯片，內(nèi)含低功率的ASIC用于信號調(diào)整，微處理器用于存儲補償值[5]；在全量程范圍內(nèi)比例因子的長期穩(wěn)定性及偏差典型值小于0.1%，能夠滿足試驗要求。

3 應(yīng)急處理系統(tǒng)設(shè)計

針對目前管道事故頻發(fā)而設(shè)計的實時監(jiān)測與應(yīng)急處理裝置，首先需要進行應(yīng)急處理系統(tǒng)的設(shè)計?？紤]到船舶管道振動的復(fù)雜性，基于傳統(tǒng)傳感器，采用流量與加速度傳感器相互協(xié)同，提高了應(yīng)急處理系統(tǒng)的精確性與穩(wěn)定性；調(diào)流、減振的內(nèi)外調(diào)節(jié)應(yīng)急處理系統(tǒng)，可控制管道內(nèi)流量的壓強、流速、流量，可調(diào)整管道的外加約束力，避免管道異常振動。

3.1 應(yīng)急處理系統(tǒng)硬件

1）單片機

單片機是整個控制系統(tǒng)的核心，選用STM32型號單片機。啟動電路使用STM32內(nèi)部生成的8 MHz信號，將微控制器從停止模式喚醒用時<6 μs，具有極高的靈活性?？梢允乖搯纹瑱C快速處理所接收的信號，及時減弱或消除異常振動，最大程度地保證機器及人員的安全[6]。

2）伺服電機

控制信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片，獲得偏置電壓。其內(nèi)部的基準電路產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5 ms的基準信號，將所得的偏置電壓與電位器的電壓相比較，獲得電壓差輸出，電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。當電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差減小，當電壓差為0時，電機停止轉(zhuǎn)動。伺服電機控制原理如圖2所示。

圖2 伺服電機控制原理Fig.2 Servo motor control principle

3）緊固支架

緊固支架在支架與管道接觸的一側(cè)加入了一圈橡膠層，以減輕外界環(huán)境對管道的影響，減少異常振動的發(fā)生。與其它支架不同的是，為了便于伺服電機調(diào)節(jié)支架的緊固程度，該支架采用釘架一體化設(shè)計，伺服電機只需控制螺母的旋轉(zhuǎn)即可控制支架對于管道的緊固程度與高度。支架調(diào)節(jié)控制流程如圖3所示。

圖3 支架調(diào)節(jié)控制流程Fig.3 Bracket regulate control flow chart

4）雙閥門流量調(diào)節(jié)

采用CK100DP型號電動比例調(diào)節(jié)閥，其重要組成部分是電位器。當閥門閥芯位置發(fā)生變化時，在電位器輸出端可獲得一電壓值，即閥門開度電壓值，該值與位移量成一定線性關(guān)系。為保證用戶設(shè)定的開度電壓值與電位器輸出電壓值相同，電動比例調(diào)節(jié)閥電機會自動改變閥芯位置，由此控制流量大小。采用2W-160-15型號電磁閥，該閥適用于0～1.0 MPa，流體溫度為-5～80℃的管道。 當流體流量正常時，電磁閥常開；當流量過大，超過限度值時，電動比例調(diào)節(jié)閥中的電位器中電位器輸出端可獲得一定的電壓，信息綜合處理系統(tǒng)在接收并處理該電壓信號后，給電磁閥通電，關(guān)閉電磁閥閥門，從而保證管路安全。

3.2 應(yīng)急處理系統(tǒng)原理

應(yīng)急處理系統(tǒng)采用控流、減振的內(nèi)外調(diào)節(jié)的控制方式，通過流量傳感器，實時獲取管道內(nèi)流量大小以及流速大?。煌ㄟ^與設(shè)定流量值比較，電磁比例調(diào)節(jié)閥工作，若流量過大至使電動比例調(diào)節(jié)閥中的電位器產(chǎn)生超過限度值的感應(yīng)電壓時，電磁閥開始工作，雙閥門系統(tǒng)進一步確保管道流量的正常。當管道振動較為劇烈時，加速度傳感器通過接口輸出位移變化量，存儲于數(shù)據(jù)采集前端，由信號分析處理系統(tǒng)，進行對信號分析處理，如果振動超出預(yù)定的安全值，則單片機控制伺服電機帶動螺母旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)管道的緊固程度與高度。應(yīng)急處理系統(tǒng)組成原理如圖4所示。

采用C#語言進行程序開發(fā)。在單片機內(nèi)編寫控制程序，能夠?qū)Ψ治鎏幚砗蟮男盘栕鲞M一步判斷處理。其主要的內(nèi)容為對采集到的信號進行FFT分析[7]，并將分析結(jié)果與預(yù)定值進行比較。預(yù)定值根據(jù)管道不同的工作環(huán)境，多次試驗而得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。主程序流程如圖5所示。

圖4 應(yīng)急處理系統(tǒng)組成原理Fig.4 Principle of emergency response system

圖5 主程序流程Fig.5 Main program flow chart

4 系統(tǒng)試驗

在實際船舶試驗中，選取與空氣壓縮機連接段管道為研究對象，其長度為10 m，通徑20 cm，壁厚0.5 cm，水頭3 m，軸線偏差主要形式為上下偏移。在系統(tǒng)開啟并運行穩(wěn)定后8 s時，通過調(diào)節(jié)管道末端，使管道軸線上下浮動管半徑（2.5 mm）的2.5%時，應(yīng)急處理系統(tǒng)發(fā)出警報，單片機及時控制螺母旋轉(zhuǎn)以調(diào)整管道的高度，使管道軸線偏差處于管半徑的（-2.5%～+2.5%）范圍內(nèi)。工況1和工況2情況下，管道的軸向上下位移對比如圖6所示。

圖6 管道軸線位移的對比Fig.6 Comparison of piping axial displacement

通過在實際船舶機艙中，管道振動測試試驗，得出以下結(jié)論：

1）管道軸線偏差大于預(yù)設(shè)值時，應(yīng)急處理系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)，響應(yīng)時間控制在2～5 s內(nèi)，考慮到信號采集、傳輸與處理的延時、故障診斷的復(fù)雜性，這樣的響應(yīng)速度是可以接受的，滿足設(shè)計要求；

2）在工況2情況下，系統(tǒng)未采取調(diào)整措施，軸線偏差處于上下波動狀態(tài)，管道產(chǎn)生振動與噪聲，磨損與疲勞損傷加重。而工況1則表明，系統(tǒng)控制支架的調(diào)節(jié)可使軸線偏差處于安全范圍，應(yīng)急處理系統(tǒng)調(diào)整精度控制在管半徑的2.5%以內(nèi)，滿足了控制系統(tǒng)的應(yīng)急要求；

3）試驗發(fā)現(xiàn)，在機艙噪音大、溫度高、振動強的惡劣環(huán)境下，該系統(tǒng)的應(yīng)急處理響應(yīng)速度與控制精度并沒有受到影響，試驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性滿足要求；

4）該應(yīng)急處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對管道異常振動的應(yīng)急處理，提高了船舶機艙的應(yīng)急能力。

5 結(jié)語

利用振動控制技術(shù)，較好地解決了管道軸線偏差所引起的異常振動問題。基于STM32的管道異常振動應(yīng)急處理系統(tǒng)，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對管道軸線偏差與流量的應(yīng)急調(diào)節(jié)，還可對管道破裂、管道泄漏等類似故障具有一定監(jiān)測與應(yīng)急處理作用，而且該系統(tǒng)可靠性強、成本低、控制精度高、響應(yīng)速度快，具有較大的推廣價值與應(yīng)用前景。為了使管道異常振動應(yīng)急處理系統(tǒng)更好地運用于船舶，今后在提高故障診斷的精確度與處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性兩方面，應(yīng)該進一步開展深入試驗研究工作。

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