黃銳彬 蔡春波 程琍斌

摘 要：大型裝備在海上運輸過程中，由于海上風(fēng)浪涌的干擾和駕駛操作等因素的影響，船體產(chǎn)生搖晃。隨船運輸?shù)脑O(shè)備隨船體的晃動，其結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的振動、傾斜等情況。通過傳感監(jiān)測手段采集海上運輸過程中設(shè)備的動態(tài)信號數(shù)據(jù)，獲得設(shè)備在船運過程中的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，對海洋運輸過程設(shè)備結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)分析評估具有重要意義。本文通過海上升壓站遠(yuǎn)海運輸過程中的監(jiān)測技術(shù)需求，研究了基于振動和傾角傳感器信號采集為主的動態(tài)信號監(jiān)測技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了針對大型裝備遠(yuǎn)海運輸中的特點和技術(shù)要求的信號監(jiān)測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：海洋運輸;監(jiān)測技術(shù);振動監(jiān)測

中圖分類號：U698? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）01-0087-03

1引言

一般來說，大重型裝備的海上運輸往往容易遇到風(fēng)浪涌的干擾，裝備受海洋運輸環(huán)境變化和駕駛操作等原因的影響，隨船體產(chǎn)生振動和搖晃[1]。如果振動頻率或搖晃造成的設(shè)備傾斜超過設(shè)備設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，一方面可能對設(shè)備結(jié)構(gòu)造成一定損傷，使得設(shè)備后續(xù)使用安全性存在隱患;另一方面，船體晃動過大存在設(shè)備傾覆的危險。目前，關(guān)于大型裝備海洋運輸過程中由于海況變化導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)搖晃，或主要結(jié)構(gòu)件在特定條件下因船體搖擺產(chǎn)生的振動加速度對結(jié)構(gòu)的影響等等這些方面的數(shù)據(jù)采集和分析還是空白。這些問題的解決，其前提條件就是首先要得到在海洋運輸中裝備結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位振動、晃動等的實時變化信號。為此，本文提出了一種適于海洋運輸環(huán)境的大型裝備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，以海上風(fēng)電場升壓站海上運輸過程監(jiān)測數(shù)據(jù)需求為應(yīng)用案例，研究了基于振動和傾角傳感器信號采集為主的動態(tài)信號監(jiān)測技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了針對大型裝備遠(yuǎn)海運輸中的特點和技術(shù)要求的信號監(jiān)測系統(tǒng)[2-3]。該系統(tǒng)通過對大型裝備在船舶運輸過程的振動和傾角等動態(tài)信號進(jìn)行在線實時的采集和存儲，并在實驗室條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析與計算，最終形成數(shù)據(jù)分析報告，為大型裝備海上運輸環(huán)境中的裝備結(jié)構(gòu)安全評估提供數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)了遠(yuǎn)海運輸環(huán)境中設(shè)備結(jié)構(gòu)狀態(tài)的實時跟蹤。

2信號傳感及其采集分析系統(tǒng)的建立

海上風(fēng)電場升壓站上部組塊外輪廓長度約58.35m，寬約52.15m，高約17.58m為了有效分析海上升壓站在海洋運輸時由于風(fēng)浪及船體搖晃而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動和傾斜數(shù)據(jù)，需建立相應(yīng)的信號傳感和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)對升壓站結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位振動加速度和傾角等動態(tài)信號的采集，圍繞結(jié)構(gòu)主要測點各個方向振動加速度和傾斜角度分析，主要傳感信號的設(shè)置總達(dá) 20個通道，滿足技術(shù)分析的要求。

2.1振動傳感器選擇與布置方案

海上升壓站在運輸過程中由于船體的運動結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生三個方向的振動，因此，需要選擇傳感器可同時采集3個方向振動數(shù)據(jù)。同時，船體運輸過程中設(shè)備結(jié)構(gòu)隨船體晃動引起的振動頻率較低，需選擇采樣頻率低的傳感器。為了更好的采集分析設(shè)備振動信號，系統(tǒng)選擇了適于低量程范圍且穩(wěn)定性好的三向電容式加速度傳感器進(jìn)行振動信號采集，考慮升壓站結(jié)構(gòu)特點，在其四個樁腿根部各布置1個三向加速度傳感器，通道編號如下：

位置1測點編號：J1X，J1Y，J1Z;

位置2測點編號：J2X，J2Y，J2Z;

位置3測點編號：J3X，J3Y，J3Z;

位置3測點編號：J4X，J4Y，J4Z。

其中測點編號中 J1～J4 表示測點位置， X、Y 和 Z表示振動方向。加速度傳感器如圖1所示。

2.2角度傳感器選擇與布置方案

在升壓站運輸環(huán)境技術(shù)要求中，需要了解結(jié)構(gòu)傾斜情況，因此，需要對升壓站傾斜情況進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)構(gòu)晃動程度主要通過結(jié)構(gòu)傾斜角度進(jìn)行評價，為此本項目采用傾角傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)傾斜程度?？紤]升壓站結(jié)構(gòu)特點，選擇在四個樁腿根部與加速度傳感器同步布置傾角傳感器，通道編號如下：

位置1測點編號：Q1X，Q1Y;

位置2測點編號：Q2X，Q2Y;

位置3測點編號：Q3X，Q3Y;

位置3測點編號：Q4X，Q4Y。

其中測點編號中 Q1～Q4 表示測點位置， X、Y分別表示結(jié)構(gòu)的縱搖和橫搖角度。傾角傳感器如圖2所示。

以上四個位置分別安裝三向加速度傳感器（共 9 個加速度振動信號）和傾角傳感器（共8個角度信號），用以監(jiān)控和采集整個海運過程中，這四個位置三個方向加速度值和兩個方向角度值，并對測點數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和記錄。上述升壓站加速度傳感器和傾角傳感器布置如圖3所示，測點與動態(tài)信號采集通道配置見表1所列。

3采集通道的設(shè)計與配置

信號監(jiān)測系統(tǒng)是一套安裝在現(xiàn)場的精密的動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境惡劣。所以，為了實現(xiàn)傳感器信號的有效傳輸和控制，提高模擬信號在傳輸中的抗干擾能力，達(dá)到狀態(tài)分析所要求的信號濾波、放大、轉(zhuǎn)換等調(diào)理功能，本項目設(shè)計的遠(yuǎn)海運輸環(huán)境下升壓站結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測傳感器接線原理如圖4所示。

在 4個振動測點位置（J1～J4）中，每個測點由一個3向加速度傳感器組成。每個加速度傳感器通過相應(yīng)的信號線連接，輸出電壓信號，并通過五芯屏蔽線，使信號遠(yuǎn)距離傳輸至動態(tài)信號采集儀，當(dāng)電壓信號傳送至動態(tài)信號采集儀時，其五芯屏蔽線根據(jù)表1的測點編號與采集儀的對應(yīng)通道編號連接。

在4個傾角測點位置（Q1～Q4）中，每個測點由一個2向傾角傳感器組成。每個傾角傳感器通過相應(yīng)的信號線連接，輸出電壓信號，并通過四芯屏蔽線，使信號遠(yuǎn)距離傳輸至動態(tài)信號采集儀，當(dāng)電壓信號傳送至動態(tài)信號采集儀時，其四芯屏蔽線根據(jù)表1的測點編號與采集儀的對應(yīng)通道編號連接。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

采集通道及傳感器安裝調(diào)試完成后，在通電狀態(tài)下，監(jiān)測系統(tǒng)便可實時采集升壓站在船運過程中的振動和傾角數(shù)據(jù)，考慮海上升壓站運輸過程處低頻振動狀態(tài)，因此，監(jiān)測系統(tǒng)采樣頻率設(shè)置為1HZ。以某海上升壓站海上運輸數(shù)據(jù)監(jiān)測為例，分析了海上升壓站運輸過程中關(guān)鍵部位的振動和傾斜情況。以下是測點1連續(xù)采集約26小時的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析情況。

由上述波形圖分析可以看出，運輸過程中測點1最大加速度為0.23m/s2，最大傾斜角度均小于0.3°。數(shù)據(jù)表明，該升壓站在海上運輸過程中均處于較平穩(wěn)狀態(tài)。

5 結(jié)語

本文以海上升壓站遠(yuǎn)海運輸為研究案例，在分析海運環(huán)境和升壓站結(jié)構(gòu)監(jiān)測參數(shù)等技術(shù)要求基礎(chǔ)上，研究了海運環(huán)境下設(shè)備結(jié)構(gòu)安全影響因素和監(jiān)測信號特點及技術(shù)要求，提出了一種船運過程中設(shè)備結(jié)構(gòu)的振動和晃動數(shù)據(jù)監(jiān)測方法和系統(tǒng)，實現(xiàn)了海洋運輸環(huán)境下裝備結(jié)構(gòu)振動和傾斜角度的實時數(shù)據(jù)獲取，從而分析在船運過程中升壓站結(jié)構(gòu)的狀態(tài)變化趨勢，實現(xiàn)了對升壓站結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的分析。該技術(shù)適用于大型裝備或鋼結(jié)構(gòu)在海洋運輸環(huán)境中船運狀態(tài)的跟蹤和分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]王凱，王騰飛，吳兵，嚴(yán)新平.船舶導(dǎo)航與海洋運輸安全的發(fā)展動態(tài)與展望——TansNav 2017國際會議綜述[J].交通信息與安全，2017，35（04）：1-11.

[2]劉述芳，徐永能，喬僑.大型裝備健康診斷和智能維護(hù)管理系統(tǒng)概述[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017，38（12）：297-300+304.

[3]曹建福，金楓.大型裝備狀態(tài)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2011，24（04）：570-575.