唐德佳，華先亮 ，姚望

（1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司采辦共享中心，天津300452；2. 上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前 言

隨著現(xiàn)代船舶的大型化和自動(dòng)化程度不斷提高，船舶系統(tǒng)的綜合程度和復(fù)雜性也相應(yīng)提高。 由于船舶系統(tǒng)和設(shè)備存在高度耦合和互相干涉，且運(yùn)行環(huán)境惡劣，易受到諸多外部因素影響，出現(xiàn)的故障類型呈現(xiàn)各種各樣的形態(tài)。 事故一旦發(fā)生，會(huì)造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，因此，復(fù)雜船舶系統(tǒng)的安全性和可靠性是值得高度關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

PHM（Prognostic Health Management，故障預(yù)測與健康管理）技術(shù)是一種滿足自我保障、自主診斷的要求，診斷報(bào)警準(zhǔn)確率高，可提高運(yùn)維效率并大幅降低運(yùn)維成本的技術(shù)方法［1］。 PHM 早期主要集中應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，代表了現(xiàn)代運(yùn)維技術(shù)思路的轉(zhuǎn)變。

在航空、發(fā)電、礦山等領(lǐng)域的工業(yè)實(shí)踐表明，振動(dòng)頻譜變化可以比傳統(tǒng)的熱工參數(shù)變化更早表征旋轉(zhuǎn)設(shè)備的健康狀態(tài)變化，因此振動(dòng)傳感器大量應(yīng)用于PHM 目的。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械在船舶上的運(yùn)用十分廣泛，其轉(zhuǎn)速從每分鐘幾十轉(zhuǎn)到幾萬轉(zhuǎn)，在船舶的運(yùn)行安全中起到至關(guān)重要的作用。 目前，PHM 技術(shù)主要被應(yīng)用在船用旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障監(jiān)測和故障預(yù)測方面，典型如柴油機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)等具有軸承的旋轉(zhuǎn)設(shè)備。 使用先進(jìn)的傳感器對旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測尤其是振動(dòng)監(jiān)測，運(yùn)用改良的信號(hào)處理算法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化的處理，配合當(dāng)前進(jìn)步迅速的智能系統(tǒng)對結(jié)果的智能診斷和故障預(yù)測， 是PHM 技術(shù)在未來智能船舶發(fā)展過程中一個(gè)必然的方向。 圖1 為智能船舶PHM 系統(tǒng)示意圖。

圖1 智能船舶PHM 系統(tǒng)示意圖

1 振動(dòng)模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

上海船舶研究設(shè)計(jì)院的智能船舶實(shí)驗(yàn)室有1臺(tái)“智能船舶故障預(yù)測與健康管理模擬器（便攜式振動(dòng)監(jiān)測）”，通過在這臺(tái)模擬器上進(jìn)行試驗(yàn)，測試和分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械在正常和故障工況下的振動(dòng)表現(xiàn)，并采用快速傅里葉變換（FFT）方法對試驗(yàn)采集到的振動(dòng)傳感器的信號(hào)進(jìn)行處理，通過頻譜分析定性振動(dòng)特征， 研究其響應(yīng)對旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障形態(tài)的影響，探討PHM 技術(shù)在船舶智能化特別是在設(shè)備健康管理方面的應(yīng)用前景。

圖2 展示了振動(dòng)模擬監(jiān)測的試驗(yàn)平臺(tái)， 包括1個(gè)固定的鋼質(zhì)基座， 上方安裝了1 臺(tái)測試電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)帶可拆卸偏重塊（圖3 中前端盤面長箭頭指向部分），1 個(gè)振動(dòng)傳感器（CMSS2111）可分別固定在測試電動(dòng)機(jī)的水平和垂直2 個(gè)測量點(diǎn)（圖3 中機(jī)體上2 個(gè)短箭頭指向部分），1 套便攜式振動(dòng)分析儀（SKF Microlog）用于采集數(shù)據(jù)和分析。

圖2 振動(dòng)監(jiān)測模擬試驗(yàn)平臺(tái)

圖3 帶可拆卸偏重塊的測試電動(dòng)機(jī)

為模擬船用旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作狀態(tài)及工作環(huán)境，測試電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為1 000～3 000 r/min，能夠覆蓋大部分船用旋轉(zhuǎn)機(jī)械。CMSS2111 振動(dòng)傳感器是一種小尺寸的加速度傳感器， 通過電纜和接口連接測試電動(dòng)機(jī)和分析儀。 該傳感器的靈敏度為100 mV/g（±10%），測量范圍為±50g，頻率范圍為 0.5～10 000 Hz，完全滿足本次試驗(yàn)所需求的數(shù)據(jù)要求。 分析儀將傳感器所采集的信號(hào)收集并分析，呈現(xiàn)為FFT 頻譜，在測量試驗(yàn)中，濾波器的大小調(diào)整為2 Hz，分析儀分析的頻率范圍為0～2 500 Hz， 采用的檢測參數(shù)為加速度的實(shí)際有效值，平均次數(shù)為1，窗口類型為Hanning。除加速度外，該分析儀也可進(jìn)行速度、位移和包絡(luò)加速度的分析。 為了保障在試驗(yàn)進(jìn)行過程中平臺(tái)保持穩(wěn)定，支架選用了不銹鋼結(jié)構(gòu)，以保證一定的自重，減小外部因素對模擬試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，但是由于固有頻率的存在，在實(shí)際試驗(yàn)中應(yīng)考慮到便攜式振動(dòng)監(jiān)測平臺(tái)和測試電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振的情況。

為模擬船用機(jī)械在非正常狀態(tài)下的工作以引發(fā)可能存在的故障狀態(tài)，在測試電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的一側(cè)嵌入了一個(gè)重量為5 g 的質(zhì)量塊產(chǎn)生偏重用來提供負(fù)載的偏振。 在實(shí)際機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，這種由于旋轉(zhuǎn)負(fù)載重心的輕微變化帶來的偏轉(zhuǎn)，對于在惡劣環(huán)境和復(fù)雜工況下工作的船用機(jī)械來說是很常見的。引起偏轉(zhuǎn)的主要原因有以下幾點(diǎn)：

1） 機(jī)械長期運(yùn)行導(dǎo)致的磨損，尤其容易發(fā)生在軸承等部位，造成零件的耐用性降低，很容易引發(fā)重大事故。

2）材料本身的工作壽命。由于船用機(jī)械工作的惡劣環(huán)境以及材料本身的性質(zhì)， 在工作一段時(shí)間后，由于材料本身的壽命，零件會(huì)出現(xiàn)裂紋、變形等情況，這時(shí)就會(huì)引起機(jī)械的偏轉(zhuǎn)運(yùn)行。

3）運(yùn)行過程中的附著。船用機(jī)械的工作環(huán)境決定了油污等影響因素會(huì)很多，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中油污的附著也會(huì)引起轉(zhuǎn)子的不平衡，引發(fā)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。 偏轉(zhuǎn)的存在導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸的不平衡，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力，持續(xù)的作用加劇機(jī)械磨損，導(dǎo)致故障發(fā)生。

測試電動(dòng)機(jī)安裝/未安裝偏重塊兩種狀態(tài)（偏重態(tài)和平衡態(tài)），分別通過調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從1 000～3 000 r/min，間隔500 r/min 為一個(gè)固定記錄點(diǎn)，測量水平和垂直方向的速度、加速度和位移頻譜（圖4、圖5），記錄得到每個(gè)測試點(diǎn)的數(shù)值。

圖4 2 000 r/min 轉(zhuǎn)速平衡態(tài)位移頻譜

圖5 2 000 r/min 轉(zhuǎn)速偏重態(tài)位移頻譜

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)記錄結(jié)果見表1、表2。

2.2 頻譜分析

將表1、表2 的各參數(shù)生成圖6～圖11 趨勢圖。

圖6 加速度_ 峰值對比

圖11 位移_ 有效值對比

表1 測試電動(dòng)機(jī)在平衡態(tài)和偏重態(tài)的測點(diǎn)參數(shù)峰值

表2 測試電動(dòng)機(jī)在平衡態(tài)和偏重態(tài)的測點(diǎn)參數(shù)有效值

從上述曲線可以看出：在平衡態(tài)，水平和垂直測點(diǎn)的速度、加速度和位移在不同的轉(zhuǎn)速區(qū)間保持恒定或跟隨轉(zhuǎn)速小幅度變化；在偏重態(tài)，這3 個(gè)參數(shù)在不同轉(zhuǎn)速區(qū)間隨著轉(zhuǎn)速上升而呈現(xiàn)波動(dòng)變化。

2.2.1 加速度頻譜分析

從圖6、圖7 可以看出，測試電動(dòng)機(jī)水平和垂直測點(diǎn)的加速度都隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，但是同一轉(zhuǎn)速在平衡態(tài)和偏重態(tài)的加速度頻譜在數(shù)值上差異不大，可以判斷偏重塊對軸系產(chǎn)生的加速度影響較小，這是加速度頻譜與速度頻譜和位移頻譜特征不一樣的地方。

圖7 加速度_ 有效值對比

2.2.2 速度頻譜分析

從圖 8、圖 9 可以看出：在平衡態(tài)以及在1 500 r/min 和以下轉(zhuǎn)速的偏重態(tài)，無論水平和垂直測點(diǎn)的速度變化頻譜都比較??；在1 500～2 000 r/min 轉(zhuǎn)速區(qū)間， 偏重態(tài)的速度頻譜出現(xiàn)了劇烈上升趨勢；在2 000 r/min 以上轉(zhuǎn)速階段，在垂直測點(diǎn)偏重態(tài)的速度頻譜緩慢回落，水平測點(diǎn)的速度頻譜則迅速回落，在2 500 r/min 到達(dá)低谷而后隨著轉(zhuǎn)速上升繼續(xù)劇烈上升。

圖8 速度_ 峰值對比

圖9 速度_ 有效值對比

2.2.3 位移頻譜分析

從圖 10、圖 11 可以看出：在平衡態(tài)以及在1 500 r/min 和以下轉(zhuǎn)速的偏重態(tài)，無論水平和垂直測點(diǎn)的位移變化頻譜都比較小；在1 500～2 000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間， 偏重態(tài)的位移頻譜出現(xiàn)了劇烈上升趨勢；在2 000 r/min 以上轉(zhuǎn)速階段，在垂直測點(diǎn)偏重態(tài)的位移頻譜緩慢回落，水平測點(diǎn)的位移頻譜則迅速回落。 位移的頻譜變化和速度的頻譜變化是趨同的。

圖10 位移_ 峰值對比

2.2.4 偏重態(tài)頻譜波動(dòng)分析

從圖6～圖11 可以看出：在偏重態(tài)，水平方向的加速度、速度、位移頻譜均出現(xiàn)了先升后降再升的波動(dòng)現(xiàn)象，尤其速度和位移頻譜則表現(xiàn)得特別明顯，在2 000 r/min 轉(zhuǎn)速點(diǎn)達(dá)到了第一個(gè)高峰，在2 500 r/min 轉(zhuǎn)速點(diǎn)回到一個(gè)波谷；在平衡態(tài)，只有加速度在2 000 r/min 轉(zhuǎn)速點(diǎn)出現(xiàn)一個(gè)波峰而后只下降不上升，其余參數(shù)變化幅度非常小。

出現(xiàn)頻譜波動(dòng)的原因是增加了一個(gè)非平衡的偏重質(zhì)量塊， 在整個(gè)系統(tǒng)中增加了一個(gè)固有頻率，并在2 000 r/min 這個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)達(dá)到共振點(diǎn)。 垂直測點(diǎn)的波動(dòng)現(xiàn)象，其周向兩側(cè)（水平對陣點(diǎn)）負(fù)載的偏重影響是對稱的，且受重力的約束。 水平測點(diǎn)的波動(dòng)現(xiàn)象，其周向兩側(cè)一邊是電機(jī)底座（固定側(cè)），另一邊是電機(jī)頂點(diǎn)（空氣側(cè)），負(fù)載的偏重影響不對稱，且處于不受重力約束的自由態(tài)。

3 結(jié) 語

旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)模型可以覆蓋船舶的大部分應(yīng)用場景， 試驗(yàn)使用的Microlog 分析儀嵌入了這些模型，作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)檢測標(biāo)準(zhǔn)，通過設(shè)置振動(dòng)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以快速判定當(dāng)前機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)是否在可接受的區(qū)間，并根據(jù)要求在超出區(qū)間時(shí)進(jìn)行故障預(yù)警。 通過對比分析模擬試驗(yàn)獲得系列振動(dòng)監(jiān)測頻譜，得出以下結(jié)論：

1） 在偏重條件下引起的振動(dòng)相比于非偏重條件下有非常明顯的增大，較小質(zhì)量的偏重塊就會(huì)引起巨大的振動(dòng)加速度。 在船舶實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)盡量避免旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生偏轉(zhuǎn)運(yùn)行， 如發(fā)現(xiàn)不正常的振動(dòng)數(shù)據(jù)增加應(yīng)考慮是否為偏重引起的故障狀態(tài)。

2） 船艙內(nèi)不同機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)耦合程度較高，如果傳感器的靈敏度閾值過低，可能會(huì)誤將瞬態(tài)干擾信號(hào)作為故障信號(hào)處理，從而導(dǎo)致誤報(bào)率上升。

3） 需要考慮共振對偏重振動(dòng)的放大作用影響。本次測試當(dāng)測試電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2 000 r/min 附近，共振效應(yīng)較為明顯，加速度、速度、位移等衡量振動(dòng)情況的參數(shù)均發(fā)生明顯增加，在此區(qū)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生故障的概率會(huì)顯著提升。 在實(shí)際船舶運(yùn)行中，由于實(shí)際機(jī)艙環(huán)境更為復(fù)雜，使用不同種類機(jī)械數(shù)量更多，發(fā)生明顯共振效應(yīng)的區(qū)間可能會(huì)有差異。 因此還應(yīng)將共振頻率作為重要關(guān)切點(diǎn)。

隨著PHM 技術(shù)的發(fā)展以及船舶系統(tǒng)復(fù)雜性的提升，對航行過程中運(yùn)行、維護(hù)的技術(shù)要求也越來越高。 由于目前離線分析方法的時(shí)滯性，多傳感器、多參數(shù)的在線故障診斷和壽命預(yù)測是當(dāng)前PHM 技術(shù)發(fā)展的趨勢和方向，對系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)化傳輸、網(wǎng)絡(luò)化處理和決策的需求日益迫切，因此智能船舶的PHM 系統(tǒng)需要在網(wǎng)絡(luò)化、在線處理、融合決策等技術(shù)方向開展更多的研究。