李春光 閻慧東 張華棟 計(jì) 方

（1. 海裝重大專項(xiàng)裝備項(xiàng)目管理中心 北京100071；2.中國(guó)艦船研究院 北京100101）

0 引 言

隨著船舶行業(yè)的不斷發(fā)展，船舶的聲學(xué)性能越來越受到人們的重視。通過數(shù)十年的研究，我國(guó)在船舶噪聲研究方面取得了顯著的進(jìn)展，船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從僅僅滿足功能需求，到如今不斷涌現(xiàn)出基于新理論、新技術(shù)的新型低噪聲設(shè)計(jì)，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的氣象。但在船舶建造過程中，受施工工藝、人員等復(fù)雜因素影響，會(huì)產(chǎn)生許多聲學(xué)質(zhì)量問題從而引起“聲學(xué)故障”。

離心泵廣泛應(yīng)用于船舶動(dòng)力系統(tǒng)和船舶系統(tǒng)，主要用于輸送水、油等液體，是船舶的重要噪聲源之一，及時(shí)對(duì)船舶離心泵系統(tǒng)的聲學(xué)故障進(jìn)行排查整改是保障船舶聲學(xué)性能的重要前提。關(guān)于船舶聲學(xué)故障的定義，任安民等指出，船舶服役期間因設(shè)備技術(shù)狀態(tài)變化及航行期間瞬態(tài)偶發(fā)事件，所導(dǎo)致的聲學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)受損以及可探測(cè)性惡化的異常現(xiàn)象稱為船舶聲學(xué)故障。針對(duì)聲學(xué)故障，學(xué)者OMARA D等歸納出4 種類型，包括頻率變化、新增線譜、窄帶功率增加及寬帶功率增加。美國(guó)自20 世紀(jì)80年代起就關(guān)注船舶聲學(xué)故障問題，以正常工況特征頻段振級(jí)別加6 dB 作為檢測(cè)基準(zhǔn)，對(duì)船舶設(shè)備振動(dòng)噪聲異常檢測(cè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。國(guó)內(nèi)也有部分學(xué)者開展了相關(guān)研究。關(guān)于船用離心泵，吳仁榮歸納了30 種引起系統(tǒng)異常振動(dòng)噪聲的故障原因，并給出了兩類消除異常振動(dòng)噪聲的方法。關(guān)于聲學(xué)故障的診斷方法，周軍偉等基于試驗(yàn)研究利用鄰近算法（K-Nearest Neighbor，KNN）對(duì)水下航行器的聲學(xué)故障進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別。章林柯等采用多輸入多輸出分析方法得到噪聲源貢獻(xiàn)比動(dòng)態(tài)曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下航行器聲學(xué)故障的預(yù)報(bào)。此外，章林柯等還針對(duì)水下航行器提出了一種基于支持向量數(shù)據(jù)描述的聲學(xué)故障嚴(yán)重程度評(píng)估方法。

以上研究表明國(guó)內(nèi)外學(xué)者在船用設(shè)備的振動(dòng)噪聲狀態(tài)檢測(cè)及故障診斷方面取得了大量的研究成果。但在船舶領(lǐng)域?qū)嶋H工程中，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，以上方法難以取得理想的效果，且公開資料顯示我國(guó)對(duì)于船舶聲學(xué)故障的檢測(cè)是針對(duì)船舶總體進(jìn)行的，缺少對(duì)于具體機(jī)械系統(tǒng)的診斷方法。因此，本文針對(duì)船舶廣泛應(yīng)用的離心泵系統(tǒng)，緊密結(jié)合實(shí)船測(cè)試數(shù)據(jù)，提出一種基于正態(tài)分布區(qū)間估計(jì)原理的閾值提取方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證表明該方法所提取的閾值可滿足工程使用需求。

1 建造階段離心泵系統(tǒng)振動(dòng)加速度總級(jí)離散度分析

在船舶總裝建造階段，減振降噪措施與系統(tǒng)、設(shè)備施工同步進(jìn)行，由于設(shè)備建造差異、施工工藝等復(fù)雜因素的影響會(huì)導(dǎo)致設(shè)備在建造階段聲學(xué)性能產(chǎn)生較大的離散度。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（如下頁(yè)圖1 所示），其中測(cè)試1、測(cè)試2 為1 號(hào)船的2 個(gè)不同建造階段4 型離心泵系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試3、測(cè)試4 為2 號(hào)船的2 個(gè)不同建造階段4 型離心泵系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果。

以圖1（b）為例進(jìn)行分析。圖中給出了1 號(hào)船及2 號(hào)船的4 型不同型號(hào)離心泵在2 個(gè)不同建造階段的基座振級(jí)實(shí)測(cè)結(jié)果。由圖可知，同一型離心泵在不同建造階段或在不同船舶都出現(xiàn)較大差異。其中離心泵1 在1 號(hào)船2 個(gè)不同階段的基座振級(jí)測(cè)試結(jié)果極差為10 dB，且4 型離心泵在同一條船（1 號(hào)船）的基座測(cè)試結(jié)果也呈現(xiàn)較大的離散度，極差為18 dB。由于篇幅限制，本文只給出了基座振級(jí)測(cè)試結(jié)果。經(jīng)筆者分析，離心泵系統(tǒng)機(jī)腳振級(jí)、進(jìn)出口撓性接管徑向及軸向振級(jí)在不同建造階段下極差均超過6 dB。

圖1 建造現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析（10~8 000 Hz）

根據(jù)以上分析結(jié)果，可以將建造階段離心泵系統(tǒng)聲學(xué)特性離散度概括為兩個(gè)方面：一是設(shè)備在不同邊界條件下產(chǎn)生的離散度；二是設(shè)備在不同建造階段產(chǎn)生的離散度。以上振動(dòng)離散度在現(xiàn)有技術(shù)條件下難以避免，但給建造現(xiàn)場(chǎng)聲學(xué)質(zhì)量評(píng)估帶來困難。通?？筛鶕?jù)專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)異常振動(dòng)進(jìn)行排查，因此亟需在離散度分析的基礎(chǔ)上，提取離心泵系統(tǒng)建造階段聲學(xué)質(zhì)量評(píng)估閾值，結(jié)合各測(cè)點(diǎn)信息綜合判別并進(jìn)行聲學(xué)故障診斷。

2 基于正態(tài)分布的船舶離心泵系統(tǒng)聲學(xué)故障閾值提取

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的頻帶能量總級(jí)服從或近似服從獨(dú)立正態(tài)分布，因此本文第1 章所研究的4 型離心泵系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)頻帶能量總級(jí)分別服從正態(tài)分布，其標(biāo)準(zhǔn)差及數(shù)學(xué)期望需根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，為不同型號(hào)設(shè)備進(jìn)行歸一化處理，消除設(shè)備差異。本文提出一種基于振動(dòng)偏離值的統(tǒng)計(jì)方法，具體分析過程如下。

由于（0，）+～（，），即服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)同時(shí)加一個(gè)常數(shù)，仍然服從正態(tài)分布。因此，假設(shè)將測(cè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)減去基準(zhǔn)值得到的偏差服從正態(tài)分布，基準(zhǔn)值計(jì)算公式見式（1）；又由于偏差為正偏差與負(fù)偏差的概率相同，因此進(jìn)一步假設(shè)振動(dòng)偏差值服從期望為0的正態(tài)分布。

圖2 頻帶能量總級(jí)偏差值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

機(jī)腳振動(dòng)測(cè)點(diǎn)偏差值統(tǒng)計(jì)結(jié)果與期望為0、標(biāo)準(zhǔn)差為4的正態(tài)分布概率密度曲線（式2）基本吻合，因此驗(yàn)證了以上假設(shè)的合理性。

式中：為振動(dòng)測(cè)點(diǎn)頻帶能量總級(jí)偏差值，dB；為標(biāo)準(zhǔn)差；為數(shù)學(xué)期望或稱均值。

以上統(tǒng)計(jì)分析驗(yàn)證了本文提出的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)頻帶能量總級(jí)偏差值服從期望為0的正態(tài)分布。根據(jù)正態(tài)分布區(qū)間估計(jì)3原則，數(shù)據(jù)分布在（-，+）中的概率為0.682 7；分布在（-2，+2）中的概率為0.954 4；分布在（-3，+3）中的概率為0.997 4。通常認(rèn)為發(fā)生概率小于5%的事件為“小概率事件”，可認(rèn)為在一次試驗(yàn)中該事件幾乎不可能發(fā)生；而數(shù)據(jù)分布在（-3，+3）以外的概率小于0.3%，在實(shí)際工程中認(rèn)為相應(yīng)的事件不會(huì)發(fā)生。因此可將+設(shè)置為預(yù)警值，將+2設(shè)置為報(bào)警值。其中為數(shù)學(xué)期望或稱均值；為標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算公式見式（3）。

上述分析給出了數(shù)據(jù)預(yù)處理方法及振動(dòng)閾值計(jì)算方法，具體步驟如下：

（1）獲取振動(dòng)測(cè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算10~315 Hz、315~8 000 Hz頻帶總級(jí)；

（2）利用公式（1）計(jì)算各測(cè)點(diǎn)基準(zhǔn)值；

（3）計(jì)算各測(cè)點(diǎn)與均值的偏離值ΔL；

（5）利用公式（3）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差；

（6）+為預(yù)警閾值，+2為報(bào)警閾值。

按以上計(jì)算步驟對(duì)建造現(xiàn)場(chǎng)某型離心泵8個(gè)測(cè)試部位相應(yīng)的362個(gè)偏離值樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到該型離心泵各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)閾值，如下頁(yè)表1所示。該閾值反映了振動(dòng)信號(hào)正常波動(dòng)范圍上限，當(dāng)波動(dòng)值超出該閾值時(shí)，認(rèn)為發(fā)生異常振動(dòng)。如下頁(yè)圖3所示，給出了偏離值樣本與預(yù)警值及報(bào)警值的關(guān)系，可見未發(fā)生聲學(xué)故障時(shí)偏離值均在報(bào)警閾值限制線內(nèi)，部分樣本數(shù)據(jù)超過預(yù)警閾值限制線，這是由于隨機(jī)噪聲及偶發(fā)噪聲的影響。理想狀態(tài)下當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，偏離值均不超過閾值。但在實(shí)際統(tǒng)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下仍有24個(gè)偏離值樣本產(chǎn)生預(yù)警信號(hào)，2個(gè)偏離值樣本產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。經(jīng)計(jì)算偏離值樣本處于預(yù)警值區(qū)間內(nèi)的概率為93.4%，處于報(bào)警值區(qū)間內(nèi)的概率為99.45%，因此證明了該方法計(jì)算得到的閾值可反映振動(dòng)信號(hào)正常波動(dòng)范圍，滿足工程需求。

圖3 機(jī)腳閾值計(jì)算結(jié)果

表1 離心泵閾值設(shè)置dB

3 離心泵系統(tǒng)典型聲學(xué)故障模擬試驗(yàn)

第2章基于正態(tài)分布理論，給出了報(bào)警值及預(yù)警值的計(jì)算方法，并通過計(jì)算獲取了典型離心泵系統(tǒng)各部位振動(dòng)噪聲測(cè)點(diǎn)閾值，該閾值排除了設(shè)備差異，對(duì)典型離心泵系統(tǒng)均適用。為了驗(yàn)證該方法確定的閾值的有效性，本文通過模擬試驗(yàn)對(duì)基于閾值的船舶離心泵聲學(xué)故障診斷進(jìn)行研究，搭建了某離心泵系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架（如圖4所示），保持系統(tǒng)在額定工況下運(yùn)行。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)架

3.1 測(cè)點(diǎn)布置方案

低航速時(shí)，機(jī)械振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)噪聲往往成為船舶的主要噪聲源。聲學(xué)故障檢測(cè)問題可以轉(zhuǎn)化為機(jī)械設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)問題，因此本文對(duì)船舶離心泵系統(tǒng)聲學(xué)故障診斷的檢測(cè)主要利用振動(dòng)信號(hào)。按照工程中振動(dòng)噪聲測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置原則，針對(duì)設(shè)備、撓性接管和管路支吊架等關(guān)鍵位置布置了共計(jì)18個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)編號(hào)及對(duì)應(yīng)位置如表2所示，測(cè)點(diǎn)布置方案如圖5所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置方案

表2 測(cè)點(diǎn)編號(hào)及對(duì)應(yīng)位置

3.2 試驗(yàn)工況設(shè)置

通過對(duì)船舶建造安裝階段聲學(xué)質(zhì)量問題分析可知，建造階段聲學(xué)質(zhì)量問題中管路問題為主要問題，占比超60%。根據(jù)離心泵系統(tǒng)管路振動(dòng)傳遞路徑分析及聲學(xué)質(zhì)量問題統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)置試驗(yàn)工況見下頁(yè)表3。

表3 試驗(yàn)工況表

3.3 試驗(yàn)過程

首先，在離心泵系統(tǒng)額定工況下運(yùn)行，獲取多組非故障工況下各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)；其次，通過將撓性接管上下剛性連接、機(jī)腳基座剛性連接等手段，人為模擬撓性接管短路、泵體與基座短路等聲學(xué)故障，獲取各故障工況下振動(dòng)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

首先分析正常工況下獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖6 給出了系統(tǒng)正常運(yùn)行工況下連續(xù)獲取的4 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由圖可知，正常工況下系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各測(cè)點(diǎn)4 次測(cè)量結(jié)果基本一致，按公式（1）計(jì)算故障診斷基準(zhǔn)值。

圖6 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速頻譜

以工況3 為例，下頁(yè)圖7 給出了部分測(cè)點(diǎn)10~8 000 Hz 頻帶振動(dòng)加速度頻譜圖及各測(cè)點(diǎn)的偏離值。可知該工況下，局部測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度明顯惡化，測(cè)點(diǎn)7、測(cè)點(diǎn)8 在10~315 Hz 頻段范圍振動(dòng)加速度總級(jí)無明顯變化；在315~8 000 Hz 頻段范圍振動(dòng)加速度總級(jí)分別增加3.7 dB 和5.5 dB。因此可知進(jìn)水管減振接管聲短路主要影響315~8 000 Hz 頻段振動(dòng)特性，其中測(cè)點(diǎn)7 振動(dòng)加速度級(jí)升高15.1 dB,測(cè)點(diǎn)8 升高13.6 dB。這是因?yàn)檫M(jìn)水管撓性接管短路導(dǎo)致?lián)闲越庸軠p振效果失效，設(shè)備振動(dòng)沿管路方向向后傳遞，因此進(jìn)水管撓性接管徑向、軸向下測(cè)點(diǎn)（7、8）振動(dòng)惡化，進(jìn)口馬腳上下測(cè)點(diǎn)（9、10）也隨之增大。

下頁(yè)圖7（c）、（d）給出了工況3 時(shí)各測(cè)點(diǎn)實(shí)際偏離值與閾值關(guān)系示意圖。由圖7（d）可知：按照文本提取的閾值進(jìn)行診斷， 故障工況3發(fā)生時(shí)，測(cè)點(diǎn)7、測(cè)點(diǎn)8 產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，測(cè)點(diǎn)9、測(cè)點(diǎn)10 產(chǎn)生預(yù)警信號(hào)。因此可根據(jù)此信息進(jìn)行故障診斷，其他工況測(cè)試結(jié)果匯總見表4。

圖7 振動(dòng)加速度對(duì)比圖

由表4 可知：工況1~5 主要影響315~8 000 Hz頻段范圍局部測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速總級(jí)，工況6 和工況7主要影響10~315 Hz 頻段范圍系統(tǒng)整體振動(dòng)加速總級(jí)。因此可通過10~315 Hz、315~8 000 Hz 頻段振動(dòng)加速度總級(jí)偏差結(jié)合預(yù)警報(bào)警情況進(jìn)行故障診斷。通過模擬試驗(yàn)對(duì)7 個(gè)故障工況的13 組數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷，共正確診斷12 次，診斷準(zhǔn)確率為92.3%。

表4 試驗(yàn)結(jié)果匯總dB

續(xù)表4

4 結(jié) 論

本文以船舶離心泵系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過正態(tài)分布區(qū)間估計(jì)原理對(duì)建造階段離心泵系統(tǒng)振動(dòng)噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲取了用于聲學(xué)故障診斷的振動(dòng)頻帶總級(jí)閾值。在此基礎(chǔ)上為驗(yàn)證振動(dòng)閾值有效性開展模擬試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

（1）本文對(duì)8 組362 個(gè)偏離值樣本進(jìn)行了正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)分析，共獲取8 組振動(dòng)閾值。經(jīng)計(jì)算，偏離值樣本處于預(yù)警值區(qū)間內(nèi)的概率為93.4%，處于報(bào)警值區(qū)間內(nèi)的概率為99.45%。通過聲學(xué)故障模擬試驗(yàn)共進(jìn)行了13 組總計(jì)104 個(gè)偏離值故障診斷，其中正確診斷12 次，診斷準(zhǔn)確率為92.3%，滿足工程需求。

（2）設(shè)備的安裝邊界條件會(huì)對(duì)其聲學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。因此，為提高同一型號(hào)設(shè)備聲學(xué)性能的一致性，可對(duì)減振元器件振級(jí)落差、設(shè)備機(jī)腳振級(jí)開展基于正太分布的統(tǒng)計(jì)分析并提取診斷閾值以及為設(shè)備聲學(xué)性能的監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

（3）本文提出的基于振動(dòng)閾值的船舶離心泵系統(tǒng)建造階段聲學(xué)故障診斷方法，可基于歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行振動(dòng)閾值的自動(dòng)提取，降低了故障排查整改時(shí)對(duì)專業(yè)人員的依賴性，對(duì)于縮短離心泵系統(tǒng)聲學(xué)故障整改周期具有重要作用。