基于軸頻電場的艦船主軸系故障診斷研究

毛 偉，周 萌，余 刃

（海軍工程大學(xué)a.船舶與動力學(xué)院；b.訓(xùn)練部，武漢430033）

1 引 言

目前在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷領(lǐng)域，普遍使用振動信號進(jìn)行診斷，通過安裝在旋轉(zhuǎn)部件上的振動傳感器測得振動信號，然后通過對信號進(jìn)行分析從而診斷出故障，該方法已有很多較為成功的應(yīng)用[1-3]。艦船的主軸是非常關(guān)鍵的旋轉(zhuǎn)部件，如果該部件產(chǎn)生故障，不僅會影響艦船的戰(zhàn)斗力，而且還不利于艦船的聲隱身和電磁隱身，因此，對其進(jìn)行故障診斷意義重大。但在使用振動信號對艦船主軸進(jìn)行故障診斷過程中，由振動傳感器輸出的信號除了含有有用信號之外，同時也包含大量的由其它設(shè)備產(chǎn)生的噪聲信號，而這些背景噪聲往往屬于非高斯有色噪聲，有些可能在頻譜上與被測信號的頻譜相重疊，在這種情況下，就很難將有用信息從背景噪聲中提取出來，從而影響故障診斷的效果。

本文針對這一問題，在對艦船主軸系這一旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行故障診斷時，采用了一種新的物理量-軸頻電場來對主軸系三種典型故障進(jìn)行診斷，采用該物理量可以保證測得的背景噪聲為可以被去除的寬帶信號，從而解決了背景噪聲成分復(fù)雜、難以提取有用信號這一難題。文中對實驗室條件下測得的某船模主軸的三種典型故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠準(zhǔn)確區(qū)分出故障的類型，最后將一定幅值的實測背景噪聲與實驗數(shù)據(jù)相疊加，混合后的信號通過自適應(yīng)線譜增強(qiáng)技術(shù)處理之后，依然能夠成功診斷出故障類型，從而證明了該方法在實際應(yīng)用中的價值。

2 軸頻電場產(chǎn)生機(jī)理

艦船由不同的金屬材料構(gòu)成，如青銅質(zhì)的螺旋槳和鋼質(zhì)的船殼，而不同種類的金屬因其化學(xué)活動性不一樣在海水中會產(chǎn)生不同的電極電位。因此，當(dāng)銅制的螺旋槳和碳鋼制的船殼浸泡在海水中形成閉合回路時，由于電極電位值不同，它們在海水中能維持一定的電位差，并且會因電化學(xué)反應(yīng)使電極電位較低的鋼質(zhì)船殼不斷溶解腐蝕，從而在海水中產(chǎn)生腐蝕電流。為了防止艦船船殼的腐蝕，除了采用涂層防腐外，現(xiàn)在普遍采用犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)和外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)（ICCP），而這兩種防腐系統(tǒng)均會在海水中產(chǎn)生電流。

不論是艦船不同金屬結(jié)構(gòu)之間因電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的腐蝕電流還是采用陰極保護(hù)系統(tǒng)而外加的電流都會經(jīng)海水從船殼流向螺旋槳，然后通過各種軸承、密封和機(jī)械線路從螺旋槳返回到船殼，如圖1所示。此回路的電阻抗RB會隨著螺旋槳軸承的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生周期變化，從而使流經(jīng)海水的電流受到調(diào)制。這些時變電流產(chǎn)生的電磁波會以轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的速率為基頻并以諧波的形式由船體向外傳播，從而產(chǎn)生艦船的極低頻電場[4]。

因此，當(dāng)艦船主軸系發(fā)生故障時，其對應(yīng)的RB必將會隨之發(fā)生變化，從而使產(chǎn)生的軸頻電場發(fā)生相應(yīng)的變化，這為通過軸頻電場判斷軸系故障提供了可能。另外，軸頻電場在海水中的傳播距離較遠(yuǎn)，衰減較慢[5]，因此在距離艦船一定距離處測量得到的電場信號中，除了有價值的軸頻電場之外，僅剩下海洋的背景電場這一寬帶噪聲了，這為故障診斷的可實施性提供了保障。

圖1 軸頻電場產(chǎn)生原理圖Fig.1 Principle figure of producing shaft-rate electric field

3 艦船軸系碰摩力模型

艦船的主軸是非常關(guān)鍵的一個部件，主汽輪機(jī)發(fā)出的功率，由減速器大齒輪傳出，通過各中間軸和尾軸，傳給推進(jìn)器，從而推動艦船運動。主軸的實質(zhì)就是一個轉(zhuǎn)子—軸承的基礎(chǔ)系統(tǒng)，其簡化后的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型如圖2所示。

轉(zhuǎn)子—軸承間的碰摩如圖3所示。其中：pn為法向碰摩力；pt為切向碰摩力；ω為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度。

圖2 簡化后的主軸系轉(zhuǎn)子—軸承示意圖Fig.2 Simple sketch map of principal shafting rotor-bearing

圖3 轉(zhuǎn)子—軸承間的碰摩模型Fig.3 Collide-friction model between rotor and bearing

當(dāng)轉(zhuǎn)子—軸承發(fā)生碰摩時，切向和法向碰摩力公式為：

在直角坐標(biāo)系中，兩個方向的碰摩力還可以表示為：

圖4 正常狀態(tài)下的軸頻電場x分量Fig.4 Shaft-rate electric field Vxunder normal state

圖5 故障1狀態(tài)下的軸頻電場x分量Fig.5 Shaft-rate electric field Vxunder fault 1 state

圖6 故障2狀態(tài)下的軸頻電場x分量Fig.6 Shaft-rate electric field Vxunder fault 2 state

圖7 故障3狀態(tài)下的軸頻電場x分量Fig.7 Shaft-rate electric field Vxunder fault 3 state

4 對實驗數(shù)據(jù)的故障診斷

軸頻電場的實測工作在實驗室內(nèi)利用船模在水池內(nèi)完成，實驗水池的長、寬、深分別為8 m、5 m、1.5 m，在水池中放入0.8 m深的水（模擬淺海環(huán)境），倒入海鹽，測得其電導(dǎo)率為3.66Ω·m-1。

實驗用船模依據(jù)某型艦船按比例縮小制造，船長為1 m，螺旋槳用黃銅制造，船殼的材料為普通鋼板，并在船殼外面包了一層鋅皮。軸頻電場測量系統(tǒng)主要由傳感器，信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成，傳感器、信號調(diào)理電路和A/D采樣板之間用同軸屏蔽電纜進(jìn)行連接。

在實驗室條件下分別測量了軸系正常以及軸系可能出現(xiàn)的三種典型故障情況下的軸頻電場數(shù)據(jù)。其中，正常狀態(tài)的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的頻譜如圖4所示；故障1，轉(zhuǎn)子—軸承間的潤滑變差從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大，即（1）式和（2）式中的F變大，測得的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)的頻譜如圖5所示；故障2，由于轉(zhuǎn)子長期摩擦可能導(dǎo)致質(zhì)量損失不均勻，即產(chǎn)生了轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量，該故障通過在軸上焊接一個小鐵塊來模擬，測得的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)的頻譜如圖6所示；故障3，轉(zhuǎn)子中心點偏離軸承的中心點，即產(chǎn)生一定量的偏心量，測得的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)的頻譜如圖7所示。圖中深色信號為實測的實驗室條件下的環(huán)境噪聲。

通過對比正常和故障狀態(tài)的信號以及對應(yīng)的頻譜，可以得出如下結(jié)論：故障1與正常狀態(tài)相比其頻譜變化不大，但采集的信號幅值變大了；故障2與正常狀態(tài)相比，不但信號幅值變大了，而且其頻譜也有了較大變化，其基頻（基頻為2.783 2 Hz，實驗所采用的主軸轉(zhuǎn)速為每分鐘1 500/9轉(zhuǎn)）的倍數(shù)頻率處也出現(xiàn)了較大峰值（2倍基頻，3倍基頻）；故障3與正常狀態(tài)相比，在信號幅值上沒有很大變化，但在頻譜上有了相應(yīng)的變化，其二倍基頻處出現(xiàn)了較大的譜峰。由此，可以通過采集信號的幅值和頻譜的一些特性將三種典型的主軸系故障區(qū)分開來。

5 加入實測背景噪聲的故障診斷

由于在實際環(huán)境下，所測得的軸頻電場信號總是被淹沒在環(huán)境的噪聲電場之中的，并且為了盡可能地去掉一些來自艦船自身且難以去除的信號，測量點往往選取離艦船較遠(yuǎn)的位置，這樣就必然會造成所測得的信號信噪比較低。本文通過將實測的軸頻電場信號與實測的背景噪聲信號進(jìn)行疊加來驗證該方法在低信噪比情況下的有效性。

實測的環(huán)境噪聲信號及其頻譜如圖8所示，可見背景噪聲在各個頻率上的功率譜密度都相差不大，是一個很典型的寬帶信號。而艦船的軸頻電場卻是一個窄帶周期信號（如圖4所示）。為了便于比較這種混合信號中的有用信號的大小，在沒有預(yù)知噪聲參考信號的情況下，本文運用自適應(yīng)譜線增強(qiáng)原理，采用歸一化增益矢量的FTF算法對混入噪聲的實驗測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[6]，順利將窄帶微弱軸頻電場信號從寬帶背景噪聲中分離出來。

自適應(yīng)線譜增強(qiáng)原理為：如果信號s（n）是一個窄帶信號和一個寬帶噪聲的混合，由于窄帶信號的自相關(guān)函數(shù)比寬帶噪聲的時間相關(guān)半徑要短，因此當(dāng)延遲時間Δ選為小于寬帶噪聲的時間相關(guān)半徑而大于窄帶信號的時間相關(guān)半徑時，將使寬帶噪聲變得不相關(guān)，而窄帶信號仍然相關(guān)，這樣一來就可以將信號與噪聲分離出來了。歸一化FTF算法的具體運算流程參見參考文獻(xiàn)[7]。

圖8 環(huán)境電場噪聲x分量Fig.8 Environmental electric field noise Vx

圖9 正常狀態(tài)下電場x分量處理結(jié)果Fig.9 The result of shaft-rate electric field Vxunder normal state

圖10 故障1狀態(tài)下電場x分量處理結(jié)果Fig.10 The result of shaft-rate electric field Vxunder fault 1 state

圖11 故障2狀態(tài)下電場x分量處理結(jié)果Fig.11 The result of shaft-rate electric field Vxunder fault 2 state

將圖4-7的四組軸頻電場x分量與圖8所示的背景噪聲相混合，調(diào)整背景噪聲的大小將軸頻電場信號完全淹沒，將這些混合后的四組信號分別采用自適應(yīng)線譜增強(qiáng)方法進(jìn)行提純處理，提純后的信號分別如圖9-12的左圖所示，再將提純后信號的頻譜求出，分別如圖9-12的右圖所示。可見提純后的信號在幅值和頻譜上依然符合未加背景噪聲的故障規(guī)律。

但從圖11中可以看出，此時三倍基頻（即8.349 6 Hz）附近已經(jīng)出現(xiàn)了一些幅值較大的干擾峰，并且當(dāng)所加的噪聲信號較大時，故障模式2中的三倍基頻將會被淹沒，從而使其與故障模式3的頻譜相似，這就會造成故障判斷上的不確定性。因此，在使用該方法進(jìn)行故障診斷時，測量點不要離被測艦船太遠(yuǎn)，只要使測量點處的背景噪聲符合寬帶特點即可，距離過遠(yuǎn)的話，會影響故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖12 故障3狀態(tài)下電場x分量處理結(jié)果Fig.12 The result of shaft-rate electric field Vxunder fault 3 state

6 結(jié) 論

由于目前在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷領(lǐng)域，普遍使用振動信號進(jìn)行診斷。在使用這些方法對艦船主軸系進(jìn)行故障診斷時，由于在艦船艙室這一特定環(huán)境下，由振動傳感器測量得到的振動信號除了含有判斷故障所需要的有用信號之外，還包含大量的噪聲信號，這些噪聲成分復(fù)雜，并且很難通過信號處理方法進(jìn)行去除，因此進(jìn)行故障診斷的效果較差。針對這一問題，本文另辟蹊徑采用了一種新的信號-艦船軸頻電場-作為故障診斷信號，采用這一信號的優(yōu)點是可以在距離艦船較遠(yuǎn)的地方進(jìn)行測量，從而避開由艦船自身產(chǎn)生的一些難以去除的噪聲信號，通過對實驗數(shù)據(jù)的處理，表明使用軸頻電場信號可以較為明確地將主軸系的三種典型故障區(qū)分開來，并且在將軸頻電場信號與環(huán)境噪聲信號進(jìn)行混合之后，該方法依然有效，從而證明了本文方法的有效性。

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