船舶機(jī)艙動力設(shè)備振動監(jiān)測系統(tǒng)研究＊

洪 茜

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院 葫蘆島 125105）

1 引言

船舶機(jī)艙動力設(shè)備是船舶最為重要的組成部分，它的運(yùn)行狀況直接影響船舶的正常航行。振動是設(shè)備運(yùn)行所伴隨的必然現(xiàn)象，同時也是反映其運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)。船級社評估指南和國際標(biāo)準(zhǔn)均采用振動響應(yīng)的有效值來表征船舶結(jié)構(gòu)或設(shè)備的振動狀態(tài)［1］。由此，通過對設(shè)備外部振動信號監(jiān)測可以判斷和掌握機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀況，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常反應(yīng)，提前預(yù)知設(shè)備故障的位置和發(fā)展趨勢。本文研究了一種以LabVIEW虛擬儀器軟件為開發(fā)平臺的振動監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用多個加速度傳感器對船舶機(jī)艙動力設(shè)備運(yùn)行時的振動狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后將多通道振動數(shù)據(jù)傳入計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析處理和故障診斷，最終實(shí)現(xiàn)船舶機(jī)艙動力設(shè)備的故障監(jiān)測。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件的選擇

系統(tǒng)采用加速度傳感器采集振動信號，該傳感器體積小、重量輕、靈敏度高、頻率范圍寬［2］。使用時將其吸附在船舶機(jī)艙動力設(shè)備基座外部就可以采集信號，在監(jiān)測系統(tǒng)和動力設(shè)備之間無電氣連接，對動力設(shè)備不產(chǎn)生任何影響，數(shù)量與位置都極易調(diào)整，安裝方便。同時，為了在不降低系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，避免布線復(fù)雜，提高系統(tǒng)靈活性，系統(tǒng)采用了基于WiFi的WLS－9234數(shù)據(jù)采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡可直接與加速度傳感器連接，數(shù)據(jù)采集卡將采集的振動數(shù)據(jù)以無線方式實(shí)時傳送到計算機(jī)的監(jiān)測系統(tǒng)中。并對輸入信號進(jìn)行分析處理和實(shí)時顯示。系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。

圖1 船舶機(jī)艙動力設(shè)備振動監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成

2.2 測量點(diǎn)的選擇

測量設(shè)備振動時，必須測量多點(diǎn)的振動值，測量點(diǎn)的選擇直接影響測量效果的好壞［3］，對動力設(shè)備進(jìn)行振動測量時，測量點(diǎn)應(yīng)選擇能代表機(jī)器振動的部位，如機(jī)器的底座、軸承或剛性較強(qiáng)的構(gòu)件等“硬點(diǎn)”上。比如在測量柴油機(jī)的振動時，通常將多個測量點(diǎn)布置在其與船體基座相聯(lián)的機(jī)身底腳上，同時測量機(jī)身底腳的橫向和垂向兩個方向的振動；應(yīng)避免在汽缸頭或機(jī)器的罩殼等部位布置測量點(diǎn)，因為高溫、強(qiáng)聲場以及局部共振等都會影響到傳感器的工作，使測量數(shù)據(jù)不能真實(shí)的反映機(jī)器的振動和狀態(tài)。而對于電機(jī)這樣的設(shè)備，測點(diǎn)常常布置在軸承座、機(jī)身頂部或公共底座上。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，采用模塊化設(shè)計［4］。主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析和故障診斷四個模塊。船舶機(jī)艙動力設(shè)備振動監(jiān)測系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 船舶機(jī)艙動力設(shè)備振動監(jiān)測系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

1）驅(qū)動安裝及無線連接的建立

使用NI－DAQmx安裝WLS－9234的驅(qū)動。NI－DAQmx中包括支持200多種NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備的驅(qū)動、測量自動化瀏覽器（MAX）和數(shù)據(jù)采集助手（DAQ Assistant）［5］。驅(qū)動程序安裝完成后，需要對WLS－9234和計算機(jī)之間進(jìn)行無線連接設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)通信。通過MAX和系統(tǒng)的“無線網(wǎng)絡(luò)連接”對話框可以完成無線網(wǎng)絡(luò)連接及相關(guān)硬件的配置、測試和管理。注意首次使用WLS－9234時必須先建立有線連接，之后才能進(jìn)行無線連接。

2）建立NI－DAQmx任務(wù)

無線采集設(shè)備WLS－9234無線連接測試成功后，還需要在MAX中新建一個NI－DAQmx任務(wù)。點(diǎn)擊MAX主界面的“創(chuàng)建任務(wù)”，在DAQ助手中展開“采集信號”，選擇“模擬輸入”中的“加速度”，之后彈出“新建NI－DAQmx任務(wù)”窗口，顯示出已經(jīng)連接到計算機(jī)的采集設(shè)備名稱以及支持的物理通道［6］。選擇全部的物理通道，然后根據(jù)提示建立加速度任務(wù)：my acceleration task；在之后出現(xiàn)的窗口中設(shè)置該加速度任務(wù)的各項參數(shù)后，點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，在波形顯示區(qū)域就會出現(xiàn)信號。最后點(diǎn)擊“保存”完成任務(wù)的創(chuàng)建。

3.2 數(shù)據(jù)管理模塊

船舶機(jī)艙動力設(shè)備振動數(shù)據(jù)具有采集通道多和數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，為了能夠?qū)崟r監(jiān)測振動狀態(tài)或根據(jù)歷史狀態(tài)進(jìn)行故障診斷，必須能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行存儲和讀取。本系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用文件和數(shù)據(jù)庫兩種形式存儲。

1）振動波形管理

根據(jù)振動波形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用LabVIEW中的波形文件I／O函數(shù)對振動波形數(shù)據(jù)進(jìn)行存取，通過文件系統(tǒng)來管理波形，既能滿足實(shí)時快速操作的要求，又能根據(jù)日期和時間進(jìn)行數(shù)據(jù)的組織管理。

2）振動特征量管理

振動特征量數(shù)據(jù)量較小，但種類繁多，如轉(zhuǎn)速、基頻幅值、基頻相位、振幅等。采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)可以有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、查詢和調(diào)用功能，這里使用SQL Server 2000進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理。LabVIEW有多種訪問數(shù)據(jù)庫的方法，本系統(tǒng)使用NI公司提供的Database Connectivity Toolkit數(shù)據(jù)庫連接工具包與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接，該工具可以用于不同的數(shù)據(jù)源和處理不同的數(shù)據(jù)類型。

3.3 數(shù)據(jù)分析處理模塊

數(shù)據(jù)分析處理模塊對采集的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形和特征數(shù)據(jù)的提取，為進(jìn)一步的故障診斷做準(zhǔn)備。此模塊利用多種信號處理方法實(shí)現(xiàn)了對平穩(wěn)和非平穩(wěn)振動信號的處理。對平穩(wěn)信號采用時域和頻域分析方法；對非平穩(wěn)動態(tài)信號則采用時頻域分析方法。

1）時域分析

由于振動波形就是振動信號的時間歷程，因此波形具有明顯的特征，可直接用波形分析法初步判斷設(shè)備的性能狀況。例如，單純的不平衡振動波形是正弦波；轉(zhuǎn)子出現(xiàn)摩擦故障時的振動波形會出現(xiàn)毛刺或削波現(xiàn)象；出現(xiàn)大約等距離的尖脈沖是沖擊的特征等。

2）頻域分析

圖3 頻域分析程序框圖

通過Fourier變換等將時域信號變換為頻域信號，將構(gòu)成信號的各種頻率成分分解，得到信號的頻率組成以及各諧波的幅值與相位。根據(jù)振動故障機(jī)理可知，不同故障所包含的振動頻率成分并不相同，借助頻譜圖中包含的頻率成分的直觀展示，能夠更好地判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，這對故障診斷十分重要。本模塊采用了幅度譜和自功率譜分析，程序框圖如圖3所示。

3）時頻域分析

小波分析的優(yōu)點(diǎn)是能夠在時頻域平面上以不同的“分辨率”來觀察信號，非常適合非平穩(wěn)和沖擊性振動信號的分析和處理。因此本系統(tǒng)利用Lab－VIEW的外掛工具包Advanced Signal Processing Toolkits中的Wavelet Analysis工具來對信號進(jìn)行小波分析［7］。本模塊采用小波變換函數(shù)中的非抽樣小波變換子VI（WA Undecimated Wavelet Transform.VI）和它的反變換函數(shù)（WA Inverse Undecimated Wavelet Transform，VI）對振動信號進(jìn)行了小波分解和重構(gòu)，這樣可以方便地提取信號的特征信息。本模塊只顯示離散小波變換的最高層的低頻分量和高頻分量。小波變換程序框圖如圖4所示。

圖4 小波變換程序框圖

3.4 故障診斷

當(dāng)船舶機(jī)艙動力設(shè)備工作異常時，通常會導(dǎo)致設(shè)備振動量的增加，其振動頻率成分或振動形態(tài)也會隨之改變。因此，通過振動信號的波形及信號特征就可以推斷設(shè)備內(nèi)部的狀態(tài)，從而判斷和排除設(shè)備運(yùn)行中的大部分故障［8］。

1）根據(jù)波形診斷

不同的設(shè)備故障的振動狀態(tài)具有不同的特征，有些故障在時域圖形上反映不明顯，但在頻域圖形或小波圖形上卻表現(xiàn)得比較突出。因此，借助數(shù)據(jù)分析處理模塊得到的各種頻譜，參考相關(guān)故障頻譜來對設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行分析，就可以對很多設(shè)備的機(jī)械故障做出準(zhǔn)確的診斷，如轉(zhuǎn)子不平衡、軸承松動、軸系不對中、動靜件摩擦、旋轉(zhuǎn)失速或結(jié)構(gòu)共振等故障。

2）根據(jù)特征參數(shù)診斷

動力設(shè)備狀態(tài)的變化，將導(dǎo)致振動信號特征參數(shù)的不同。因此，利用數(shù)據(jù)分析處理模塊得到的特征參數(shù)進(jìn)行趨勢分析，就能夠?qū)υO(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的評估。具體的方法是從數(shù)據(jù)庫中讀出信號特征參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，對選定的特征參數(shù)進(jìn)行趨勢分析，再與歷史運(yùn)行記錄正常值作比較，預(yù)測設(shè)備狀態(tài)的發(fā)展趨勢，以此來判斷設(shè)備可能發(fā)生的故障及程度，并據(jù)此制定設(shè)備的保養(yǎng)維修計劃。同一種故障的診斷可依據(jù)多種特征參數(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行分析［9］。

4 系統(tǒng)測試

為了檢測監(jiān)測系統(tǒng)對測試信號的分析性能，本文對船舶柴油發(fā)電機(jī)基座振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。首先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后將采集到的振動波形保存為波形文件。通過兩組波形數(shù)據(jù)來測試振動監(jiān)測系統(tǒng)的功能及有效性。第一組數(shù)據(jù)為平穩(wěn)的振動信號，對其進(jìn)行時域分析和頻域分析，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 振動信號頻域分析結(jié)果

從圖中可以看到，時域分析提取了幾個特征參數(shù)，而頻域分析得到了的頻譜圖和自功率圖，通過自功率圖可以看到振動波形的頻率主要集中在30Hz。

第二組為采集到的不平穩(wěn)振動信號。點(diǎn)擊小波分析界面的導(dǎo)入波形按鈕，從彈出的對話框中指定路徑，就打開了波形文件。為了減少小波變換系數(shù)的冗余度，在wavelet輸入端選擇db02，即正交小波；分解尺度levels設(shè)為5，即對振動信號進(jìn)行5層小波離散變換，分析結(jié)果顯示如圖6所示。

圖6 振動信號離散小波變換分析結(jié)果

圖中顯示的分析結(jié)果包括第5層的高頻分量圖、第5層低頻分量圖以及小波分析的重構(gòu)圖。其中的第5層高頻分量與原始信號的總趨勢基本吻合，所以無需進(jìn)行下一步的小波分解。從圖中可以看到，從原始振動波形上無法看出波形的詳細(xì)特征，但小波變換后的波形卻十分清楚，完全去除了振動信號以外的干擾［10］。所以，利用小波分析可以很好地提取波形特征量。

5 結(jié)語

本文將振動信號的無線采集以及分析處理方法引進(jìn)到船用設(shè)備的監(jiān)測與故障診斷中，有效提高了船用設(shè)備的監(jiān)測診斷水平；該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析等功能均采用模塊化結(jié)構(gòu)，為以后系統(tǒng)的功能擴(kuò)展提供了方便。另外，基于虛擬儀器的人機(jī)界面友好，操作簡單，且大大減少了系統(tǒng)開發(fā)時間和軟硬件成本。

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