船舶螺旋槳故障診斷技術(shù)初探

摘要：船舶導(dǎo)管螺旋槳；故障診斷應(yīng)用

關(guān)鍵詞：壓力波形；壓力頻譜檢測(cè)分析

隨著長江航道大建設(shè)大發(fā)展的步伐加快，航道工作船是長江上的先行者。船舶螺旋槳漿葉折斷的故障比較常見，其材料的性能、鑄件質(zhì)量、工作情況、使用環(huán)境、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等方面可以導(dǎo)致漿葉的斷裂。船舶是在水域里航行的，如果螺旋槳碰到漂浮物、浮冰等也會(huì)發(fā)生意外，導(dǎo)致其斷裂，進(jìn)而造成推進(jìn)裝置的損壞。所以對(duì)螺旋槳的檢測(cè)和故障診斷是十分重要的。

1.船舶螺旋槳故障診斷技術(shù)

1.1螺旋槳故障診斷系統(tǒng)

螺旋槳故障診斷系統(tǒng)是由大量的數(shù)據(jù)和信息組合而成的，通過綜合分析判斷，確定出故障的原因，以此得出診斷結(jié)論，最后提出解決措施。在螺旋槳運(yùn)行時(shí)，其設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)獲取穩(wěn)定數(shù)據(jù)、瞬態(tài)數(shù)據(jù)、以及過程參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)等信息進(jìn)行記錄。在此基礎(chǔ)上，通過信號(hào)分析和數(shù)據(jù)處理提取特有的故障征兆及故障敏感參數(shù)等，在進(jìn)行綜合的故障診斷。其故障診斷的前提是狀態(tài)檢測(cè)以及信號(hào)處理。信號(hào)處理是對(duì)傳感器得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存。檢測(cè)系統(tǒng)獲得的信號(hào)在進(jìn)行分析前，需要對(duì)先其進(jìn)行處理，因?yàn)槠浍@得的信號(hào)源有大量的噪音信息，要進(jìn)行減噪及濾波處理，再儲(chǔ)存獲得的信號(hào)源，從而進(jìn)一步的進(jìn)行故障診斷分析處理。

1.2 CFD螺旋槳故障診斷原理

為了提高船舶螺旋槳故障診斷關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用效率，計(jì)算機(jī)流體力學(xué)（CFD）已被廣泛的使用在此診斷技術(shù)上[1]。CFD主要是通過數(shù)值模擬手段，以實(shí)現(xiàn)故障診斷中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和信號(hào)處理的環(huán)節(jié)，而螺旋槳狀態(tài)檢測(cè)不再使用傳感器以及信號(hào)采集進(jìn)行故障的預(yù)測(cè)。以CFD進(jìn)行數(shù)值的模擬計(jì)算時(shí)，其數(shù)字計(jì)算模式可以看做是理想傳感器所采用的信號(hào)，和普通的傳感器所采集的信號(hào)相比較，其沒有噪信號(hào)，因此在處理環(huán)節(jié)上方便了很多，那么只需要對(duì)故障產(chǎn)生的機(jī)理以及故障診斷技術(shù)方面進(jìn)行研究和處理。這是在故障診斷技術(shù)上采用CFD計(jì)算數(shù)字模擬的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。為了提高故障診斷的準(zhǔn)確性和故障診斷效率，可以根據(jù)螺旋槳槳葉不同時(shí)間段以及不同的工作狀況，CFD對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算來紅的不同的信號(hào)，再通過信號(hào)的對(duì)比，分析，再對(duì)得到診斷結(jié)果進(jìn)行指導(dǎo)工程應(yīng)用。通過數(shù)值模擬可以直接對(duì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行處理，分析出產(chǎn)生故障的原因，以及對(duì)故障結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，從而得到故障診斷的轉(zhuǎn)接知識(shí)。

1.3 CFD故障診斷技術(shù)和方法

導(dǎo)管螺旋漿葉折斷事故可以采用CFD進(jìn)行故障監(jiān)控和用于診斷系統(tǒng)。診斷系統(tǒng)可采用壓力波形分析法以及頻譜分析法[2]：

1.2圖 基于CFD的導(dǎo)管螺旋槳槳葉折斷故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)

2.螺旋槳槳葉折斷故障的波形分析診斷法技術(shù)

2.1導(dǎo)管內(nèi)壁脈動(dòng)壓力數(shù)值模擬

故障檢測(cè)通過對(duì)槳葉在0.9R、0.8R、0.7R的運(yùn)行狀態(tài)，記錄其在不同時(shí)間以及不同運(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)信息，然后采用CFD計(jì)算模型對(duì)槳葉正常狀態(tài)下，以及對(duì)0.9R、0.8R、0.7R時(shí)間段的診斷故障進(jìn)行計(jì)算分析。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，要設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并設(shè)置其平均來流速度為3.5m/s，螺旋槳轉(zhuǎn)速為5r/s，再通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集模擬壓力傳感器信號(hào)。進(jìn)行模擬壓力傳感器工作時(shí)，可以采用某一區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力值，并平均采取其壓力變化值，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，要隨之記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力值，以實(shí)現(xiàn)模擬壓力傳感器的工作。下面分別記錄了螺旋槳的導(dǎo)管內(nèi)壁監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置處脈動(dòng)壓力數(shù)值模擬結(jié)果：

圖一 導(dǎo)管螺旋槳正常工作時(shí)的壓力脈動(dòng)圖

圖二 導(dǎo)管螺旋槳槳葉在0.9R處折斷時(shí)的壓力脈動(dòng)圖

圖三 導(dǎo)管螺旋槳槳葉在0.8R處折斷時(shí)的壓力脈動(dòng)圖

圖四 導(dǎo)管螺旋槳槳葉在0.7R處折斷時(shí)的壓力脈動(dòng)圖

2.2螺旋槳槳葉折斷故障的波形分析診斷法

導(dǎo)管內(nèi)壁壓力脈動(dòng)時(shí)間波形特征可以直接對(duì)導(dǎo)管的螺旋槳槳葉折斷故障進(jìn)行初步診斷。螺旋槳正常的工作狀態(tài)下，設(shè)置轉(zhuǎn)速為5r/s、周期為0.2s、頻率為5Hz，葉頻為20Hz。其導(dǎo)管內(nèi)壁的壓力脈動(dòng)波形圖為比較正軌的正弦波[3]。根據(jù)圖形可以看出，其波形看上去穩(wěn)定、重復(fù)性好以及具有光滑性。而且其波形變化的頻率與螺旋槳的葉頻相同。在螺旋槳槳葉折斷后，其波形發(fā)生了很大的變化。在某折斷的槳葉經(jīng)過監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置后，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)的區(qū)域的流場(chǎng)干擾會(huì)變小，壓力增高，水的流速變低。與螺旋槳葉槳葉正常情況相比，其導(dǎo)管內(nèi)壁波形圖會(huì)變的畸形，以此可以診斷出螺旋槳槳葉發(fā)生了折斷故障。再通過分析不同工作狀況下的壓力脈動(dòng)波形圖，由此可以分析得出，其波形會(huì)隨著螺旋槳槳葉折斷狀況法傷變化，其折斷情況越嚴(yán)重，波形變化就越畸形。由此，可以通過波形的畸形變化程度得出螺旋槳將槳葉的折斷位置。

2.2導(dǎo)管螺旋槳槳葉折斷故障頻譜診斷技術(shù)

導(dǎo)管螺旋槳某槳葉折斷時(shí)，其導(dǎo)管內(nèi)壁的壓力正弦波形具有明顯的畸形變化，根據(jù)其明顯的波形特征。分析出螺旋槳槳葉的折斷位置，以此，可以對(duì)導(dǎo)管螺旋槳不同故障工況下的導(dǎo)管內(nèi)壁的壓力時(shí)間波形圖選用矩形窗進(jìn)行FFT變換[4]。如下圖所示：

圖一 導(dǎo)管螺旋槳正常工作時(shí)的壓力頻譜圖

圖二 導(dǎo)管螺旋槳槳葉在 0.9R 處折斷時(shí)的壓力頻譜圖

圖三 導(dǎo)管螺旋槳槳葉在0.8R處折斷時(shí)的壓力頻譜圖

圖四 導(dǎo)管螺旋槳槳葉在 0.7R 處折斷時(shí)的壓力頻譜圖

根據(jù)所得出的導(dǎo)管螺旋槳槳葉折斷故障發(fā)生時(shí)的導(dǎo)管內(nèi)壁脈動(dòng)壓力波形頻譜圖，進(jìn)一步分析后，可以根據(jù)以下兩個(gè)圖表，得出幾點(diǎn)規(guī)律特征：若導(dǎo)管螺旋槳槳葉無故障發(fā)生，頻譜圖中的信號(hào)主要顯示葉頻和倍葉頻分量，其余引號(hào)頻率則不明顯。若導(dǎo)管螺旋槳槳葉發(fā)生折斷故障，則軸頻或倍軸頻信號(hào)顯示程度較強(qiáng)，而葉頻和倍葉頻分量信號(hào)變得微弱。若導(dǎo)管螺旋槳槳葉發(fā)生折斷故障嚴(yán)重，相應(yīng)的軸頻或倍軸頻信號(hào)顯示程度會(huì)更強(qiáng)，而葉頻和倍葉頻分量信號(hào)會(huì)變的更微弱。由此可以得出，根據(jù)軸頻或倍軸頻信號(hào)顯示程度，以及葉頻和倍葉頻分量信號(hào)顯示強(qiáng)度，可以對(duì)導(dǎo)管螺旋槳槳葉的故障進(jìn)行診斷，并診斷出折斷位置[5]。

2.3-1各頻率信號(hào)強(qiáng)度與基葉頻信號(hào)強(qiáng)度之比

頻率基軸頻2倍軸頻3倍軸頻基葉頻2倍葉頻

導(dǎo)管螺旋槳某

槳葉這段位置0.7R0.690.430.431.000.33

0.8R0.590.420.421.000.32

0.9R0.350.330.331.000.32

正常0.140.040.041.000.29

2.3-2不同故障工況時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度與正常工況信號(hào)強(qiáng)度之比

頻率基葉頻2 倍葉頻基軸頻2 倍軸頻3 倍軸頻

導(dǎo)管螺旋槳

某槳葉這段位置0.7R10.210.20.840.954.1

0.8R10.010.00.860.933.6

0.9R8.08.00.880.953.3

正常1.01.01.001.001.0

2.3波形分析法和頻譜法對(duì)螺旋槳槳葉折斷故障的監(jiān)測(cè)與診斷

以上根據(jù)導(dǎo)管螺旋槳流場(chǎng)的研究，再利用CFD數(shù)值模擬計(jì)算，獲得了螺旋槳槳葉的不同位置的折斷情況，同時(shí)分析出了其到管內(nèi)壁脈動(dòng)壓力的變化規(guī)律。根據(jù)脈動(dòng)壓力的時(shí)間波形進(jìn)行分析，獲得某一波峰鈍化畸變以及其畸變程度的信息，以得出導(dǎo)管內(nèi)壁的脈動(dòng)壓力時(shí)間波形圖和頻譜圖，根據(jù)其特征和敏感參數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)槳葉折斷故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)初步診斷出槳葉折斷位置。故障發(fā)生時(shí)，其基軸頻信號(hào)強(qiáng)度大于基葉頻的15%，以及2倍軸頻信號(hào)強(qiáng)度大于基葉頻的5%[6]。若需要更準(zhǔn)確的診斷出折斷位置，則可以對(duì)不同工況頻譜圖中葉頻、倍葉頻、軸頻和倍軸頻信號(hào)的強(qiáng)弱變化的關(guān)系以及變化規(guī)律進(jìn)行分析。

序號(hào)故障特征特征參量

1畸形的正弦波時(shí)域波形

2葉頻、倍葉頻特征頻率

3軸頻、倍軸頻常伴頻率

2.4-1導(dǎo)管螺旋槳槳葉折斷時(shí)，導(dǎo)管內(nèi)壁脈動(dòng)壓力特征

序號(hào)脈動(dòng)壓力變化情況

1隨槳葉折斷量變化非常明顯

2隨轉(zhuǎn)速變化非常明顯

2.4-2導(dǎo)管螺旋槳槳葉折斷時(shí)，導(dǎo)管內(nèi)壁脈動(dòng)壓力敏感參數(shù)

其故障診斷主要是對(duì)螺旋槳槳葉折斷后進(jìn)行CFD的數(shù)值模擬計(jì)算，再通過導(dǎo)管內(nèi)壁壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)生成時(shí)間波形圖，再進(jìn)行FFT的變換，結(jié)合對(duì)波形的分析，以此，可以結(jié)合波形分析法和頻譜診斷法，對(duì)螺旋槳槳葉折斷故障進(jìn)行診斷，以此獲得故障診斷技術(shù)。

結(jié)語

在船舶設(shè)備檢測(cè)中，合理運(yùn)用設(shè)備診斷技術(shù)，可以對(duì)設(shè)備的工作狀況進(jìn)行全面的了解，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)故障和維修。對(duì)其產(chǎn)生故障的原因進(jìn)行快速和準(zhǔn)確的分析，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果就是進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)、維修，從而保證設(shè)備良好的運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)備故障診斷技術(shù)的效果顯著，不僅減少了事故的發(fā)生，也增加了經(jīng)濟(jì)效益。為其良好的發(fā)展前景提供了必要條件。

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