絞吸船泥泵在線振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

李曉燕，曹湘波

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

絞吸挖泥船是航道疏浚、吹填造地、水利工程和港口建設(shè)的主要工具，作為工程船，船上有大量的船機設(shè)備和疏浚裝備，設(shè)備正常運轉(zhuǎn)是保障船舶正常施工作業(yè)的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外對于船機關(guān)鍵設(shè)備，如柴油機、發(fā)電機等的運行狀態(tài)檢測技術(shù)方面的研究已經(jīng)較為深入，已形成系統(tǒng)的監(jiān)測管理和故障診斷理念，并研發(fā)出較為成熟的柴油機檢測診斷方法，如狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測法，振動分析法和油液分析法等；在監(jiān)測絞刀運行狀態(tài)方面的研究，有絞刀控制系統(tǒng)等，實現(xiàn)了自動控制，并實時顯示絞刀在挖泥剖面的位置和產(chǎn)量等各種信息參數(shù)。而迄今對于挖泥船故障頻發(fā)、影響施工效率的泥泵工作狀態(tài)監(jiān)測研究則較少。泥泵因其工作運行環(huán)境惡劣，經(jīng)常發(fā)生葉輪失衡、流道堵死、斷軸、軸承失效、過度磨損等問題故障，擬通過實時獲得泥泵工作狀態(tài)，提早發(fā)現(xiàn)泥泵故障征兆，及時采取維修養(yǎng)護。泥泵在其工作生命周期內(nèi)，歷經(jīng)葉輪自然磨損、非均勻流體泥漿通過、雜物沖擊等[1]，從狀態(tài)完好到惡劣，呈現(xiàn)逐漸變化趨勢，這些都會通過其固有振動頻率趨勢變化和沖擊振動而體現(xiàn)，同時在對某系列絞吸船多次發(fā)生泥泵斷軸事故后的調(diào)查中了解到，在故障發(fā)生前，泥泵均出現(xiàn)異常振動，由此擬通過對泥泵建立一種實時在線振動監(jiān)測系統(tǒng)來研究其變化，從而實現(xiàn)更科學(xué)有效的泥泵效率評估、維修與保養(yǎng)手段。

1 系統(tǒng)設(shè)計與安裝

1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計

泥泵是典型的旋轉(zhuǎn)往復(fù)型機械，振動分析法是進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機械監(jiān)測與診斷的主要方法[2]，它直接、有效，并且可靠度高，在機械行業(yè)得到普遍應(yīng)用；泥泵在線振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（船載服務(wù)器系統(tǒng)）由前端的設(shè)備傳感器群、中間的信號采集系統(tǒng)和后端的故障分析與診斷系統(tǒng)軟件組成，包括傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和計算機，其結(jié)構(gòu)分為3 層[3-5]：

1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第1 層，即泥泵現(xiàn)場，在泥泵設(shè)備適當(dāng)位置安裝振動加速度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，用于實時測量采集泥泵的振動和轉(zhuǎn)速參數(shù)。

2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的第2 層，即船舶施工作業(yè)控制室（駕駛室）。機械監(jiān)測系統(tǒng)裝備放置在控制室內(nèi)環(huán)境較好的地方，從泥泵安裝的傳感器傳輸回來的信號經(jīng)過處理后，根據(jù)信號的強弱轉(zhuǎn)換成相應(yīng)大小的電流（4～20 mA）信號輸出，通過與預(yù)先設(shè)定的警戒值相比較，在屏幕上通過紅、黃、綠指示燈來顯示設(shè)備的運行狀態(tài)，通過這種直觀的方式，讓現(xiàn)場施工管理人員、操作人員實時掌握泥泵的運行狀況。

3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第3 層，即各種擴展功能所需。電流信號可以通過電纜傳輸至其他配置的中控系統(tǒng)或者拓展功能設(shè)備，船載服務(wù)器系統(tǒng)的服務(wù)器再通過移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與陸岸監(jiān)測中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，陸岸監(jiān)測中心和客戶端設(shè)備構(gòu)成廣域局域網(wǎng)。陸岸監(jiān)測中心集中處理從挖泥船上收集的數(shù)據(jù)，客戶端設(shè)備可以是臺式計算機、筆記本電腦、平板電腦或者智能手機。在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，通過訪問陸岸監(jiān)測中心及在用戶權(quán)限系統(tǒng)的監(jiān)督控制下，相關(guān)人員根據(jù)自己的權(quán)限，監(jiān)控挖泥船上的測量數(shù)據(jù)。通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸或下載，以滿足后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)回放、報警查看、狀態(tài)趨勢記錄或數(shù)據(jù)分析研究。

泥泵在線監(jiān)測系統(tǒng)流程如圖1 所示。

圖1 泥泵在線監(jiān)測流程圖Fig.1 Real-time monitoring flow chart of dredge pump

1.2 系統(tǒng)硬件與安裝

本文研究對象是“華安龍”（設(shè)計產(chǎn)量為4 500 m3/h 的絞吸船），船上2 臺甲板泥泵，額定轉(zhuǎn)速325 r/min，額定功率3 626 kW，屬于大型、低速的旋轉(zhuǎn)機械。鑒于泥泵工作環(huán)境惡劣，選用頻率范圍0.1～10 000 Hz 的工業(yè)ICP 加速度傳感器。所選擇的數(shù)據(jù)采集設(shè)備必須具備較強的可靠性，同時主要考慮以下兩個方面的要求：1）采集設(shè)備的處理能力，采集系統(tǒng)不僅需要合適的采樣頻率、較大的存儲空間，還需要快速的數(shù)據(jù)計算處理能力；2）數(shù)據(jù)采集精度，這是保證獲取可靠分析數(shù)據(jù)的重要因素。

系統(tǒng)中泥泵測點選擇依據(jù)主要參考標(biāo)準(zhǔn)為GB 10889—1989《泵的振動測量與評價方法》。每個測點都要在3 個相互垂直的方向（水平、垂直、軸向）進(jìn)行振動測量。系統(tǒng)中約定：泥泵主軸方向為X 軸，水平方向為Y 軸，垂直方向為Z 軸。傳感器布置分主測點和輔助測點，主測點位于泥泵齒輪箱輸入和輸出的軸承座處和靠近軸承處，輔助測點布置在泥泵基座和出口法蘭處。測點位置布置如圖2 所示。

圖2 泥泵測點示意圖Fig.2 Schematic diagram of pump measuring point

因監(jiān)測系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，系統(tǒng)硬件必須采取適當(dāng)?shù)姆雷o措施：鎧裝工業(yè)型ICP 加速度傳感器配備的信號線適用于長距離信號的傳輸，雙層屏蔽層能夠有效的屏蔽外界干擾信號，更適用于長距離信號傳輸；采集儀專用防護箱采用特殊設(shè)計，能夠防電磁干擾、防潮。

1.3 系統(tǒng)振動分析方法

振動分析功能包括時域分析、幅值頻譜、功率頻譜、倒頻譜、自相關(guān)譜、互相關(guān)譜、概率密度函數(shù)、軸心軌跡曲線、包絡(luò)解調(diào)、趨勢分析等實用功能，本系統(tǒng)中用于泥泵振動狀態(tài)的分析算法主要有時域分析、頻譜分析、包絡(luò)譜分析等[6-8]。

時域分析是信號最基本的分析方法之一，它直觀給出了信號原始的時域波形，在各個方面有重要的作用。對于具體的信號，它表現(xiàn)出不同的應(yīng)用特點。監(jiān)測系統(tǒng)隨時測量當(dāng)前振動信號的相應(yīng)特征值，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，實現(xiàn)監(jiān)測任務(wù)。

頻譜分析方法主要為研究其內(nèi)在規(guī)律，建立在傅里葉變換（FFT）技術(shù)的基礎(chǔ)上，將振動時間信號中包含的頻率成分換成頻譜表示形式，旋轉(zhuǎn)機械常見故障均會產(chǎn)生某一種固定頻率或者頻率范圍的振動，可以通過觀察分析振動信號在相應(yīng)頻率或范圍的變化，從而確定故障是否發(fā)生及故障的類型來實現(xiàn)診斷的目的。它具有運算速度快、物理概念清晰簡單的優(yōu)點。

包絡(luò)譜分析即共振解調(diào)分析常常用于滾動軸承、齒輪等旋轉(zhuǎn)機械元件的故障診斷中，共振解調(diào)一般是對信號中的共振波形的包絡(luò)線進(jìn)行頻譜分析，所以稱為包絡(luò)譜分析。共振解調(diào)分析診斷軸承損傷類故障的原理：當(dāng)軸承某一元件表面出現(xiàn)局部損傷時，在負(fù)載運行過程中要與其他元件發(fā)生碰撞，產(chǎn)生沖擊脈沖力，由于沖擊脈沖力的頻帶很寬，必然包含了軸承外圈、傳感器等的固有頻率而激起這個測振系統(tǒng)的高頻固有振動。

2 泥泵振動監(jiān)測實測分析

2018 年5 月“華安龍”絞吸挖泥船泥泵振動在線監(jiān)測系統(tǒng)完成安裝與調(diào)試，系統(tǒng)投入使用。振動數(shù)據(jù)分析的測試時段，“華安龍”一直在廣西北海鐵山港工地進(jìn)行吹填造地作業(yè)施工，該工地土質(zhì)主要為中粗沙。

2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2 臺泥泵實時狀態(tài)測試工況選擇挖泥、清水（低速）、清水（高速）3 個工況，對所采集的泥泵監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要包括時域分析和頻域分析。

1）挖泥工況

挖泥工況下，對“華安龍”泥泵測試數(shù)據(jù)進(jìn)行時域分析?？梢园l(fā)現(xiàn)在挖泥過程中，泥泵上會出現(xiàn)隨機的沖擊振動，如圖3 所示，左、右泥泵X、Y、Z 三個方向的時域振動幅值。

圖3 泥泵挖泥工況時域振動幅值Fig.3 Time domain vibration amplitude of dredge pump in dredging condition

此時泥泵振動時域最大值是有效值的4 倍左右，主要是在挖泥過程中，由于泥土土質(zhì)不均勻、流速、泵真空度等因素導(dǎo)致的沖擊振動，如圖4所示。

圖4 挖泥工況泥泵的振動時域分析Fig.4 Vibration time domain analysis of dredge pump in dredging condition

此時對泥泵測試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析?？梢园l(fā)現(xiàn)在挖泥過程中，泥泵葉輪轉(zhuǎn)速為280 r/min，泥泵的振動頻譜主要集中在500 Hz 以下，14 Hz 為泥泵葉片通過頻率。

2）清水工況（低速）

泥泵低速泵送清水工況下，對泥泵測試數(shù)據(jù)進(jìn)行時域分析?？梢园l(fā)現(xiàn)在泥泵泵送清水過程中，泥泵上也會出現(xiàn)隨機的沖擊振動。泥泵振動時域最大值和有效值比挖泥工況都有不同程度的減小，而出現(xiàn)沖擊振動可能是由于流體流動特性導(dǎo)致。泥泵低速泵送清水工況下，對泥泵測試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析。可以發(fā)現(xiàn)在挖泥過程中，泥泵的振動頻譜主要集中在500 Hz 以下；泥泵葉輪轉(zhuǎn)速為280 r/min，14 Hz 為泥泵葉片通過頻率。

3）清水工況（高速）

泥泵高速泵送清水工況下，泥泵柴油機轉(zhuǎn)速為920 r/min。對泥泵測試數(shù)據(jù)進(jìn)行時域分析?？梢园l(fā)現(xiàn)在泥泵泵送清水過程中，泥泵上也會出現(xiàn)隨機的沖擊振動，與泥泵低速泵送清水工況類似。通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)，高速泵送清水比低速時泥泵振動略有增大。

泥泵高速泵送清水工況下，對泥泵測試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析?？梢园l(fā)現(xiàn)在泥泵高速泵送清水過程中，泥泵的振動頻譜主要集中在500 Hz 以下，泥泵葉輪轉(zhuǎn)速為301 r/min，15.07 Hz 為泥泵葉片通過頻率，比低速工況振動略大。

綜上所述，“華安龍”絞吸船在以上3 個工況下，從時域和頻域方面對泥泵振動狀態(tài)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，泥泵無明顯故障征兆，船機設(shè)備運行良好。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢分析

選取2019 年4—6 月“華安龍”絞吸船在廣西北海鐵山港工地施工過程中泥泵施工測試數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析。

正常施工過程中，左右甲板泵轉(zhuǎn)速基本上穩(wěn)定在315 r/min 左右，但2 個泥泵的出口壓力有一定的波動，圖5、圖6 分別是左、右泥泵振動均方差趨勢圖，左泥泵是施工前更換的新葉輪，故左泥泵振動較平穩(wěn)，右泥泵在更換葉輪前后，泥泵軸向（X 向）振動數(shù)據(jù)差異較明顯，從數(shù)據(jù)看更換葉輪后泥泵振動均方差減小了70%左右。右泥泵拆換下的葉輪，目視磨損嚴(yán)重，無法繼續(xù)使用。

通過分析對比右泥泵更換泥泵葉輪前后的在線振動系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，葉輪磨損程度和400 Hz 以下振動頻譜能量有關(guān)。選取右泥泵更換葉輪前后多組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，低頻能量占比變化明顯，新葉輪的低頻能量占比從80%降到20%，降幅達(dá)60%。

圖5 左泥泵振動均方差趨勢圖Fig.5 Trend chart of vibration mean square error of left dredge pump

圖6 右泥泵振動均方差趨勢圖Fig.6 Trend chart of vibration mean square error of right dredge pump

對比右泥泵葉片通過頻率的幅值譜可以發(fā)現(xiàn)，更換右泥泵葉輪前后差異明顯。進(jìn)一步分析右泥泵的三維譜陣可以發(fā)現(xiàn)，更換右泥泵葉輪前后頻譜變化比較明顯，見表1。

表1 右泥泵葉片頻率三維譜陣對比Table 1 Comparison of three-dimensional spectral array of blade frequency of right dredge pump

3 結(jié)語

泥泵在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在“華安龍”船上的安裝和使用，從其實際使用效果看，可達(dá)到研究的目的。由此可見，通過泥泵在線監(jiān)測技術(shù)能夠提早發(fā)現(xiàn)故障征兆，最大限度地減少泥泵的計劃外維修、消除冗余檢查和經(jīng)常性地計劃內(nèi)維護以及帶來的過剩維修；如處理及時，或可避免突發(fā)故障的發(fā)生；使泥泵零部件的壽命得到充分發(fā)揮，優(yōu)化泥泵檢修周期，降低維修費用，從而使泥泵維修更加合理，可大大提高絞吸挖泥船的疏浚效率，帶來可觀的經(jīng)濟效益。