基于振動閾值的船舶離心泵系統(tǒng)建造階段聲學故障診斷方法

李春光 閻慧東 張華棟 計 方

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

0 引 言

隨著船舶行業(yè)的不斷發(fā)展，船舶的聲學性能越來越受到人們的重視。通過數(shù)十年的研究，我國在船舶噪聲研究方面取得了顯著的進展，船舶結構設計從僅僅滿足功能需求，到如今不斷涌現(xiàn)出基于新理論、新技術的新型低噪聲設計，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、人員等復雜因素影響，會產(chǎn)生許多聲學質量問題從而引起“聲學故障”。

離心泵廣泛應用于船舶動力系統(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，及時對船舶離心泵系統(tǒng)的聲學故障進行排查整改是保障船舶聲學性能的重要前提。關于船舶聲學故障的定義，任安民等指出，船舶服役期間因設備技術狀態(tài)變化及航行期間瞬態(tài)偶發(fā)事件，所導致的聲學設計指標受損以及可探測性惡化的異常現(xiàn)象稱為船舶聲學故障。針對聲學故障，學者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。美國自20 世紀80年代起就關注船舶聲學故障問題，以正常工況特征頻段振級別加6 dB 作為檢測基準，對船舶設備振動噪聲異常檢測進行監(jiān)測。國內(nèi)也有部分學者開展了相關研究。關于船用離心泵，吳仁榮歸納了30 種引起系統(tǒng)異常振動噪聲的故障原因，并給出了兩類消除異常振動噪聲的方法。關于聲學故障的診斷方法，周軍偉等基于試驗研究利用鄰近算法（K-Nearest Neighbor，KNN）對水下航行器的聲學故障進行檢測識別。章林柯等采用多輸入多輸出分析方法得到噪聲源貢獻比動態(tài)曲線，實現(xiàn)對水下航行器聲學故障的預報。此外，章林柯等還針對水下航行器提出了一種基于支持向量數(shù)據(jù)描述的聲學故障嚴重程度評估方法。

以上研究表明國內(nèi)外學者在船用設備的振動噪聲狀態(tài)檢測及故障診斷方面取得了大量的研究成果。但在船舶領域實際工程中，由于系統(tǒng)的復雜性，以上方法難以取得理想的效果，且公開資料顯示我國對于船舶聲學故障的檢測是針對船舶總體進行的，缺少對于具體機械系統(tǒng)的診斷方法。因此，本文針對船舶廣泛應用的離心泵系統(tǒng)，緊密結合實船測試數(shù)據(jù)，提出一種基于正態(tài)分布區(qū)間估計原理的閾值提取方法，并通過試驗驗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)振動加速度總級離散度分析

在船舶總裝建造階段，減振降噪措施與系統(tǒng)、設備施工同步進行，由于設備建造差異、施工工藝等復雜因素的影響會導致設備在建造階段聲學性能產(chǎn)生較大的離散度。結合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行分析（如下頁圖1 所示），其中測試1、測試2 為1 號船的2 個不同建造階段4 型離心泵系統(tǒng)的測試結果，測試3、測試4 為2 號船的2 個不同建造階段4 型離心泵系統(tǒng)的測試結果。

以圖1（b）為例進行分析。圖中給出了1 號船及2 號船的4 型不同型號離心泵在2 個不同建造階段的基座振級實測結果。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 號船2 個不同階段的基座振級測試結果極差為10 dB，且4 型離心泵在同一條船（1 號船）的基座測試結果也呈現(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測試結果。經(jīng)筆者分析，離心泵系統(tǒng)機腳振級、進出口撓性接管徑向及軸向振級在不同建造階段下極差均超過6 dB。

圖1 建造現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析（10~8 000 Hz）

根據(jù)以上分析結果，可以將建造階段離心泵系統(tǒng)聲學特性離散度概括為兩個方面：一是設備在不同邊界條件下產(chǎn)生的離散度；二是設備在不同建造階段產(chǎn)生的離散度。以上振動離散度在現(xiàn)有技術條件下難以避免，但給建造現(xiàn)場聲學質量評估帶來困難。通?？筛鶕?jù)專家經(jīng)驗對異常振動進行排查，因此亟需在離散度分析的基礎上，提取離心泵系統(tǒng)建造階段聲學質量評估閾值，結合各測點信息綜合判別并進行聲學故障診斷。

2 基于正態(tài)分布的船舶離心泵系統(tǒng)聲學故障閾值提取

根據(jù)工程經(jīng)驗及實測數(shù)據(jù)分析，船舶結構振動測點的頻帶能量總級服從或近似服從獨立正態(tài)分布，因此本文第1 章所研究的4 型離心泵系統(tǒng)振動測點頻帶能量總級分別服從正態(tài)分布，其標準差及數(shù)學期望需根據(jù)實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算，為不同型號設備進行歸一化處理，消除設備差異。本文提出一種基于振動偏離值的統(tǒng)計方法，具體分析過程如下。

由于（0，）+～（，），即服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)同時加一個常數(shù)，仍然服從正態(tài)分布。因此，假設將測點測試數(shù)據(jù)減去基準值得到的偏差服從正態(tài)分布，基準值計算公式見式（1）；又由于偏差為正偏差與負偏差的概率相同，因此進一步假設振動偏差值服從期望為0的正態(tài)分布。

圖2 頻帶能量總級偏差值統(tǒng)計結果

機腳振動測點偏差值統(tǒng)計結果與期望為0、標準差為4的正態(tài)分布概率密度曲線（式2）基本吻合，因此驗證了以上假設的合理性。

式中：為振動測點頻帶能量總級偏差值，dB；為標準差；為數(shù)學期望或稱均值。

以上統(tǒng)計分析驗證了本文提出的振動測點頻帶能量總級偏差值服從期望為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。通常認為發(fā)生概率小于5%的事件為“小概率事件”，可認為在一次試驗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%，在實際工程中認為相應的事件不會發(fā)生。因此可將+設置為預警值，將+2設置為報警值。其中為數(shù)學期望或稱均值；為標準差，計算公式見式（3）。

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

（1）獲取振動測點測試數(shù)據(jù)，計算10~315 Hz、315~8 000 Hz頻帶總級；

（2）利用公式（1）計算各測點基準值；

（3）計算各測點與均值的偏離值ΔL；

（5）利用公式（3）計算標準差；

（6）+為預警閾值，+2為報警閾值。

按以上計算步驟對建造現(xiàn)場某型離心泵8個測試部位相應的362個偏離值樣本進行統(tǒng)計分析，得到該型離心泵各測點振動閾值，如下頁表1所示。該閾值反映了振動信號正常波動范圍上限，當波動值超出該閾值時，認為發(fā)生異常振動。如下頁圖3所示，給出了偏離值樣本與預警值及報警值的關系，可見未發(fā)生聲學故障時偏離值均在報警閾值限制線內(nèi)，部分樣本數(shù)據(jù)超過預警閾值限制線，這是由于隨機噪聲及偶發(fā)噪聲的影響。理想狀態(tài)下當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，偏離值均不超過閾值。但在實際統(tǒng)計過程中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下仍有24個偏離值樣本產(chǎn)生預警信號，2個偏離值樣本產(chǎn)生報警信號。經(jīng)計算偏離值樣本處于預警值區(qū)間內(nèi)的概率為93.4%，處于報警值區(qū)間內(nèi)的概率為99.45%，因此證明了該方法計算得到的閾值可反映振動信號正常波動范圍，滿足工程需求。

圖3 機腳閾值計算結果

表1 離心泵閾值設置dB

3 離心泵系統(tǒng)典型聲學故障模擬試驗

第2章基于正態(tài)分布理論，給出了報警值及預警值的計算方法，并通過計算獲取了典型離心泵系統(tǒng)各部位振動噪聲測點閾值，該閾值排除了設備差異，對典型離心泵系統(tǒng)均適用。為了驗證該方法確定的閾值的有效性，本文通過模擬試驗對基于閾值的船舶離心泵聲學故障診斷進行研究，搭建了某離心泵系統(tǒng)試驗臺架（如圖4所示），保持系統(tǒng)在額定工況下運行。

圖4 試驗臺架

3.1 測點布置方案

低航速時，機械振動引起的結構噪聲往往成為船舶的主要噪聲源。聲學故障檢測問題可以轉化為機械設備振動狀態(tài)監(jiān)測問題，因此本文對船舶離心泵系統(tǒng)聲學故障診斷的檢測主要利用振動信號。按照工程中振動噪聲測試測點布置原則，針對設備、撓性接管和管路支吊架等關鍵位置布置了共計18個振動測點。測點編號及對應位置如表2所示，測點布置方案如圖5所示。

圖5 測點布置方案

表2 測點編號及對應位置

3.2 試驗工況設置

通過對船舶建造安裝階段聲學質量問題分析可知，建造階段聲學質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)管路振動傳遞路徑分析及聲學質量問題統(tǒng)計分析，結合工程經(jīng)驗設置試驗工況見下頁表3。

表3 試驗工況表

3.3 試驗過程

首先，在離心泵系統(tǒng)額定工況下運行，獲取多組非故障工況下各測點的振動數(shù)據(jù)；其次，通過將撓性接管上下剛性連接、機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故障，獲取各故障工況下振動測點數(shù)據(jù)。

3.4 試驗結果分析

首先分析正常工況下獲取的實驗數(shù)據(jù)，圖6 給出了系統(tǒng)正常運行工況下連續(xù)獲取的4 組試驗數(shù)據(jù)。由圖可知，正常工況下系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各測點4 次測量結果基本一致，按公式（1）計算故障診斷基準值。

圖6 各測點振動加速頻譜

以工況3 為例，下頁圖7 給出了部分測點10~8 000 Hz 頻帶振動加速度頻譜圖及各測點的偏離值?？芍摴r下，局部測點振動加速度明顯惡化，測點7、測點8 在10~315 Hz 頻段范圍振動加速度總級無明顯變化；在315~8 000 Hz 頻段范圍振動加速度總級分別增加3.7 dB 和5.5 dB。因此可知進水管減振接管聲短路主要影響315~8 000 Hz 頻段振動特性，其中測點7 振動加速度級升高15.1 dB,測點8 升高13.6 dB。這是因為進水管撓性接管短路導致?lián)闲越庸軠p振效果失效，設備振動沿管路方向向后傳遞，因此進水管撓性接管徑向、軸向下測點（7、8）振動惡化，進口馬腳上下測點（9、10）也隨之增大。

下頁圖7（c）、（d）給出了工況3 時各測點實際偏離值與閾值關系示意圖。由圖7（d）可知：按照文本提取的閾值進行診斷， 故障工況3發(fā)生時，測點7、測點8 產(chǎn)生報警信號，測點9、測點10 產(chǎn)生預警信號。因此可根據(jù)此信息進行故障診斷，其他工況測試結果匯總見表4。

圖7 振動加速度對比圖

由表4 可知：工況1~5 主要影響315~8 000 Hz頻段范圍局部測點振動加速總級，工況6 和工況7主要影響10~315 Hz 頻段范圍系統(tǒng)整體振動加速總級。因此可通過10~315 Hz、315~8 000 Hz 頻段振動加速度總級偏差結合預警報警情況進行故障診斷。通過模擬試驗對7 個故障工況的13 組數(shù)據(jù)進行診斷，共正確診斷12 次，診斷準確率為92.3%。

表4 試驗結果匯總dB

續(xù)表4

4 結 論

本文以船舶離心泵系統(tǒng)為研究對象，通過正態(tài)分布區(qū)間估計原理對建造階段離心泵系統(tǒng)振動噪聲實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，獲取了用于聲學故障診斷的振動頻帶總級閾值。在此基礎上為驗證振動閾值有效性開展模擬試驗，主要結論如下：

（1）本文對8 組362 個偏離值樣本進行了正態(tài)分布統(tǒng)計分析，共獲取8 組振動閾值。經(jīng)計算，偏離值樣本處于預警值區(qū)間內(nèi)的概率為93.4%，處于報警值區(qū)間內(nèi)的概率為99.45%。通過聲學故障模擬試驗共進行了13 組總計104 個偏離值故障診斷，其中正確診斷12 次，診斷準確率為92.3%，滿足工程需求。

（2）設備的安裝邊界條件會對其聲學性能產(chǎn)生較大影響。因此，為提高同一型號設備聲學性能的一致性，可對減振元器件振級落差、設備機腳振級開展基于正太分布的統(tǒng)計分析并提取診斷閾值以及為設備聲學性能的監(jiān)測提供依據(jù)。

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