基于定子電流的電力推進(jìn)船舶螺旋槳故障診斷

黃 輝, 褚建新, 沈愛弟

(上海海事大學(xué) 航運(yùn)技術(shù)與控制工程交通部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201306)

基于定子電流的電力推進(jìn)船舶螺旋槳故障診斷

黃 輝, 褚建新, 沈愛弟

(上海海事大學(xué) 航運(yùn)技術(shù)與控制工程交通部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201306)

針對(duì)電力推進(jìn)船舶建立船槳模型，研究螺旋槳和推進(jìn)電機(jī)以及螺旋槳轉(zhuǎn)距和推進(jìn)電機(jī)定子電流之間的關(guān)系。通過提取推進(jìn)電機(jī)中定子電流信號(hào)以及分析定子電流的頻譜,對(duì)螺旋槳的故障進(jìn)行診斷，仿真實(shí)驗(yàn)證明了該方法的有效性。

船舶工程;電力推進(jìn)；定子電流；螺旋槳故障；頻譜分析

電力推進(jìn)船舶的推進(jìn)系統(tǒng)通常由推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳組成，其中螺旋槳是船舶前進(jìn)的最重要?jiǎng)恿υ?。船舶航行的水域有時(shí)十分復(fù)雜，如碼頭附近有漂浮的硬物、航道上有沉船、冰區(qū)有浮冰。船舶在復(fù)雜的水域中航行時(shí)，螺旋槳可能會(huì)出現(xiàn)碰到水中漂浮物、發(fā)生擱淺、纏到纜繩或錨鏈等狀況，造成卷邊、槳葉變形，嚴(yán)重的甚至造成槳葉折斷。因船舶螺旋槳故障而發(fā)生重大海上安全事故的案例屢見不鮮。例如2000年11月，法國(guó)“戴高樂”號(hào)航空母艦在北大西洋進(jìn)行首次遠(yuǎn)洋試驗(yàn)時(shí)發(fā)生了螺旋槳槳葉折斷事故，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和政治影響。[1]

受工作環(huán)境的限制，對(duì)船舶螺旋槳進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷十分困難。為保證船舶安全運(yùn)行，通常會(huì)對(duì)其螺旋槳進(jìn)行定期檢查，但針對(duì)性和準(zhǔn)確性不高，而且不能在船舶航行過程中實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，以便及時(shí)采取措施。因此，可采取間接檢測(cè)的方式對(duì)螺旋槳的狀態(tài)進(jìn)行判斷，即通過檢測(cè)與螺旋槳相關(guān)的機(jī)械的或電的變化判斷螺旋槳的狀態(tài)。這種間接方式具有實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，是研究的重點(diǎn)。文獻(xiàn)[2]對(duì)螺旋槳軸油液的常規(guī)理化性能檢驗(yàn)、油液光譜分析和鐵譜分析等油液檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，通過分析螺旋槳軸油液，對(duì)螺旋槳軸進(jìn)行故障分析。文獻(xiàn)[3]通過提取導(dǎo)管內(nèi)壁的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)，建立了基于CFD的導(dǎo)管螺旋槳故障診斷系統(tǒng)；通過研究螺旋槳不同故障工況下的水動(dòng)力性能和流場(chǎng)特點(diǎn)，提出螺旋槳故障監(jiān)測(cè)與診斷的方法，取得了良好效果。文獻(xiàn)[4]將非線性滑模觀測(cè)器引到水下航行體螺旋槳的故障診斷中，從設(shè)計(jì)的非線性觀測(cè)器中提取故障診斷信息，利用模糊診斷原理分析殘差信號(hào)，通過分析殘差序列水下螺旋槳進(jìn)行故障診斷。對(duì)于電力推進(jìn)船舶，其推進(jìn)電機(jī)定子電流與螺旋槳負(fù)載的變化息息相關(guān)，對(duì)推進(jìn)電機(jī)電子電流進(jìn)行分析可間接得出螺旋槳狀態(tài)的變化，電機(jī)定子電流的分析也已成為很多場(chǎng)合故障診斷的依據(jù)[5-7]。

基于推進(jìn)電機(jī)定子電流的電力推進(jìn)船舶螺旋槳故障診斷方法，即當(dāng)電力推進(jìn)船舶的螺旋槳發(fā)生卷邊、變形、斷裂等故障時(shí)，其轉(zhuǎn)矩會(huì)發(fā)生變化，從而引起推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化，推進(jìn)電機(jī)定子電流也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。因此，通過分析推進(jìn)電機(jī)定子電流的異常，對(duì)電力推進(jìn)船舶的螺旋槳進(jìn)行故障診斷。

1 螺旋槳與推進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

在內(nèi)河船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，推進(jìn)電機(jī)一般選用4極異步變頻電動(dòng)機(jī)。在較大容量的電力推進(jìn)系統(tǒng)中，推進(jìn)電機(jī)直接連接螺旋槳，中間不配置減速齒輪箱，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由船-槳系統(tǒng)的特點(diǎn)及其基本理論可知，槳的推力和轉(zhuǎn)矩隨進(jìn)速系數(shù)的不同而變化。由于槳的轉(zhuǎn)速可測(cè)、船速可由船-槳模型求得，因此可建立如下船-槳模型[8]：

(1)

(2)

(3)

(4)

KQ=KQ(J)

(5)

KT=KT(J)

(6)

(7)

式(1)～式(7)中：λ為附加質(zhì)量系數(shù)；m為船體質(zhì)量；vs為船舶相對(duì)于水域速度；t為推力減額系數(shù)；P為螺旋槳推力；TQ為螺旋槳轉(zhuǎn)矩；Rf為船舶所受的阻力；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速；DP為螺旋槳直徑；ρ為水的密度；ξ為船舶總阻力系數(shù)；w為伴流系數(shù)；KT為推力系數(shù)；KQ為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；J為進(jìn)速系數(shù)。其中，式(5)和式(6)的曲線值可由螺旋槳的敞水特性獲得。

推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳，水中轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋槳產(chǎn)生推力并作用于船體，使船舶發(fā)生運(yùn)動(dòng)?？梢姡?槳系統(tǒng)中存在2個(gè)慣性子系統(tǒng)：螺旋槳旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和船舶平動(dòng)子系統(tǒng),兩者之間有推力和轉(zhuǎn)矩的傳遞。圖2給出了船舶運(yùn)動(dòng)的船-槳模型框圖[9]。

船舶直線航行時(shí),輸入的是螺旋槳轉(zhuǎn)速，輸出的是船舶航行的航速和螺旋槳轉(zhuǎn)矩。船舶與螺旋槳之間的運(yùn)動(dòng)是相互影響的，船體對(duì)螺旋槳的作用稱為伴流系數(shù)，螺旋槳對(duì)船體的作用稱為推力減額系數(shù)。轉(zhuǎn)矩受伴流系數(shù)的影響，而航速由螺旋槳推力(受推力減額系數(shù)的影響)產(chǎn)生。

圖2 船-槳模型框圖

2 推進(jìn)電機(jī)定子電流與螺旋槳轉(zhuǎn)距關(guān)系

為分析轉(zhuǎn)矩與定子某一相電流的關(guān)系，通過M-T同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換建立推進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，分析其定子電流。經(jīng)過M-T坐標(biāo)變換后，把定子電流分離成了轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量2個(gè)獨(dú)立變量。[10]

圖3 推進(jìn)電機(jī)M-T軸系動(dòng)態(tài)等效電路

令M軸與定子磁通鏈的方向Ψs一致，M軸和T軸相互垂直。由于Ψs方向與M軸一致，因此Ψs在T方向上的分量ΨsT為0。isT是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Te的有效(轉(zhuǎn)矩)電流分量，isM是產(chǎn)生有效磁勢(shì)、磁通的勵(lì)磁電流分量。

在同步旋轉(zhuǎn)M-T坐標(biāo)變換中，坐標(biāo)軸與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，T軸和M軸相互垂直，M軸與定子旋轉(zhuǎn)磁通方向一致，可把A,B,C三相電流在T軸和M軸上分解為

(8)

當(dāng)異步電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)M-T坐標(biāo)變換M軸與定子旋轉(zhuǎn)磁通方向一致時(shí)，其狀態(tài)方程為

(9)

由此可得

(10)

轉(zhuǎn)子回路方程可表示為

(11)

電磁轉(zhuǎn)距為

(12)

(13)

(14)

式(13)～式(14)中:ωs為轉(zhuǎn)差角速度，ωs=ω-ωr。ω,ωr分別為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角速度和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度。

在實(shí)際的電力推進(jìn)系統(tǒng)船舶中，推進(jìn)系統(tǒng)的傳動(dòng)軸較短，若忽略其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，機(jī)械運(yùn)動(dòng)平衡方程為

Te-Bmωm-Jmpωm=TQ

(15)

式(15)中：Te為推進(jìn)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；ωm為推進(jìn)電機(jī)機(jī)械角速度；JP為螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Bm為推進(jìn)電機(jī)黏滯摩擦系數(shù)；p為微分算子；TQ為螺旋槳轉(zhuǎn)矩。

由式(13)～式(15)建立螺旋槳轉(zhuǎn)矩與推進(jìn)電機(jī)定子電流間的關(guān)系。將式(8)展開，可得到由isM，isT表示的A，B，C三相電流，例如A相電流為

isA(t)=i0sin(2πft+φ0)

(16)

isM及isT不能直接測(cè)量，利用坐標(biāo)變換可得到由isM及isT表示的A，B，C三相電流，其中式(16)為正常狀態(tài)下定子電流的表達(dá)式，故障時(shí)電流中包含了電網(wǎng)頻率和螺旋槳故障振動(dòng)的故障頻率，可通過分析定子電流檢測(cè)出螺旋槳故障。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

假設(shè)船舶正處于正常航行狀態(tài)，式(1)的附加質(zhì)量系數(shù)λ取1.1，船舶正車航行時(shí)推力減額系數(shù)t取0.145 5，伴流系數(shù)w取0.157，阻力系數(shù)取10[11]，仿真中螺旋槳與推進(jìn)電機(jī)直接相連，電機(jī)轉(zhuǎn)速取600 r/min。根據(jù)對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的分析, 可在MATLAB中仿真出螺旋槳故障診斷模擬系統(tǒng)(見圖4)。

圖5為螺旋槳故障前和故障后仿真所得的定子電流時(shí)域信號(hào)，可看出，當(dāng)螺旋槳出現(xiàn)損壞時(shí)，推進(jìn)電機(jī)定子電流時(shí)域信號(hào)并未出現(xiàn)較大歧變，根據(jù)電流的時(shí)域波形判斷不出螺旋槳故障，其時(shí)域反應(yīng)并不明顯。圖6為螺旋槳故障前和故障后的定子電流的頻域信號(hào)，其中60 Hz為提供推進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的交流電頻率，故障前頻譜中只存在這一頻率。產(chǎn)生故障后，頻譜中產(chǎn)生了間隔為10 Hz的邊頻帶，這與仿真前設(shè)置的螺旋槳轉(zhuǎn)速頻率一致，故可判斷螺旋槳出現(xiàn)了故障。

圖4 螺旋槳故障檢測(cè)示意圖

(a) 故障前

(b) 故障后

綜上所述，推進(jìn)電機(jī)定子電流對(duì)由轉(zhuǎn)矩引起的波動(dòng)十分敏感，當(dāng)故障電流信號(hào)在時(shí)域表現(xiàn)不明顯時(shí)，可對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，在頻域中觀察頻譜變化、判斷運(yùn)行狀態(tài)。

通過分析推進(jìn)電機(jī)定子電流，對(duì)螺旋槳進(jìn)行監(jiān)測(cè)。螺旋槳故障種類有很多，最直接的表現(xiàn)為轉(zhuǎn)矩的變化導(dǎo)致定子電流頻譜的變化。如果需要更詳細(xì)地檢測(cè)螺旋槳損壞程度(如卷邊程度、斷裂程度等)，需通過大量試驗(yàn)提取故障數(shù)據(jù)以及更深入的分析手段，通過分析故障數(shù)據(jù)掌握螺旋槳各種故障從輕微到嚴(yán)重時(shí)定子電流的變化規(guī)律，掌握故障早期的信號(hào)特征，以便及時(shí)采取措施。

對(duì)于推進(jìn)系統(tǒng)的其他故障,也可通過分析推進(jìn)電機(jī)定子電流得出，每種故障對(duì)應(yīng)一種信號(hào)，比如，若齒輪出現(xiàn)點(diǎn)蝕磨損，定子電流中會(huì)出現(xiàn)與齒輪齒數(shù)及轉(zhuǎn)軸頻率乘積對(duì)應(yīng)的故障頻率，由此可進(jìn)行故障的判斷。如需確切知道故障的程度，同樣需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)與分析。

(a) 故障前

(b) 故障后

4 結(jié) 語(yǔ)

鑒于螺旋槳工作環(huán)境的特殊性，直接對(duì)螺旋槳進(jìn)行故障診斷比較困難，這方面研究也較少。本文采用間接檢測(cè)推進(jìn)電機(jī)定子電流的方法對(duì)螺旋槳進(jìn)行故障診斷，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的有效性，可為進(jìn)一步進(jìn)行螺旋槳的故障診斷工作提供幫助。

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DiagnosisofPropellerFaultofElectricPropulsionShipBasedonStatorCurrent

HUANGHui,CHUJianxin,SHENAidi

(Key Laboratory of Marine Technology amp; Control Engineering Ministry Communications, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

The ship-propeller math model of the electric propulsion ship is established, and the relation between the propeller torque and the motor stator current is studied. The spectrum analysis of the motor stator current is performed to diagnose the fault of the propeller of the electric propulsion ship. The method is proved effective by simulation test.

ship engineering; electric propulsion； stator current； propeller fault； spectrum analysis

2014-05-12

科技部2012年度國(guó)際科技合作與交流專項(xiàng)(2012DFG71850)；上海市科委地方院校能力建設(shè)專項(xiàng)(11170501700)

黃 輝 (1982—), 男, 安徽滁州人，博士生，從事電力推進(jìn)系統(tǒng)建模仿真與故障診斷研究。E-mail: huihui3000@163.com

1000-4653(2014)03-0028-04

U664.33

A