艦船柴油機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)及減振效能在線評(píng)估系統(tǒng)

王　強(qiáng)，劉金鑫，張興武，喬百杰，陳雪峰

艦船柴油機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)及減振效能在線評(píng)估系統(tǒng)

王強(qiáng)1，劉金鑫2，張興武2，喬百杰2，陳雪峰2

（1.中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100036；2.西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054）

主動(dòng)隔振技術(shù)是一種具有治理艦船低頻噪聲潛力的新技術(shù)。針對(duì)艦船柴油機(jī)組主動(dòng)隔振試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、現(xiàn)場(chǎng)混亂、噪聲大以及局部有限控制點(diǎn)信息無法進(jìn)行全局減振效能評(píng)估的缺點(diǎn)，特研發(fā)一套柴油機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)及減振效能在線評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)、減振效能在線評(píng)估、數(shù)據(jù)采集和記錄以及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控等功能，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)顯示該系統(tǒng)可以節(jié)省時(shí)間，提高試驗(yàn)工作效率和工作舒適度，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的目的和效果。

振動(dòng)與波；艦船柴油機(jī)組；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；減振效能評(píng)估

柴油機(jī)由于其熱效率高，易啟動(dòng)，適應(yīng)性強(qiáng)，問世以來很快被作為艦船推進(jìn)動(dòng)力源或作為輔機(jī)用來帶動(dòng)發(fā)電機(jī)、空氣壓縮機(jī)或水泵等。由于船用工作設(shè)備和柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)速通常不匹配，故一般配備大型的齒輪減速器，構(gòu)成柴油機(jī)組。柴油機(jī)及其齒輪減速器是艦船的主要機(jī)械噪聲源。它不僅影響艦船舒適性，影響海洋生態(tài)環(huán)境，而且極大地影響了艦船的隱蔽性，所以人們一直努力治理機(jī)械噪聲［1-3］。

艦船的柴油機(jī)組的噪聲特性呈寬帶頻譜加線譜，其中線譜主要集中在低頻段。特別是《中國(guó)制造2025》重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新綠皮書中提到的我國(guó)需大力發(fā)展船用大型低速柴油機(jī)，轉(zhuǎn)速低于300 r/min，線譜將集中在更低頻的位置。目前為了降低機(jī)械噪聲對(duì)艦船的影響，柴油機(jī)組都安裝于隔振設(shè)備（單層，雙層，浮筏等）上。這些隔振設(shè)備相當(dāng)于低通濾波器可以在很大程度上消除結(jié)構(gòu)的高頻噪聲，然而對(duì)低頻振動(dòng)卻無能為力［4-5］。低頻噪聲波長(zhǎng)長(zhǎng)，衰減慢，傳播距離遠(yuǎn)，一方面對(duì)人體容易造成慢性損傷，另一方面由于現(xiàn)有的聲納探測(cè)的LOFAR（低頻分析和測(cè)距）技術(shù)正是依據(jù)低頻線譜特征進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，這對(duì)艦船隱蔽性造成了巨大威脅［6］。

主動(dòng)控制是一種具有治理低頻噪聲潛力的方法。它結(jié)合控制理論和振動(dòng)理論，通過主動(dòng)耗能的方式進(jìn)行噪聲的抵消控制。為了研究艦船動(dòng)力機(jī)械組的低頻隔振和低頻線譜特征消除方法，建立了一套主動(dòng)隔振試驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)由動(dòng)力源，減速器，負(fù)載以及主動(dòng)隔振平臺(tái)組成。在該柴油機(jī)組主動(dòng)隔振平臺(tái)上進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的主動(dòng)控制試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有如下缺點(diǎn)：

1）主動(dòng)振動(dòng)控制通常采用有限個(gè)作動(dòng)器進(jìn)行局部有限點(diǎn)的控制，而全局的控制效果無法從控制目標(biāo)信息反映。

2）柴油機(jī)減振試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)噪聲巨大，試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)和機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控會(huì)嚴(yán)重影響試驗(yàn)人員的身體健康。

針對(duì)上述缺點(diǎn)和問題，本文研發(fā)一套柴油機(jī)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)及減振效能在線評(píng)估的系統(tǒng)。它不僅可以通過視頻和振動(dòng)特征信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程，而且可以進(jìn)行主動(dòng)隔振控制性能的評(píng)估。為柴油機(jī)組主動(dòng)隔振試驗(yàn)平臺(tái)增添了新的子系統(tǒng)功能，并大幅度節(jié)省時(shí)間，提高試驗(yàn)工作效率和工作舒適性。

1　系統(tǒng)構(gòu)架

該系統(tǒng)旨在提供一種柴油機(jī)減振試驗(yàn)系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)與效能評(píng)估功能。系統(tǒng)架構(gòu)為三層：傳感器層、信號(hào)調(diào)理層和軟件層。其中軟件層分為兩部分，振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)與處理和視像信號(hào)監(jiān)測(cè)與處理。振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)處理部分包括信號(hào)采集存儲(chǔ)，在線監(jiān)測(cè)和在線評(píng)估三大子模塊，視像信號(hào)軟件具有圖形顯示，軌跡控制和圖像記錄等功能，狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)和減振效能在線評(píng)估為核心部分，見圖1。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)

2　狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)

2.1狀態(tài)監(jiān)控量

狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要是通過信號(hào)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)指標(biāo)反映機(jī)器的運(yùn)行狀況。通常這些指標(biāo)不但與機(jī)器的狀態(tài)有關(guān)，且與機(jī)器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)如轉(zhuǎn)速、載荷等有關(guān)。有量綱參數(shù)指標(biāo)包含均值、均方值、方差、方根幅值、平均幅值、峰值等；而無量綱參數(shù)指標(biāo)具有對(duì)信號(hào)幅值和頻率變化均不敏感的特點(diǎn)，是一種較好的機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷參數(shù)。無量綱參數(shù)指標(biāo)包含峰值指標(biāo)、峭度指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、裕度指標(biāo)，偏斜度指標(biāo)等。系統(tǒng)可以對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線計(jì)算，監(jiān)測(cè)，報(bào)警和保存等。根據(jù)時(shí)域統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的定義及功能，重新組織分類，具體如下［7］：

1）均值

反映信號(hào)的穩(wěn)定（直流）分量，是機(jī)械振動(dòng)的平衡點(diǎn)，是信號(hào)的1階矩。

2）均方值/均方根值

均方值描述振動(dòng)信號(hào)的能量，是信號(hào)的2階原點(diǎn)計(jì)矩；均方根值為均值開方，也稱有效值，速度有效值稱為振動(dòng)烈度。

3）方差/標(biāo)準(zhǔn)差

方差衡量信號(hào)的離散度，表示信號(hào)的動(dòng)態(tài)部分，為信號(hào)的2階中心距；方差開方為標(biāo)準(zhǔn)差。

4）平均幅值/波形指標(biāo)（Shape factor）

平均幅值反映信號(hào)幅值的平均值；波形指標(biāo)定義為均方根值與平均幅值之比。它反映信號(hào)的波形特征。

5）峰值/峰值指標(biāo)（Crest factor）/脈沖指標(biāo)（Impulse factor）

觀察時(shí)間段中信號(hào)的最大值即為峰值，工程上一般用若干個(gè)最大值的算術(shù)平均作為峰值。峰值指標(biāo)定義為峰值與均方根值的比值，反映信號(hào)中是否存在沖擊的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。脈沖指標(biāo)定義為峰值與平均幅值的比值，同樣反映信號(hào)中是否存在沖擊的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。

6）方根幅值/裕度指標(biāo)（Clearance factor）

方根幅值定義為信號(hào)先開方求和再平方，裕度指標(biāo)定義為峰值與方根幅值之比，裕度指標(biāo)對(duì)沖擊類的信號(hào)敏感。

7）偏斜度/偏斜度指標(biāo)（Skewness factor）

偏斜度是信號(hào)的距3階中心矩，偏斜度指標(biāo)為偏斜度和信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差的三次方的比值，反映振動(dòng)信號(hào)的非對(duì)稱性。

8）峭度/峭度指標(biāo)（Kurtosis factor）

峭度是信號(hào)的四階中心矩，峭度指標(biāo)為峭度和信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差的四次方的比值，反映信號(hào)中的沖擊特征。正常為3左右，超過4則說明有沖擊振動(dòng)。

2.2狀態(tài)監(jiān)控軟件模塊

狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊為系統(tǒng)核心模塊，有如下子功能：

1）顯示功能

通過對(duì)象的三維視圖監(jiān)測(cè)對(duì)象的測(cè)點(diǎn)分布圖、不同測(cè)點(diǎn)信號(hào)的時(shí)域或頻域顯示、采集狀態(tài)顯示、已采集時(shí)間顯示、信息統(tǒng)計(jì)量變化趨勢(shì)等。

2）控制功能

通過移動(dòng)鼠標(biāo)顯示對(duì)應(yīng)信號(hào)、選擇顯示的方向、選擇顯示的方式、選擇是否使用浮動(dòng)窗口等。

3）分析功能

在線分析所有通道的峰值、均值、絕對(duì)平均值、方根幅值、偏斜度等10余種統(tǒng)計(jì)量信息，實(shí)時(shí)顯示在面板窗口中，可以生成Word報(bào)表；可以設(shè)置超限報(bào)警等。

4）記錄功能

記錄振動(dòng)原始信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)、統(tǒng)計(jì)量分析數(shù)據(jù)。

3　減振效能在線評(píng)估

3.1減振方法

柴油機(jī)主動(dòng)隔振試驗(yàn)平臺(tái)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)，不涉及主動(dòng)減振控制模塊（另有配套主動(dòng)隔振控制系統(tǒng)）。在描述減振評(píng)估之前，簡(jiǎn)單描述該系統(tǒng)的主動(dòng)隔振方法，即采用濾波LMS隔振算法，它的大致思路為［8］

其中x（n）為參考信號(hào)（前饋傳感器采集到的振源附近振動(dòng)），y（n）為控制器輸出，W為控制器系數(shù)向量，L為控制器長(zhǎng)度。d（n）為振源振動(dòng)在觀測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)，e（n）為觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)際響應(yīng)，它為振源振動(dòng)和作動(dòng)器振動(dòng)在觀測(cè)點(diǎn)的疊加（試驗(yàn)中通過誤差傳感器測(cè)得），s（n）為作動(dòng)器到觀測(cè)點(diǎn)傳遞通道的脈沖響應(yīng)函數(shù)（次級(jí)通道），*代表卷積，為次級(jí)通道辨識(shí)模型的脈沖響應(yīng)函數(shù)，為濾波的參考信號(hào)。控制器權(quán)重通過最小均方（LMS）方法進(jìn)行調(diào)整，在理想的次級(jí)通道辨識(shí)情況下，誤差信號(hào)收斂于0。

3.2評(píng)估方法

減振效能評(píng)估采用加速度插入損失、振動(dòng)烈度和振級(jí)落差等指標(biāo)［9］。

1）加速度插入損失（Insert loss）

為主動(dòng)采取隔振措施前后基礎(chǔ)加速度響應(yīng)的有效值之比的常用對(duì)數(shù)的20倍。

其中ψb和ψa分別代表減振前后的加速度有效值。

2）振動(dòng)烈度

為物體振動(dòng)速度的均方根值，對(duì)于三向測(cè)，定義他們的均值為振動(dòng)烈度。

其中i=1，2，3分別代表xyz方向的振動(dòng)。由于本系統(tǒng)采用加速度傳感器獲得信號(hào)，需要將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為速度信號(hào)，采用頻域法進(jìn)行轉(zhuǎn)換

3）振級(jí)落差

定義為被隔振設(shè)備振動(dòng)響應(yīng)的有效值與對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)響應(yīng)的有效值之比常用對(duì)數(shù)的20倍。

其中ψeq代表機(jī)器的振動(dòng)，ψba代表基礎(chǔ)的振動(dòng)。

3.3減振效能評(píng)估軟件模塊

減振效能評(píng)估模塊為本系統(tǒng)核心模塊，它有如下子功能

1）顯示功能：通過對(duì)象的三維視圖監(jiān)測(cè)對(duì)象的測(cè)點(diǎn)分布圖、不同測(cè)點(diǎn)信號(hào)的時(shí)域或頻域顯示、采集狀態(tài)顯示、已采集時(shí)間顯示、評(píng)估結(jié)果在線實(shí)時(shí)顯示等。

2）控制功能：通過移動(dòng)鼠標(biāo)顯示對(duì)應(yīng)信號(hào)、選擇顯示的方向、選擇顯示的方式、選擇是否使用浮動(dòng)窗口等。

3）分析功能：可以在線分析加速度插入損失、振動(dòng)烈度和振級(jí)落差；可以生成Word報(bào)表。

4）記錄功能：可以記錄振動(dòng)原始信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)、評(píng)估結(jié)果數(shù)據(jù)。

4　船用柴油機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)及試驗(yàn)

船用柴油機(jī)主動(dòng)隔振系統(tǒng)如圖2和圖3所示。

圖2　柴油機(jī)主動(dòng)隔振平臺(tái)及系統(tǒng)安裝（原理圖）

圖3　柴油機(jī)主動(dòng)隔振平臺(tái)及系統(tǒng)安裝（實(shí)景圖）

它包括動(dòng)力源、減速器、負(fù)載、被動(dòng)隔振器和主動(dòng)隔振器（包含慣性作動(dòng)器）等。共布置10個(gè)位置的加速度傳感器：柴油機(jī)及減速器機(jī)殼各布置三向加速度傳感器1個(gè)（共2個(gè)），主動(dòng)隔振器上部各布置三向加速度傳感器1個(gè)（共4個(gè)），主動(dòng)隔振器下部基座各布置三向加速度傳感器1個(gè)（共4個(gè)）。布置兩個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器：高速軸和低速軸布置電渦流傳感器各1個(gè)（共2個(gè)）。系統(tǒng)布置4個(gè)視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)（布置在實(shí)驗(yàn)室四周墻壁）。本系統(tǒng)和主動(dòng)隔振系統(tǒng)獨(dú)立布置，控制柜布置在遠(yuǎn)離試驗(yàn)場(chǎng)地的隔間。圖4描述了船用柴油機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與減振效能評(píng)估的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖。試驗(yàn)工況：電機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min，齒輪箱輸出端轉(zhuǎn)速250 r/min，測(cè)功機(jī)負(fù)載扭矩40 NM。該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地對(duì)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、計(jì)算、監(jiān)測(cè)、評(píng)估和記錄。監(jiān)測(cè)過程是在線的，信號(hào)各統(tǒng)計(jì)量信息隨著時(shí)間變化，并實(shí)時(shí)地畫在屏幕上。減振效果評(píng)估也是在線的，評(píng)估指標(biāo)量隨著時(shí)間在屏幕上畫出。在開啟主動(dòng)隔振系統(tǒng)前后，振動(dòng)烈度和加速度插入損失有下降趨勢(shì)。振級(jí)落差有上升的趨勢(shì)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)從多個(gè)角度進(jìn)行試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境和機(jī)器運(yùn)行狀況的監(jiān)控，并可以人為設(shè)置監(jiān)控巡航路線和簡(jiǎn)單的狀態(tài)判斷，真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)狀況。

圖4　系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)

5　結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)是一個(gè)操作簡(jiǎn)單、功能齊全的面向?qū)ο蟮目梢暬癄顟B(tài)監(jiān)測(cè)及減振效能評(píng)估系統(tǒng)，硬件設(shè)計(jì)采用分布式結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)安裝難度，避免信號(hào)之間的相互影響。根據(jù)編程語(yǔ)言特點(diǎn)，采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)模塊化編程方式，程序調(diào)試簡(jiǎn)單，運(yùn)行效率高。根據(jù)不同信號(hào)特點(diǎn)，可以選取監(jiān)控、評(píng)估和保存不同的時(shí)域統(tǒng)計(jì)量，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)顯示該系統(tǒng)可以節(jié)省時(shí)間，提高試驗(yàn)工作效率和工作舒適度。此外系統(tǒng)還具有較好的安全性，可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的目的和效果。

［1］楊鐵軍，李新輝，朱明剛，等.船用柴油發(fā)電機(jī)組主動(dòng)減振試驗(yàn)研究［J］.振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2013（2）：160-168.

［2］張文春，段樹林，張宇.船用柴油機(jī)在臺(tái)架試驗(yàn)中振動(dòng)分析與減振優(yōu)化［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2015，35（1）：18-22.

［3］張懿時(shí)，童宗鵬，周炎，等.船舶齒輪箱硬彈性隔振技術(shù)研究［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2013，33（3）：153-155.

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［5］朱石堅(jiān).總師談潛艇降噪的手段與意義［J］.現(xiàn)代艦船，2012（10）：10-11.

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［7］何正嘉，訾艷陽(yáng)，張西寧.現(xiàn)代信號(hào)處理及工程應(yīng)用［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.

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［9］朱石堅(jiān)，樓京俊，何其偉，等.振動(dòng)理論與隔振技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006：354.

On-lineAssessment System for Condition Monitoring and Vibration Isolation of Diesel Units of Vessels

WANGQang1，LIU Jin-xin2，ZHANG Xin-wu2，QIAO Bai-jie2，CHEN Xue-feng2
（1.Systems Engineering Research Institute，China State Shipbuilding Corporation，Beijing 100036，China；2.The State Key Laboratory for Manufacturing System Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710054，China）

Active vibration isolation is a potential technology to solve the low-frequency noise problem of vessels. However，the active isolation experimental system（AIES）of diesel units of vessels has some shortcomings such as long experimental duration，messy test fields and huge in-situ noise.Besides，it is unlikely to make a global evaluation of noise reduction effect for the diesel units according to the information at the limited controlling points only.In this paper，a system with on-line monitoring，on-line assessment，data acquisition and recording and video surveillance is developed for the AIES.The function of on-line monitoring and assessment is emphasized.The experiment showed that the system can save time，improve work efficiency and comfort，which met the expected requirements.

vibration and wave；diesel units of vessels；condition monitoring；isolation assessment

U661，O328，O329

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.022

1006-1355（2016）03-0106-04

2015-12-29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51405370）

王強(qiáng)（1961-），男，山東省煙臺(tái)市人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榉抡婵刂萍氨O(jiān)測(cè)評(píng)估。E-mail：qiangwangww@163.com