艦船柴油機組狀態監測及減振效能在線評估系統

王　強，劉金鑫，張興武，喬百杰，陳雪峰

艦船柴油機組狀態監測及減振效能在線評估系統

王強1，劉金鑫2，張興武2，喬百杰2，陳雪峰2

（1.中國船舶工業系統工程研究院，北京 100036；2.西安交通大學 機械制造系統工程國家重點實驗室，西安 710054）

主動隔振技術是一種具有治理艦船低頻噪聲潛力的新技術。針對艦船柴油機組主動隔振試驗系統試驗時間長、現場混亂、噪聲大以及局部有限控制點信息無法進行全局減振效能評估的缺點，特研發一套柴油機組狀態監測及減振效能在線評估系統。該系統具有狀態在線監測、減振效能在線評估、數據采集和記錄以及試驗現場視頻監控等功能，現場試驗顯示該系統可以節省時間，提高試驗工作效率和工作舒適度，達到預期設計的目的和效果。

振動與波；艦船柴油機組；狀態監測；減振效能評估

柴油機由于其熱效率高，易啟動，適應性強，問世以來很快被作為艦船推進動力源或作為輔機用來帶動發電機、空氣壓縮機或水泵等。由于船用工作設備和柴油機輸出轉速通常不匹配，故一般配備大型的齒輪減速器，構成柴油機組。柴油機及其齒輪減速器是艦船的主要機械噪聲源。它不僅影響艦船舒適性，影響海洋生態環境，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械噪聲［1-3］。

艦船的柴油機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《中國制造2025》重點領域技術創新綠皮書中提到的我國需大力發展船用大型低速柴油機，轉速低于300 r/min，線譜將集中在更低頻的位置。目前為了降低機械噪聲對艦船的影響，柴油機組都安裝于隔振設備（單層，雙層，浮筏等）上。這些隔振設備相當于低通濾波器可以在很大程度上消除結構的高頻噪聲，然而對低頻振動卻無能為力［4-5］。低頻噪聲波長長，衰減慢，傳播距離遠，一方面對人體容易造成慢性損傷，另一方面由于現有的聲納探測的LOFAR（低頻分析和測距）技術正是依據低頻線譜特征進行目標識別，這對艦船隱蔽性造成了巨大威脅［6］。

主動控制是一種具有治理低頻噪聲潛力的方法。它結合控制理論和振動理論，通過主動耗能的方式進行噪聲的抵消控制。為了研究艦船動力機械組的低頻隔振和低頻線譜特征消除方法，建立了一套主動隔振試驗平臺，該平臺由動力源，減速器，負載以及主動隔振平臺組成。在該柴油機組主動隔振平臺上進行長時間的主動控制試驗，發現有如下缺點：

1）主動振動控制通常采用有限個作動器進行局部有限點的控制，而全局的控制效果無法從控制目標信息反映。

2）柴油機減振試驗現場噪聲巨大，試驗時間長，在現場進行試驗和機器狀態監控會嚴重影響試驗人員的身體健康。

針對上述缺點和問題，本文研發一套柴油機狀態在線監測及減振效能在線評估的系統。它不僅可以通過視頻和振動特征信息實時監測試驗過程，而且可以進行主動隔振控制性能的評估。為柴油機組主動隔振試驗平臺增添了新的子系統功能，并大幅度節省時間，提高試驗工作效率和工作舒適性。

1　系統構架

該系統旨在提供一種柴油機減振試驗系統的在線監測與效能評估功能。系統架構為三層：傳感器層、信號調理層和軟件層。其中軟件層分為兩部分，振動信號監測與處理和視像信號監測與處理。振動信號監測處理部分包括信號采集存儲，在線監測和在線評估三大子模塊，視像信號軟件具有圖形顯示，軌跡控制和圖像記錄等功能，狀態在線監測和減振效能在線評估為核心部分，見圖1。

圖1　系統架構

2　狀態在線監測

2.1狀態監控量

狀態監測主要是通過信號的時域統計指標反映機器的運行狀況。通常這些指標不但與機器的狀態有關，且與機器的運動參數如轉速、載荷等有關。有量綱參數指標包含均值、均方值、方差、方根幅值、平均幅值、峰值等；而無量綱參數指標具有對信號幅值和頻率變化均不敏感的特點，是一種較好的機器狀態監測診斷參數。無量綱參數指標包含峰值指標、峭度指標、脈沖指標、裕度指標，偏斜度指標等。系統可以對這些指標進行實時在線計算，監測，報警和保存等。根據時域統計指標的定義及功能，重新組織分類，具體如下［7］：

1）均值

反映信號的穩定（直流）分量，是機械振動的平衡點，是信號的1階矩。

2）均方值/均方根值

均方值描述振動信號的能量，是信號的2階原點計矩；均方根值為均值開方，也稱有效值，速度有效值稱為振動烈度。

3）方差/標準差

方差衡量信號的離散度，表示信號的動態部分，為信號的2階中心距；方差開方為標準差。

4）平均幅值/波形指標（Shape factor）

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

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

觀察時間段中信號的最大值即為峰值，工程上一般用若干個最大值的算術平均作為峰值。峰值指標定義為峰值與均方根值的比值，反映信號中是否存在沖擊的統計指標。脈沖指標定義為峰值與平均幅值的比值，同樣反映信號中是否存在沖擊的統計指標。

6）方根幅值/裕度指標（Clearance factor）

方根幅值定義為信號先開方求和再平方，裕度指標定義為峰值與方根幅值之比，裕度指標對沖擊類的信號敏感。

7）偏斜度/偏斜度指標（Skewness factor）

偏斜度是信號的距3階中心矩，偏斜度指標為偏斜度和信號標準差的三次方的比值，反映振動信號的非對稱性。

8）峭度/峭度指標（Kurtosis factor）

峭度是信號的四階中心矩，峭度指標為峭度和信號標準差的四次方的比值，反映信號中的沖擊特征。正常為3左右，超過4則說明有沖擊振動。

2.2狀態監控軟件模塊

狀態監測模塊為系統核心模塊，有如下子功能：

1）顯示功能

通過對象的三維視圖監測對象的測點分布圖、不同測點信號的時域或頻域顯示、采集狀態顯示、已采集時間顯示、信息統計量變化趨勢等。

2）控制功能

通過移動鼠標顯示對應信號、選擇顯示的方向、選擇顯示的方式、選擇是否使用浮動窗口等。

3）分析功能

在線分析所有通道的峰值、均值、絕對平均值、方根幅值、偏斜度等10余種統計量信息，實時顯示在面板窗口中，可以生成Word報表；可以設置超限報警等。

4）記錄功能

記錄振動原始信號、轉速信號、統計量分析數據。

3　減振效能在線評估

3.1減振方法

柴油機主動隔振試驗平臺的監測與評估系統，不涉及主動減振控制模塊（另有配套主動隔振控制系統）。在描述減振評估之前，簡單描述該系統的主動隔振方法，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（前饋傳感器采集到的振源附近振動），y（n）為控制器輸出，W為控制器系數向量，L為控制器長度。d（n）為振源振動在觀測點的響應，e（n）為觀測點的實際響應，它為振源振動和作動器振動在觀測點的疊加（試驗中通過誤差傳感器測得），s（n）為作動器到觀測點傳遞通道的脈沖響應函數（次級通道），*代表卷積，為次級通道辨識模型的脈沖響應函數，為濾波的參考信號?？刂破鳈嘀赝ㄟ^最小均方（LMS）方法進行調整，在理想的次級通道辨識情況下，誤差信號收斂于0。

3.2評估方法

減振效能評估采用加速度插入損失、振動烈度和振級落差等指標［9］。

1）加速度插入損失（Insert loss）

為主動采取隔振措施前后基礎加速度響應的有效值之比的常用對數的20倍。

其中ψb和ψa分別代表減振前后的加速度有效值。

2）振動烈度

為物體振動速度的均方根值，對于三向測，定義他們的均值為振動烈度。

其中i=1，2，3分別代表xyz方向的振動。由于本系統采用加速度傳感器獲得信號，需要將加速度信號轉化為速度信號，采用頻域法進行轉換

3）振級落差

定義為被隔振設備振動響應的有效值與對應基礎響應的有效值之比常用對數的20倍。

其中ψeq代表機器的振動，ψba代表基礎的振動。

3.3減振效能評估軟件模塊

減振效能評估模塊為本系統核心模塊，它有如下子功能

1）顯示功能：通過對象的三維視圖監測對象的測點分布圖、不同測點信號的時域或頻域顯示、采集狀態顯示、已采集時間顯示、評估結果在線實時顯示等。

2）控制功能：通過移動鼠標顯示對應信號、選擇顯示的方向、選擇顯示的方式、選擇是否使用浮動窗口等。

3）分析功能：可以在線分析加速度插入損失、振動烈度和振級落差；可以生成Word報表。

4）記錄功能：可以記錄振動原始信號、轉速信號、評估結果數據。

4　船用柴油機試驗平臺及試驗

船用柴油機主動隔振系統如圖2和圖3所示。

圖2　柴油機主動隔振平臺及系統安裝（原理圖）

圖3　柴油機主動隔振平臺及系統安裝（實景圖）

它包括動力源、減速器、負載、被動隔振器和主動隔振器（包含慣性作動器）等。共布置10個位置的加速度傳感器：柴油機及減速器機殼各布置三向加速度傳感器1個（共2個），主動隔振器上部各布置三向加速度傳感器1個（共4個），主動隔振器下部基座各布置三向加速度傳感器1個（共4個）。布置兩個轉速測量傳感器：高速軸和低速軸布置電渦流傳感器各1個（共2個）。系統布置4個視頻監控攝像機（布置在實驗室四周墻壁）。本系統和主動隔振系統獨立布置，控制柜布置在遠離試驗場地的隔間。圖4描述了船用柴油機組狀態監測與減振效能評估的現場試驗圖。試驗工況：電機轉速1 000 r/min，齒輪箱輸出端轉速250 r/min，測功機負載扭矩40 NM。該系統可以準確地對系統的轉速、振動信號進行采集、計算、監測、評估和記錄。監測過程是在線的，信號各統計量信息隨著時間變化，并實時地畫在屏幕上。減振效果評估也是在線的，評估指標量隨著時間在屏幕上畫出。在開啟主動隔振系統前后，振動烈度和加速度插入損失有下降趨勢。振級落差有上升的趨勢。視頻監控系統從多個角度進行試驗現場的環境和機器運行狀況的監控，并可以人為設置監控巡航路線和簡單的狀態判斷，真實反映現場狀況。

圖4　系統監測與評估現場

5　結語

本系統是一個操作簡單、功能齊全的面向對象的可視化狀態監測及減振效能評估系統，硬件設計采用分布式結構，簡化系統安裝難度，避免信號之間的相互影響。根據編程語言特點，采用數據流驅動模塊化編程方式，程序調試簡單，運行效率高。根據不同信號特點，可以選取監控、評估和保存不同的時域統計量，現場試驗顯示該系統可以節省時間，提高試驗工作效率和工作舒適度。此外系統還具有較好的安全性，可擴展性和可維護性，達到了預期設計的目的和效果。

［1］楊鐵軍，李新輝，朱明剛，等.船用柴油發電機組主動減振試驗研究［J］.振動工程學報，2013（2）：160-168.

［2］張文春，段樹林，張宇.船用柴油機在臺架試驗中振動分析與減振優化［J］.噪聲與振動控制，2015，35（1）：18-22.

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

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

［6］王魯軍，凌青，袁延藝.美國聲吶裝備及技術［M］.北京：國防工業出版社，2011.

［7］何正嘉，訾艷陽，張西寧.現代信號處理及工程應用［M］.西安：西安交通大學出版社，2007.

［8］楊鐵軍，靳國永，劉志剛.船舶動力裝置振動的主動控制［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2011：138.

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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

國家自然科學基金資助項目（51405370）

王強（1961-），男，山東省煙臺市人，高級工程師，主要研究方向為仿真控制及監測評估。E-mail：qiangwangww@163.com