關(guān)于船舶推進(jìn)裝置故障診斷技術(shù)的研究

張 偉，程 超

?

關(guān)于船舶推進(jìn)裝置故障診斷技術(shù)的研究

張 偉，程 超

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所,武漢 430064）

推進(jìn)裝置在船舶設(shè)計(jì)中為最重要的部分，它不僅決定著船舶運(yùn)行速度，還決定著船舶能否實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行。對于船舶的推進(jìn)裝置來說，主要構(gòu)成部分為主機(jī)、軸系以及螺旋槳，在船舶長期運(yùn)行以后，其推進(jìn)裝置如果不注意維護(hù)，經(jīng)常會發(fā)生故障，最先會發(fā)生故障的部分就是螺旋槳，進(jìn)而影響到軸系與主機(jī)。為做好船舶推進(jìn)裝置故障診斷分析，本文將從船舶推進(jìn)裝置構(gòu)成與傳動方式入手，研究船舶推進(jìn)裝置故障診斷技術(shù)，并提出船舶推進(jìn)裝置的維修解決方案。

船舶 推進(jìn)裝置 故障 診斷技術(shù)

0 引言

推進(jìn)裝置是船舶的重要組成部分，也是十分重要的動力系統(tǒng)組成，如果推進(jìn)裝置在使用時發(fā)生故障，船舶航行將會受到一定影響，因此，故障診斷技術(shù)在船舶推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)中是必不可少的，利用該技術(shù)人們不僅可以快速、精確、高效的確定推進(jìn)裝置故障原因所在，還能預(yù)見各個部件是否會出現(xiàn)劣化情況，從而最大限度避免了事故進(jìn)一步擴(kuò)大，保障了船舶在航行中的安全。所以，有必要對船舶推進(jìn)裝置故障診斷技術(shù)展開研究與探討，并提出了做好故障維修的相應(yīng)方法，希望能為相關(guān)人員帶來有效參考和幫助。

1 船舶推進(jìn)裝置構(gòu)成與傳動方式

1.1船舶推進(jìn)裝置構(gòu)成

船舶要正常運(yùn)行就離不開推進(jìn)裝置的支持，它是促使船舶運(yùn)行的重要系統(tǒng)，要做好船舶推進(jìn)裝置故障診斷與檢修，首先應(yīng)先了解其推進(jìn)裝置的主要構(gòu)成要素，通常情況下，船舶推進(jìn)裝置的構(gòu)成要素主要有主機(jī)、軸系、螺旋槳以及傳動設(shè)備（如圖1所示）[1]。

1.2船舶傳動方式

常用的船舶傳動方式主要有以下幾種：

第一，直接傳動。這種傳動方式不需要得到變速裝置的支持，其作用是將輸出動力傳送到推進(jìn)器中，這樣就產(chǎn)生了推進(jìn)力。直接傳動無論是整體結(jié)構(gòu)，還是維護(hù)都相對簡單，且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，但將其應(yīng)用到船舶運(yùn)行中，速度相對較慢。

第二，間接傳動。這種傳動方式的動力輸出屬于間接過程，它存在于船舶主機(jī)與推進(jìn)器之間，主要指存在兩者間的加速裝置。

第三，Z型傳動（如下圖2所示）。這種傳動方式不僅具有良好的操作性，還可以有效減少部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其是船尾設(shè)計(jì)相關(guān)簡單，可以最大程度的減少船舶在運(yùn)行中所受到的阻力，但這種傳動方式也存在一定不足，即傳遞功率相對較小，不適宜在大型船舶中應(yīng)用[2]。

第四，電力傳動。電力傳動是主機(jī)驅(qū)動著主發(fā)電機(jī)，并把發(fā)出電傳到主配電板，再由主配電板供電給主電動機(jī)，從而驅(qū)動螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)的一種傳動方式。主要用于破冰船、拖船、游船等。

除以上四種傳動方式外，還有調(diào)距槳裝置、吊艙式推進(jìn)器以及噴水推進(jìn)器傳動裝置等，這里就不再一一贅述。

注：1-主機(jī)；2-聯(lián)軸器；3-離合器；4-傳動軸；5滑動軸承；6-彈性聯(lián)軸節(jié)；7-滾動軸承；8-上水平軸；9-上部螺旋錐齒輪；10-渦輪蝸桿裝置；11-齒式聯(lián)軸器；12-垂直軸；13-螺旋槳；14-下部螺旋錐齒輪；15-下水平軸；16-旋轉(zhuǎn)套筒；17-支架。

2 船舶推進(jìn)裝置故障診斷技術(shù)

2.1基于信號處理的故障診斷技術(shù)

對于基于信號處理的故障診斷技術(shù)來說，主要是在信號模型基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的實(shí)現(xiàn)需要得到多種方法的支持。在信號處理故障診斷技術(shù)中，應(yīng)用最多的是頻譜分析技術(shù)，之所以采用這種故障診斷方法，與其具有良好的信號直觀性有一定關(guān)系，它可以快速準(zhǔn)確的分析出其中存在的故障。在信號處理故障分析中，也經(jīng)常應(yīng)用的分析方法還有時域分析，而頻域分析不僅可以做出精準(zhǔn)評價，還能找出故障所在位置[3]。在頻譜分析中應(yīng)用最多的分析方法就是快速傅里葉法，它具有良好的周期性與對稱性，可以有效減少再次計(jì)算的出現(xiàn)，同時，它可以將多個長序列劃分為若干短序列，這樣不僅可以有效減少序列長度，還能最大程度的減少計(jì)算過程。

在利用快速傅里葉法實(shí)現(xiàn)故障診斷的過程中，可以將長序列()根據(jù)奇偶的不同劃分為兩個序列，每個序列的長度為/2，這樣就獲得公式：()=(2)+(2+1)=1()+2()，其中(=0到(/2)-1)。

這樣就可以快速確定故障所在位置。同時，隨著快速傅里葉法的應(yīng)用，有效減少了數(shù)字信號處理中大量運(yùn)算量，更有效減少了中央處理器的資源占用情況發(fā)生。

2.2基于解析模型的故障診斷技術(shù)

基于解析模型的故障診斷技術(shù)可以分為三種診斷技術(shù)，分別為參數(shù)估計(jì)、狀態(tài)估計(jì)以及等價空間估計(jì)。通過研究發(fā)現(xiàn)，狀態(tài)估計(jì)和等價空間是等價關(guān)系，而與參數(shù)估計(jì)之間是相互補(bǔ)充的關(guān)系。對于基于解析模型來說，需要得到相關(guān)數(shù)學(xué)模型的支持，通常情況下，非線性系統(tǒng)無法順利完成數(shù)學(xué)模型構(gòu)建，這在一定程度上影響了狀態(tài)觀測器的設(shè)計(jì)[4]。總的來說，等價空間估計(jì)只能被應(yīng)用到線性系統(tǒng)中，而參數(shù)估計(jì)則比較適用于非線性系統(tǒng)。所以，在利用基于解析模型了解故障診斷基本情況的過程中應(yīng)注意與系統(tǒng)實(shí)際情況的聯(lián)系，只有這樣才能找出存在于船舶推進(jìn)裝置中的各種故障。

2.3基于知識的故障診斷技術(shù)

基于知識的故障診斷技術(shù)將專家診斷知識融入其中，具有良好應(yīng)用前景，能夠在非線性系統(tǒng)中發(fā)揮應(yīng)有作用。

基于知識常用診斷技術(shù)方法有以下幾種：

第一，故障樹推理法，它與故障樹分析十分相似，屬于相對傳統(tǒng)的診斷技術(shù)。如果船舶推進(jìn)裝置發(fā)生故障，就可以先確定故障類型，劃分好頂級故障，這樣就能快速確定故障所在位置，找出促使故障發(fā)生的因素[5]。

第二，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，它主要指人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將其應(yīng)用到故障診斷中可以快速找出存在于船舶推進(jìn)裝置中的各種故障，并為相關(guān)工作人員提供有效參考。

第三，專家系統(tǒng)法，利用專家系統(tǒng)法主要是利用在線專家系統(tǒng)完成診斷，在該技術(shù)的作用下不僅可以有效減少維護(hù)修理費(fèi)用，還能最大程度的強(qiáng)化船舶營運(yùn)效率。此外，智能故障診斷系統(tǒng)也是一種十分常見的用于船舶推進(jìn)裝置故障診斷的技術(shù)，利用它不僅可以縮減修理成本，還能減少突發(fā)事件的產(chǎn)生，因此應(yīng)重視智能故障診斷系統(tǒng)的研究與應(yīng)用。

3 船舶推進(jìn)裝置的維修解決方案

在確定存在于船舶推進(jìn)裝置中的故障以后，還要做好船舶維修工作，具體來講可以采用以下幾種方法實(shí)現(xiàn)維修：

3.1維修模型的利用

在船舶推進(jìn)裝置維修的過程中，應(yīng)選擇合適的維修模型，可以采用定期模型與定齡模型兩種模型，所有的船舶推進(jìn)裝置各個零件都需要在運(yùn)行一定時間以后進(jìn)行維修，這就需要應(yīng)用到定期維修模型，其目的是實(shí)現(xiàn)預(yù)防維修。定期模型如下圖3所示。

當(dāng)船舶推進(jìn)裝置在運(yùn)行時有個部件發(fā)生故障，就需要及時進(jìn)行故障處理，然后再重新計(jì)算裝置運(yùn)行時間，如果在既定時間內(nèi)沒有發(fā)生任何故障，就可以按照定齡模型進(jìn)行維修，這也是做好船舶推進(jìn)裝置故障分析與檢測的有效方式[6]。

3.2推進(jìn)裝置狀態(tài)評估

在推進(jìn)裝置狀態(tài)評估中，首先應(yīng)明確設(shè)備實(shí)際狀態(tài)，根據(jù)推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)際情況做好設(shè)備故障診斷，通常情況下，對于推進(jìn)裝置狀態(tài)的評估可以根據(jù)其健康狀態(tài)做好評價。其次，明確灰色聚類函數(shù)范圍，即函數(shù)值應(yīng)處于0-1之間，如果函數(shù)值為1，那么就意味著系統(tǒng)出現(xiàn)了白化的情況，如果函數(shù)值為0，那么就意味著系統(tǒng)出現(xiàn)了黑化的情況。同時在對推進(jìn)裝置進(jìn)行健康評估的過程中還要將專家打分法應(yīng)用其中，以便了解推進(jìn)裝置實(shí)際健康情況，并選擇合適的解決辦法[7]。再者，確定決策指標(biāo)，在評估船舶推進(jìn)裝置健康情況時，需要得到大量數(shù)據(jù)的支持，這樣就形成了狀態(tài)信息，如果某些狀態(tài)信息存在冗余，就要將這些信息去除，并加強(qiáng)與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的聯(lián)系，只有這樣才能確定維修決策指標(biāo)。最后，明確評估步驟，在這一過程中應(yīng)先確定好評估設(shè)備決策指標(biāo)，做好數(shù)據(jù)格式處理，并按照一定的計(jì)算方式完成決策評估。

4 結(jié)語

通過以上研究得知，如果船舶推進(jìn)裝置發(fā)生故障，船舶運(yùn)行會嚴(yán)重受到影響。本文分析了船舶推進(jìn)裝置主要構(gòu)成要素，同時分析了傳動方式，并從多方面研究了船舶推進(jìn)裝置故障診斷技術(shù)，然后提出了做好故障維修的方法，希望能為相關(guān)人員帶來有效參考，進(jìn)而給船舶故障診斷與維修工作有所幫助。

[1] 嚴(yán)新平, 李志雄, 張?jiān)吕? 袁成清, 彭中笑. 船舶柴油機(jī)摩擦磨損監(jiān)測與故障診斷關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 中國機(jī)械工程, 2013,10:1413-1419.

[2] 嚴(yán)新平,李志雄,劉正林,楊平,朱漢華,楊忠民. 大型船舶推進(jìn)系統(tǒng)與船體耦合動力學(xué)研究綜述[J]. 船舶力學(xué), 2013,04:439-449.

[3] 李中亮. 船舶推進(jìn)裝置的維修決策方案[J]. 中國水運(yùn)(下半月), 2016,(02):116-117.

[4] 羅黎. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2016,(12):97-99.

[5] 劉峻華,孟清正,楊濤,張聘亭. 船舶動力裝置可組態(tài)智能故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 中國艦船研究,2011,(02):77-80.

[6] 范佳勇. 關(guān)于船舶主機(jī)常見故障診斷的探討[J]. 通訊世界, 2015,(06):237-238.

[7] 陳郭, 張剛, 佘道明. 基于T-S模糊模型的船舶推進(jìn)系統(tǒng)故障診斷研究[J]. 船舶工程, 2015,(07):59-63.

Fault Diagnosis Technology for Ship's Propulsion Device

Zhang Wei, Cheng Chao

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

U664.3

A

1003-4862（2017）05-0040-03

2016-10-15

張偉（1986-），男，本科，工程師。研究方向：船舶電氣工程。