淺談共振解調技術在船舶機械故障診斷中的應用

劉玉忠 趙艦

摘 要：隨著科學技術的快速發展，近年來我國船舶機械故障診斷領域實現了較為長足的進步，共振解調技術在該領域的廣泛應用便屬于這一進步的直觀體現，基于此，本文簡單介紹了共振解調技術的船舶機械故障診斷原理，并對該技術的具體應用進行了詳細論述，希望由此能夠為相關業內人士帶來一定啟發。

關鍵詞：共振調解技術；船舶；機械故障診斷

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.048

0 前言

船舶齒輪箱、增壓器、電機均較為容易在運行中出現機械故障，使用故障特征頻率譜線分析振動信號屬于較為常見的機械故障診斷方法，但在筆者的實踐應用中發現，這類傳統機械故障診斷方法存在一定不確定性，而為了盡可能消除這種不確定性，正是本文圍繞共振解調技術在船舶機械故障診斷中應用開展具體研究的原因所在。

1 共振解調技術的船舶機械故障診斷原理

共振調解技術是一種用于提取淹沒在強烈背景噪聲中沖擊脈沖信號的技術，而為了深入了解共振解調技術的船舶機械故障診斷原理，本文將圍繞以下兩方面進行分析。

（1）SPM法與共振解調。SPM法屬于一種基于時域診斷的沖擊脈沖方法，而共振解調則屬于基于頻域診斷的沖擊脈沖方法[1]。在船舶機械設備正常工作時，機械設備的振動信號處于平穩狀態，但隨著機械設備出現零件故障，時域內的振動信號將出現周期性沖擊特性，由此可得出用于獲取振動信號的加速度傳感器單位脈沖響應函數：

函數中的t、w、m、分別為時間、傳感器的安裝諧振頻率、振子質量、阻尼因子，繼續計算可得出：

公式（2）指的是加速度傳感器因故障信號通過而受到的沖擊激勵，公式（2）中的、T、n為狄拉克函數、脈沖沖激序列周期、狄拉克函數移位周期數，繼續計算可得出船舶故障設備信號模型：

式（3）中的為噪聲（其他振動信號）。綜合分析不難發現，SPM法具備簡便易用等特征，但在存在其他沖擊原或背景噪聲較強時，SPM法往往難以確定船舶機械設備的故障元件，且最多只能夠確定機械設備的損傷嚴重程度和總體狀態。但在共振調解中，其能夠通過對故障信號進行的快速傅里葉變換實現頻域信號轉換，由此對照設備運行的特征頻率，即可保證共振調解想交易SPW法更為快速、準確確定故障源[2]，這使得共振調解技術更為適用于船舶機械設備故障的精密診斷。同樣以上文提及的故障為例，可通過快速傅里葉變換得出頻譜：

公式（4）中的t、f、z（t）、Z（f）分別指時間、頻率、時域內信號、頻域內信號，由此進一步開展連續信號抽樣、截斷處理成離散信號，即可實現高質量船舶機械設備故障診斷。

（2）硬件共振解調與軟件共振調解。其中，硬件共振調解的流程可以描述為：“元件→高頻響應損傷→加速度傳感器→電荷放大器→運算放大器→諧振器→高Q帶通濾波器→包絡檢波→抗混頻濾波器→A/D轉換→單片機→計算機→故障診斷”，而軟件共振調解的的流程則可以描述為：“元件→高頻響應損傷→加速度傳感器→調理電路→A/D轉換器→計算機→帶通濾波→包絡檢波→低通濾波→FFT變換→故障診斷”。其中，硬件共振解調與軟件共振調解均可在沖擊信號較大時有效提取故障特征，后者在早期故障沖擊信號較弱時表現優秀，但重量、體積較大屬于其存在的不足。

2 共振解調技術在船舶機械故障診斷中的應用

（1）應用策略。為保證共振解調技術較好服務于船舶機械故障診斷，本文提出了如下共振解調技術應用策略：1）合理選擇故障監測方式。隨著船舶機械設備的監測系統不斷升級，智能系統已經在我國船舶領域實現了較為廣泛的應用，但對于船舶中的普通電機、風機、冷水機組泵艙、輔機艙、主機艙等非關鍵設備與區域，第三代診斷系統同樣可滿足故障監測需要，這點必須得到相關人士關注。2）關注特征征兆判定。共振解調技術的應用離不開頻譜分析的支持，但受設備等因素影響，頻譜往往表現出不同的特性，這就對共振解調技術應用人員的專業能力提出了一定挑戰，因此相關人員必須利用好標準征兆庫功能，由此實現頻譜自動對比即可更好完成船舶機械故障診斷。3）確定特征征兆標準。沖擊脈沖頻譜標準的確定需采集長時間數據后確定，數據走向直接影響該標準，因此具體的共振解調技術應用必須結合現場實際數據確定標準開展，但在必要時也可依據船員的經驗確定標準。

（2）應用實踐。為提升研究的實踐價值，本文選擇了某船渦輪增壓系統作為研究對象，該系統采用了可靠性高、易于安裝且自稱系統的監測裝置用于監測軸承，而在對渦輪增壓系統軸承開展的振動監測中，可發現該渦輪增壓系統軸承存在碳化物粘附、結垢造成不平衡問題。深入分析可以發現，渦輪增壓系統軸承由滾動體、保持架、內環、外環組成，通過系統開展共振解調技術診斷科確定外環不存在損傷。而通過系統分析渦輪增壓系統軸承的征兆值、速度、加速度，其中速度和加速度關系的明晰可為故障所處階段的判斷提供有力支持。值得注意的是，渦輪增壓系統軸承的長期運行和老化加劇將直接在速度和加速度層面得到反映，其中加速度大說明軸承屬于故障中期，而加速度變小則說明進入故障晚期，軸承使用中的速度加速度一般會出現先向上后向下趨勢。

最終，筆者確定了該渦輪增壓系統軸承本身間隙導致了實際測量值的高低波動，繼續分析可發現軸承外環存在嚴重磨損，且有明顯的剝落凹坑、麻點，這種情況的出現可能源于潤滑不良，共振解調技術的應用價值由此得到證明。

3 結論

綜上所述，共振解調技術能夠較好服務于船舶機械故障診斷。而在此基礎上，本文涉及的合理選擇故障監測方式、關注特征征兆判定、確定特征征兆標準、應用實踐等內容，則證明了研究具備的較高實踐價值。因此，在共振解調技術、船舶機械故障診斷相關的理論研究和實踐探索中，本文內容可發揮一定參考作用。

參考文獻：

[1]陳銀平.船舶柴油機故障診斷中共振解調技術的應用[J].電子技術與軟件工程，2016（19）：105.

[2]鄧四二，王勇，王恒迪.基于IHT的共振解調技術的滾動軸承故障診斷方法[J].航空動力學報，2012，27（01）：69-74.