基于MCSA的船舶齒輪泵齒輪損傷故障診斷方法

李霽舟

(武漢理工大學(xué)， 湖北 武漢 430063)

齒輪泵常作為船舶輸油泵使用。齒輪泵運(yùn)行過(guò)程中，油液污染或空化等容易造成齒輪的損傷，其在齒輪損傷狀態(tài)下運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致齒輪振動(dòng)加劇，同時(shí)影響供油穩(wěn)定。因此監(jiān)測(cè)齒輪泵的齒輪損傷狀態(tài)，保障齒輪泵安全可靠地運(yùn)行對(duì)輸油系統(tǒng)具有重要意義。如今，普遍使用的齒輪泵故障診斷方法是將傳感器安裝在系統(tǒng)之中，對(duì)傳感器獲得的振動(dòng)信號(hào)、加速度信號(hào)等進(jìn)行分析。姜萬(wàn)錄[1]將小波變換理論應(yīng)用到齒輪泵故障的振動(dòng)信號(hào)處理中，獲得較好的診斷效果。高英杰等人[2]提出了一種基于小波包分解和小波系數(shù)殘差分析的齒輪泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)分析液壓泵出口處的壓力等相關(guān)信號(hào)，成功實(shí)現(xiàn)了液壓泵的故障診斷。然而在船舶機(jī)艙環(huán)境中，以上方法適用性不高，且由于管路復(fù)雜不方便安裝傳感器、干擾信號(hào)過(guò)多等，使得診斷的可靠性欠佳。

電機(jī)定子電流分析法(MCSA)，原理為電路中磁通量受到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)因素變化的影響，而磁通量的改變會(huì)導(dǎo)致電機(jī)定子電流產(chǎn)生變化，轉(zhuǎn)子運(yùn)行特征就可以在定子電流中得到響應(yīng)[3]。所以電機(jī)定子電流信號(hào)可以真實(shí)可靠地反映出齒輪泵運(yùn)行工況。依據(jù)此原理，本文提出一種依靠監(jiān)測(cè)定子電流信號(hào)診斷齒輪泵齒輪損傷故障的方法，對(duì)比傳統(tǒng)安裝傳感器的監(jiān)測(cè)方法，此方法不用拆卸或在系統(tǒng)內(nèi)部加裝各種部件，降低成本的同時(shí)保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，信息傳遞簡(jiǎn)單直接，降低了其他因素的干擾。本文通過(guò)建立齒輪泵-電機(jī)機(jī)組仿真模型驗(yàn)證該診斷方法，結(jié)果表明，本方法可通過(guò)分析故障信號(hào)的特征頻段，診斷齒輪泵齒輪缺損故障。

1 MCSA齒輪泵故障診斷流程

本文通過(guò)MCSA對(duì)船舶輸油泵的齒輪故障狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)電流傳感器獲得齒輪泵在運(yùn)行狀態(tài)下的電流信號(hào)；使用奇異值分解法(SVD)對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行處理，去除工頻干擾，突出齒輪損傷狀態(tài)下的信號(hào)特征，并與正常工況下的電流信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，尋找到對(duì)應(yīng)故障的特征頻段并總結(jié)故障判據(jù)。在齒輪泵實(shí)際運(yùn)行中，獲得其實(shí)際的電流信號(hào)，進(jìn)行處理后與故障判據(jù)進(jìn)行比對(duì)，判斷故障是否發(fā)生，達(dá)到對(duì)齒輪缺損這種典型故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)的目的。MCSA診斷流程圖如圖1所示。

圖1 MCSA診斷流程圖

2 MCSA齒輪泵故障診斷原理

在電機(jī)-泵機(jī)組中，受齒輪泵運(yùn)行狀態(tài)的影響，電機(jī)會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，造成電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率s、功角δ的大小出現(xiàn)相應(yīng)規(guī)律的振蕩，影響異步電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)關(guān)系，使得輸出電參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)[4]。當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速發(fā)生波動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)差率及功角的變化如下：

s=1-ωr0=s0+smcos(λt+α)，

(1)

=δ0+Δδ，

(2)

式中，ωr0為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)振蕩負(fù)載下的角速度，λ為振蕩頻率，t為時(shí)間，ω為旋轉(zhuǎn)角速度，α為振蕩初始相位，s0為標(biāo)定轉(zhuǎn)差率，sm為轉(zhuǎn)差率的振蕩幅值大小，δ0為功角基值，Δδ為功角的波動(dòng)量。

當(dāng)功角發(fā)生正弦振蕩時(shí)，會(huì)導(dǎo)致定子電參量直軸電流id、交軸電流iq產(chǎn)生振蕩分量Δid和Δiq，其振蕩頻率與轉(zhuǎn)速的振蕩頻率一致，振蕩規(guī)律也為正弦或余弦振蕩。

電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中d軸轉(zhuǎn)子與定子A相軸線(xiàn)夾角設(shè)為θ，其中θ≈t+θ0，θ0為d軸轉(zhuǎn)子與定子A相軸線(xiàn)初始夾角。定子A相電流波動(dòng)量ΔiA為：

ΔiA=Δidcosθ-Δiqsinθ。

(3)

齒輪泵轉(zhuǎn)動(dòng)引起小波動(dòng)時(shí)，由于穩(wěn)定轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)量，可忽略轉(zhuǎn)速波動(dòng)造成的夾角頻率小波動(dòng)。定子電流波動(dòng)量為：

(4)

式中，K1、K2為根據(jù)電機(jī)負(fù)載參數(shù)計(jì)算出的常數(shù)。

(5)

(6)

式中，Xm為互感電抗，Um為電壓幅值。

從公式(4)可看出：當(dāng)齒輪泵的轉(zhuǎn)速發(fā)生小振蕩時(shí)，可造成定子的輸出電流為穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流基值上增加一定的振蕩分量，其振蕩規(guī)律與轉(zhuǎn)速振蕩頻率有關(guān)，表現(xiàn)為若干頻率正弦或余弦信號(hào)的疊加，因此通過(guò)診斷定子電流信號(hào)可以對(duì)齒輪泵的故障進(jìn)行診斷。

3 數(shù)值仿真模型的建立

3.1 齒輪泵數(shù)值模型搭建

齒輪泵相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。本文以船用的某外嚙合齒輪泵為例，依據(jù)表1，通過(guò)solidworks搭建齒輪泵幾何模型。

表1 齒輪泵相關(guān)參數(shù)

根據(jù)齒輪泵的工作原理，提取內(nèi)流道，將其劃分為吸油區(qū)、排油區(qū)、轉(zhuǎn)子區(qū)3部分，利用Simerics-MP軟件導(dǎo)入建立的STL格式的內(nèi)流道幾何模型，通過(guò)PumpLinx軟件對(duì)齒輪泵流體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分[5]。

模型各項(xiàng)仿真參數(shù)如表2所示。設(shè)置邊界條件為：壓力入口，壓力出口。求解參數(shù)設(shè)置為瞬態(tài)求解，湍流模型采用RNGk-ε模型，假定仿真過(guò)程中油溫保持在20 ℃。

表2 模型各項(xiàng)仿真參數(shù)

在正常的齒輪泵齒輪上設(shè)置損傷缺口，重復(fù)上述操作，分別對(duì)正常狀態(tài)下、齒輪缺損狀態(tài)下的齒輪泵進(jìn)行仿真，得到齒輪泵在這2種工況下的水力負(fù)載轉(zhuǎn)矩，作為電機(jī)的拖動(dòng)負(fù)載。

3.2 電機(jī)simulink數(shù)值仿真模型搭建

本文以某型號(hào)電機(jī)為研究對(duì)象，基于交軸-直軸坐標(biāo)系下的電機(jī)標(biāo)幺值方程搭建，電機(jī)參數(shù)如表3所示。

表3 電機(jī)參數(shù)

本模型主要包括三大模塊，即電機(jī)主體模型、齒輪泵負(fù)載模塊與轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊。主體模塊包括電壓交軸-直軸轉(zhuǎn)換模塊，電感電阻計(jì)算模塊，磁鏈計(jì)算模塊，電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊。本模型實(shí)現(xiàn)的功能是模擬電機(jī)內(nèi)部的電流變化及電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算。齒輪泵負(fù)載模塊是實(shí)現(xiàn)將齒輪泵的水力負(fù)載轉(zhuǎn)矩信號(hào)作為電機(jī)的機(jī)械負(fù)載輸入電機(jī)，電機(jī)-泵聯(lián)合模型如圖2所示。

圖2 電機(jī)-泵聯(lián)合模型

仿真模型搭建好后，分別將正常狀態(tài)與齒輪缺損狀態(tài)下的齒輪泵水力負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸入電機(jī)模型并進(jìn)行仿真，設(shè)置仿真步長(zhǎng)為0.001 s，設(shè)置仿真時(shí)間為5 s，由于仿真前1 s電流信號(hào)不穩(wěn)定，取2～5 s的電流信號(hào)進(jìn)行分析。

4 數(shù)值仿真信號(hào)分析

4.1 電流信號(hào)故障分析

基于MCSA定子電流法提取的電流信號(hào)中包含了較多的干擾因素，其中反映齒輪泵運(yùn)行狀態(tài)的特征信息以對(duì)電網(wǎng)頻率調(diào)制的方式蘊(yùn)含在電流信號(hào)中，且電網(wǎng)工頻分量在整個(gè)電流信號(hào)中占據(jù)主導(dǎo)地位[5]。通過(guò)對(duì)電機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到未經(jīng)SVD處理的電機(jī)電流信號(hào)頻譜圖如圖3所示。

圖3 未經(jīng)SVD處理的電機(jī)電流信號(hào)頻譜圖

由圖3可知，50 Hz工頻信號(hào)將診斷所需的特征信號(hào)覆蓋淹沒(méi)，因此剔除電網(wǎng)工頻分量、提高反映齒輪泵運(yùn)行狀態(tài)的電流分量占比是尋找電流故障信號(hào)特征的有效手段。

4.2 基于SVD的電流信號(hào)處理

現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)中，SVD對(duì)于提取處理弱信號(hào)特征有較好的效果，相比于傳統(tǒng)的快速傅里葉變換的信號(hào)處理手段，通過(guò)矩陣變換的形式，對(duì)觀(guān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理更加迅速，且穩(wěn)定性更高[6]。由于電機(jī)在啟動(dòng)后第1秒內(nèi)電流信號(hào)并不穩(wěn)定，則取第2秒后電流信號(hào)作為測(cè)量信號(hào)。

通過(guò)C-C法與Cao方法，計(jì)算得出延時(shí)時(shí)間為23，嵌入維數(shù)為20，對(duì)觀(guān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行相空間重構(gòu)，得到觀(guān)測(cè)信號(hào)矩陣。通過(guò)SVD對(duì)電機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行處理，去除電網(wǎng)工頻后進(jìn)行傅里葉變換，得到經(jīng)SVD處理剔除工頻后的電機(jī)電流頻譜圖如圖4所示。

圖4 經(jīng)SVD處理剔除工頻后的電機(jī)電流頻譜圖

由圖4可知，經(jīng)SVD處理后，50 Hz電網(wǎng)工頻信號(hào)被完全剔除，使得其他微弱的信號(hào)頻率分量得以顯現(xiàn)。從處理結(jié)果來(lái)看，使用SVD分解方法可有效消除電網(wǎng)工頻干擾。

4.3 齒輪缺損狀態(tài)下的電流信號(hào)分析

將SVD處理后的正常狀態(tài)下與齒輪缺損狀態(tài)下的電流信號(hào)頻譜圖進(jìn)行對(duì)比，得到圖5。齒輪泵在齒輪缺損狀態(tài)下，在fz+fi、fz-fi、fi+1/2fr、fi-1/2fr這4個(gè)頻段的幅值與正常運(yùn)行狀態(tài)下相比，會(huì)有明顯的減小，相比正常運(yùn)行狀態(tài)下的幅值會(huì)減弱40%左右。其中齒輪泵的轉(zhuǎn)速頻率為fr=24 Hz；齒輪嚙合頻率是轉(zhuǎn)頻的Z倍(Z為齒輪數(shù))，即為fz=336 Hz；電網(wǎng)工頻fi=50 Hz。此外，在150 Hz～200 Hz的頻域內(nèi)，出現(xiàn)了2個(gè)幅值突然增大的頻段，在齒輪泵正常工作狀態(tài)下這2個(gè)頻段的信號(hào)十分微弱，而在齒輪缺損狀態(tài)下其幅值會(huì)有4～5倍的增幅，這2個(gè)頻段為143 Hz、194 Hz，即1/2(fz-fi)、 1/2(fz+fi)，為齒輪泵嚙合頻率與電網(wǎng)工頻調(diào)制的頻段，本特征也可作為齒輪泵齒輪缺損的診斷特征。

圖5 齒輪正常和缺損狀態(tài)下電流信號(hào)頻譜對(duì)比圖

5 結(jié)束語(yǔ)

1)通過(guò)MCSA可以實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶輸油泵的齒輪缺損這一故障狀態(tài)的診斷。

2)經(jīng)SVD處理后，定子電流信號(hào)的50 Hz電網(wǎng)工頻信號(hào)被完全剔除，使得原本被淹沒(méi)的較微弱表征故障的特征頻率信號(hào)得以顯現(xiàn)。

3)齒輪泵在齒輪缺損狀態(tài)下在不同頻段的幅值與正常運(yùn)行狀態(tài)下相比，會(huì)有一定的減弱或明顯增強(qiáng)，可作為齒輪泵齒輪缺損的診斷依據(jù)。