舰船柴油机组状态监测及减振效能在线评估系统

王　强，刘金鑫，张兴武，乔百杰，陈雪峰

舰船柴油机组状态监测及减振效能在线评估系统

王强1，刘金鑫2，张兴武2，乔百杰2，陈雪峰2

（1.中国船舶工业系统工程研究院，北京 100036；2.西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室，西安 710054）

主动隔振技术是一种具有治理舰船低频噪声潜力的新技术。针对舰船柴油机组主动隔振试验系统试验时间长、现场混乱、噪声大以及局部有限控制点信息无法进行全局减振效能评估的缺点，特研发一套柴油机组状态监测及减振效能在线评估系统。该系统具有状态在线监测、减振效能在线评估、数据采集和记录以及试验现场视频监控等功能，现场试验显示该系统可以节省时间，提高试验工作效率和工作舒适度，达到预期设计的目的和效果。

振动与波；舰船柴油机组；状态监测；减振效能评估

柴油机由于其热效率高，易启动，适应性强，问世以来很快被作为舰船推进动力源或作为辅机用来带动发电机、空气压缩机或水泵等。由于船用工作设备和柴油机输出转速通常不匹配，故一般配备大型的齿轮减速器，构成柴油机组。柴油机及其齿轮减速器是舰船的主要机械噪声源。它不仅影响舰船舒适性，影响海洋生态环境，而且极大地影响了舰船的隐蔽性，所以人们一直努力治理机械噪声［1-3］。

舰船的柴油机组的噪声特性呈宽带频谱加线谱，其中线谱主要集中在低频段。特别是《中国制造2025》重点领域技术创新绿皮书中提到的我国需大力发展船用大型低速柴油机，转速低于300 r/min，线谱将集中在更低频的位置。目前为了降低机械噪声对舰船的影响，柴油机组都安装于隔振设备（单层，双层，浮筏等）上。这些隔振设备相当于低通滤波器可以在很大程度上消除结构的高频噪声，然而对低频振动却无能为力［4-5］。低频噪声波长长，衰减慢，传播距离远，一方面对人体容易造成慢性损伤，另一方面由于现有的声纳探测的LOFAR（低频分析和测距）技术正是依据低频线谱特征进行目标识别，这对舰船隐蔽性造成了巨大威胁［6］。

主动控制是一种具有治理低频噪声潜力的方法。它结合控制理论和振动理论，通过主动耗能的方式进行噪声的抵消控制。为了研究舰船动力机械组的低频隔振和低频线谱特征消除方法，建立了一套主动隔振试验平台，该平台由动力源，减速器，负载以及主动隔振平台组成。在该柴油机组主动隔振平台上进行长时间的主动控制试验，发现有如下缺点：

1）主动振动控制通常采用有限个作动器进行局部有限点的控制，而全局的控制效果无法从控制目标信息反映。

2）柴油机减振试验现场噪声巨大，试验时间长，在现场进行试验和机器状态监控会严重影响试验人员的身体健康。

针对上述缺点和问题，本文研发一套柴油机状态在线监测及减振效能在线评估的系统。它不仅可以通过视频和振动特征信息实时监测试验过程，而且可以进行主动隔振控制性能的评估。为柴油机组主动隔振试验平台增添了新的子系统功能，并大幅度节省时间，提高试验工作效率和工作舒适性。

1　系统构架

该系统旨在提供一种柴油机减振试验系统的在线监测与效能评估功能。系统架构为三层：传感器层、信号调理层和软件层。其中软件层分为两部分，振动信号监测与处理和视像信号监测与处理。振动信号监测处理部分包括信号采集存储，在线监测和在线评估三大子模块，视像信号软件具有图形显示，轨迹控制和图像记录等功能，状态在线监测和减振效能在线评估为核心部分，见图1。

图1　系统架构

2　状态在线监测

2.1状态监控量

状态监测主要是通过信号的时域统计指标反映机器的运行状况。通常这些指标不但与机器的状态有关，且与机器的运动参数如转速、载荷等有关。有量纲参数指标包含均值、均方值、方差、方根幅值、平均幅值、峰值等；而无量纲参数指标具有对信号幅值和频率变化均不敏感的特点，是一种较好的机器状态监测诊断参数。无量纲参数指标包含峰值指标、峭度指标、脉冲指标、裕度指标，偏斜度指标等。系统可以对这些指标进行实时在线计算，监测，报警和保存等。根据时域统计指标的定义及功能，重新组织分类，具体如下［7］：

1）均值

反映信号的稳定（直流）分量，是机械振动的平衡点，是信号的1阶矩。

2）均方值/均方根值

均方值描述振动信号的能量，是信号的2阶原点计矩；均方根值为均值开方，也称有效值，速度有效值称为振动烈度。

3）方差/标准差

方差衡量信号的离散度，表示信号的动态部分，为信号的2阶中心距；方差开方为标准差。

4）平均幅值/波形指标（Shape factor）

平均幅值反映信号幅值的平均值；波形指标定义为均方根值与平均幅值之比。它反映信号的波形特征。

5）峰值/峰值指标（Crest factor）/脉冲指标（Impulse factor）

观察时间段中信号的最大值即为峰值，工程上一般用若干个最大值的算术平均作为峰值。峰值指标定义为峰值与均方根值的比值，反映信号中是否存在冲击的统计指标。脉冲指标定义为峰值与平均幅值的比值，同样反映信号中是否存在冲击的统计指标。

6）方根幅值/裕度指标（Clearance factor）

方根幅值定义为信号先开方求和再平方，裕度指标定义为峰值与方根幅值之比，裕度指标对冲击类的信号敏感。

7）偏斜度/偏斜度指标（Skewness factor）

偏斜度是信号的距3阶中心矩，偏斜度指标为偏斜度和信号标准差的三次方的比值，反映振动信号的非对称性。

8）峭度/峭度指标（Kurtosis factor）

峭度是信号的四阶中心矩，峭度指标为峭度和信号标准差的四次方的比值，反映信号中的冲击特征。正常为3左右，超过4则说明有冲击振动。

2.2状态监控软件模块

状态监测模块为系统核心模块，有如下子功能：

1）显示功能

通过对象的三维视图监测对象的测点分布图、不同测点信号的时域或频域显示、采集状态显示、已采集时间显示、信息统计量变化趋势等。

2）控制功能

通过移动鼠标显示对应信号、选择显示的方向、选择显示的方式、选择是否使用浮动窗口等。

3）分析功能

在线分析所有通道的峰值、均值、绝对平均值、方根幅值、偏斜度等10余种统计量信息，实时显示在面板窗口中，可以生成Word报表；可以设置超限报警等。

4）记录功能

记录振动原始信号、转速信号、统计量分析数据。

3　减振效能在线评估

3.1减振方法

柴油机主动隔振试验平台的监测与评估系统，不涉及主动减振控制模块（另有配套主动隔振控制系统）。在描述减振评估之前，简单描述该系统的主动隔振方法，即采用滤波LMS隔振算法，它的大致思路为［8］

其中x（n）为参考信号（前馈传感器采集到的振源附近振动），y（n）为控制器输出，W为控制器系数向量，L为控制器长度。d（n）为振源振动在观测点的响应，e（n）为观测点的实际响应，它为振源振动和作动器振动在观测点的叠加（试验中通过误差传感器测得），s（n）为作动器到观测点传递通道的脉冲响应函数（次级通道），*代表卷积，为次级通道辨识模型的脉冲响应函数，为滤波的参考信号。控制器权重通过最小均方（LMS）方法进行调整，在理想的次级通道辨识情况下，误差信号收敛于0。

3.2评估方法

减振效能评估采用加速度插入损失、振动烈度和振级落差等指标［9］。

1）加速度插入损失（Insert loss）

为主动采取隔振措施前后基础加速度响应的有效值之比的常用对数的20倍。

其中ψb和ψa分别代表减振前后的加速度有效值。

2）振动烈度

为物体振动速度的均方根值，对于三向测，定义他们的均值为振动烈度。

其中i=1，2，3分别代表xyz方向的振动。由于本系统采用加速度传感器获得信号，需要将加速度信号转化为速度信号，采用频域法进行转换

3）振级落差

定义为被隔振设备振动响应的有效值与对应基础响应的有效值之比常用对数的20倍。

其中ψeq代表机器的振动，ψba代表基础的振动。

3.3减振效能评估软件模块

减振效能评估模块为本系统核心模块，它有如下子功能

1）显示功能：通过对象的三维视图监测对象的测点分布图、不同测点信号的时域或频域显示、采集状态显示、已采集时间显示、评估结果在线实时显示等。

2）控制功能：通过移动鼠标显示对应信号、选择显示的方向、选择显示的方式、选择是否使用浮动窗口等。

3）分析功能：可以在线分析加速度插入损失、振动烈度和振级落差；可以生成Word报表。

4）记录功能：可以记录振动原始信号、转速信号、评估结果数据。

4　船用柴油机试验平台及试验

船用柴油机主动隔振系统如图2和图3所示。

图2　柴油机主动隔振平台及系统安装（原理图）

图3　柴油机主动隔振平台及系统安装（实景图）

它包括动力源、减速器、负载、被动隔振器和主动隔振器（包含惯性作动器）等。共布置10个位置的加速度传感器：柴油机及减速器机壳各布置三向加速度传感器1个（共2个），主动隔振器上部各布置三向加速度传感器1个（共4个），主动隔振器下部基座各布置三向加速度传感器1个（共4个）。布置两个转速测量传感器：高速轴和低速轴布置电涡流传感器各1个（共2个）。系统布置4个视频监控摄像机（布置在实验室四周墙壁）。本系统和主动隔振系统独立布置，控制柜布置在远离试验场地的隔间。图4描述了船用柴油机组状态监测与减振效能评估的现场试验图。试验工况：电机转速1 000 r/min，齿轮箱输出端转速250 r/min，测功机负载扭矩40 NM。该系统可以准确地对系统的转速、振动信号进行采集、计算、监测、评估和记录。监测过程是在线的，信号各统计量信息随着时间变化，并实时地画在屏幕上。减振效果评估也是在线的，评估指标量随着时间在屏幕上画出。在开启主动隔振系统前后，振动烈度和加速度插入损失有下降趋势。振级落差有上升的趋势。视频监控系统从多个角度进行试验现场的环境和机器运行状况的监控，并可以人为设置监控巡航路线和简单的状态判断，真实反映现场状况。

图4　系统监测与评估现场

5　结语

本系统是一个操作简单、功能齐全的面向对象的可视化状态监测及减振效能评估系统，硬件设计采用分布式结构，简化系统安装难度，避免信号之间的相互影响。根据编程语言特点，采用数据流驱动模块化编程方式，程序调试简单，运行效率高。根据不同信号特点，可以选取监控、评估和保存不同的时域统计量，现场试验显示该系统可以节省时间，提高试验工作效率和工作舒适度。此外系统还具有较好的安全性，可扩展性和可维护性，达到了预期设计的目的和效果。

［1］杨铁军，李新辉，朱明刚，等.船用柴油发电机组主动减振试验研究［J］.振动工程学报，2013（2）：160-168.

［2］张文春，段树林，张宇.船用柴油机在台架试验中振动分析与减振优化［J］.噪声与振动控制，2015，35（1）：18-22.

［3］张懿时，童宗鹏，周炎，等.船舶齿轮箱硬弹性隔振技术研究［J］.噪声与振动控制，2013，33（3）：153-155.

［4］汤智胤，姜荣俊，何琳.潜艇声隐身态势评估方法研究［J］.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2007（1）：113-117.

［5］朱石坚.总师谈潜艇降噪的手段与意义［J］.现代舰船，2012（10）：10-11.

［6］王鲁军，凌青，袁延艺.美国声呐装备及技术［M］.北京：国防工业出版社，2011.

［7］何正嘉，訾艳阳，张西宁.现代信号处理及工程应用［M］.西安：西安交通大学出版社，2007.

［8］杨铁军，靳国永，刘志刚.船舶动力装置振动的主动控制［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2011：138.

［9］朱石坚，楼京俊，何其伟，等.振动理论与隔振技术［M］.北京：国防工业出版社，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编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.022

1006-1355（2016）03-0106-04

2015-12-29

国家自然科学基金资助项目（51405370）

王强（1961-），男，山东省烟台市人，高级工程师，主要研究方向为仿真控制及监测评估。E-mail：qiangwangww@163.com