程 晶，那 建，楊會金

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，艦船設(shè)備的現(xiàn)代化程度和復(fù)雜程度也不斷提高，增強關(guān)鍵設(shè)備的有效性和維修性至關(guān)重要。然而隨著設(shè)備使用時間的延長，機械磨損、腐蝕、老化等原因會造成設(shè)備振動出現(xiàn)異常。設(shè)備的故障后果、停機損失、維修費用日益被人們重視和關(guān)注，迫切需要隨時掌握設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)，以保證其發(fā)揮應(yīng)有的功能和效能。因此有必要實時、動態(tài)地監(jiān)測艦船設(shè)備振動，制定異常監(jiān)測閾值，及時掌握艦船設(shè)備及其動力機械設(shè)備的振動狀況，及時發(fā)現(xiàn)異常并報警，采取必要的維護措施確保設(shè)備運轉(zhuǎn)正常。

本文簡要介紹了出現(xiàn)異常振動信號的特點，根據(jù)其特點制定了2種異常閾值設(shè)定方法并給出實際算例。

1 異常信號特點

設(shè)備振動異常指的是來自監(jiān)測傳感器信號頻譜長期持續(xù)變化的，而不是由一些活動如開閉閥門或打舵停車等造成的瞬時現(xiàn)象或是由于設(shè)備改進導(dǎo)致線譜的消失。簡單來說，一般將設(shè)備異常分成4類。

1)頻率改變

如果原有線譜頻率的變化超過某一閾值，那么就是出現(xiàn)了故障噪聲。閾值必須足夠大，使不穩(wěn)定的線譜也在閾值內(nèi)。

2)新線譜

如果出現(xiàn)了新線譜，那么這就是故障噪聲。已知線譜的消失并不被認為是出現(xiàn)了故障。

3)窄帶功率增加

如果原有線譜功率或振幅的增加量大于某一容許的閾值，那么該噪聲就是故障噪聲，但功率減少的并非故障噪聲。

4)寬帶功率增加

如果整個頻帶內(nèi)的總功率增加量大于某一容許的閾值，那么就是出現(xiàn)了故障噪聲。寬帶功率的增加必須考慮，因為由于流體噪聲或螺旋槳空泡噪聲過大，而大大提高的噪聲基準，就是故障噪聲。寬帶功率減少并非出現(xiàn)故障噪聲。

根據(jù)故障噪聲的特點發(fā)現(xiàn)，無論是出現(xiàn)頻率改變還是窄帶、寬帶功率增加故障，總得來說都是表現(xiàn)在能量增加上面 (帶寬大小不同而已)。

2 閾值設(shè)定方法

閾值的設(shè)定方法是基于振動分析設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中最重要的基礎(chǔ)工作.異常閥值定得偏高，機器已經(jīng)出了毛病還以為一切正常;閥值定得偏低，設(shè)備稍有異常就會報警停機，使人虛驚一場，有時甚至?xí)斐烧`修而勞民傷財。只有正確確定設(shè)備振動監(jiān)測異常閥值，才能對設(shè)備狀態(tài)作出客觀的正確的評價，才能使對設(shè)備的維修在經(jīng)濟上合算。事實上，整個設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷都是圍繞標準、對照判據(jù)來進行的。

2.1 置信區(qū)間閾值法

艦船設(shè)備振動總能量正常狀態(tài)下在一定范圍內(nèi)波動，其分布具有一定的規(guī)律，對其設(shè)定異常監(jiān)測閾值，采用置信區(qū)間的概念是一個不錯的選擇。通過估計能量的分布范圍，并得出這個范圍包含真值的可信程度，即所謂的置信區(qū)間。

置信區(qū)間:設(shè)總體X的分布函數(shù)為F(x;θ)，含有一個未知參數(shù)θ，對于給定值α(0＜α＜1)，若由樣本X1，X2，…，Xn確定的統(tǒng)計量θ－=θ－(X1，X2，…，Xn)和 θ－=θ+(X1，X2，…，Xn)滿足 P{θ－＜θ＜θ+}=1－α，則稱區(qū)間(θ－，θ+)是θ的置信度為1－α的置信區(qū)間，θ－和θ+分別稱為置信度為1－α的雙側(cè)置信區(qū)間的置信下限和置信上限;若統(tǒng)計量θ+=θ+(X1，X2，…，Xn)滿足 P{θ＜θ+}=1－α，則稱隨機區(qū)間(－∞，θ+)是θ的置信度為1－α的單側(cè)置信區(qū)間，θ+稱為置信度為1－α的單側(cè)置信上限;又若統(tǒng)計量θ－=θ－(X1，X2，…，Xn)滿足P{θ＞θ－}=1－α，則稱隨機區(qū)間(θ－，+∞)是 θ的置信度為1－α的單側(cè)置信區(qū)間，θ－稱為置信度為1－α的單側(cè)置信下限，1－α稱為置信度?？梢钥闯?置信區(qū)間是在對多次正常狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)計分析所建立的一個范圍。

對于實際問題中不同的統(tǒng)計參數(shù)，所關(guān)心的置信區(qū)間并不相同，如燈泡的壽命問題，關(guān)心的就是置信區(qū)間的下限。而本文探討的關(guān)于艦船設(shè)備振動異常的能量，需要關(guān)心的則是置信區(qū)間的上限。

2.2 均值方差標準閾值法

艦船設(shè)備振動總能量正常狀態(tài)下在一定范圍內(nèi)波動，其分布具有一定的規(guī)律，對其設(shè)定異常監(jiān)測閾值，采用置信區(qū)間的概念是一個不錯的選擇。通過估計能量的分布范圍，并得出這個范圍包含真值的可信程度，即所謂的置信區(qū)間。

在實際故障診斷現(xiàn)場，如果能同時取得設(shè)備正常及異常情況的數(shù)據(jù)，并用以制定診斷標準，當然是比較理想的，然而在一般情況下，兩方面都能取得的情況并不多，這時就要從正常時的數(shù)據(jù)出發(fā)，制定異常診斷標準.通常利用均值和方差數(shù)據(jù)，其步驟如下:

1)在設(shè)備正常，并且處于穩(wěn)定狀態(tài)時，對其進行N(N≥2)次以上的振動測定。

2)計算平均值μ和均方差σ。

3)計算異常監(jiān)測判據(jù)統(tǒng)計閾值。

以上用統(tǒng)計方法計算出的為設(shè)備的預(yù)警量級，依據(jù)該量級即可推出報警量級，一般情況報警量級約為預(yù)警量級的3倍。報警量級為

當頻率達到10 kHz以上時，報警量級為預(yù)警量級的6倍。

在制定以上異常監(jiān)測判據(jù)統(tǒng)計閾值時，要考慮統(tǒng)計判據(jù)標準與均值的相關(guān)性，即the與μ的比率關(guān)系，通常當二者的比值大于1.5時，認為異常監(jiān)測判據(jù)統(tǒng)計閾值有效。

3 計算實例

文中選擇了2種特征量作為依據(jù)進行異常判斷，分別是總能量和1/3倍頻程帶級能量。前者采用置信區(qū)間閾值法進行閾值設(shè)置，后者用均值方差標準閾值法進行閾值設(shè)置。

3.1 總能量監(jiān)測閾值設(shè)置實例

圖2給出某船部分設(shè)備正常狀態(tài)下振動總能量概率密度分布曲線及按照置信區(qū)間方法設(shè)定的異常監(jiān)測預(yù)警閾值。實際監(jiān)測過程中，總能量低于閾值或由于偶爾的瞬時動作導(dǎo)致的監(jiān)測數(shù)據(jù)超出閾值不進行預(yù)警或報警，只有當總能量超出閾值一定時間才進行報警.這將有效地降低虛驚概率。

圖3和圖4選擇正常狀態(tài)下振動監(jiān)測數(shù)據(jù)對圖2中設(shè)定的閾值有效性進行了驗證，驗證過程中當總能量連續(xù)超出閾值1 min選擇預(yù)警。從圖中可以看出，按上述方法設(shè)定的閾值并沒有產(chǎn)生虛警現(xiàn)象。

圖3 設(shè)備a和b預(yù)警閾值驗證情況Fig.3 Validate the early-warning threshold of machinery a and b

3.2 譜監(jiān)測閾值設(shè)置實例

在監(jiān)測過程中，如果判據(jù)特征量選擇信號線譜的情況下，用均值方差標準設(shè)置閾值更容易。圖5是用均值方差標準設(shè)置的設(shè)備a和b的監(jiān)測預(yù)警閾值 (圖中頻率和能量數(shù)據(jù)分別經(jīng)過歸一化處理)。

圖4 設(shè)備a和b線譜監(jiān)測預(yù)警閾值曲線Fig.4 Threshold curve for line spectrum monitoring of machinery a and b

4 結(jié)語

文中針對艦船設(shè)備常見故障信號類型提出了置信區(qū)間、均值方差2種閾值設(shè)置方法。置信區(qū)間閾值設(shè)置方法可以檢測信號寬帶能量變化帶來的異常。該方法直接使用實時監(jiān)測到的振動時域信號，不需要通過各種處理及變換，計算量小，不致出現(xiàn)信號畸變和泄漏等缺陷。均值方差閾值設(shè)置方法針對信號頻率特征，可以檢測出由窄帶能量增加、頻率改變等故障帶來的異?，F(xiàn)象。利用這2種方法對實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了艦船設(shè)備振動總能量和線譜能量異常監(jiān)測閾值設(shè)置，制定的閾值具有較好的包容性。在今后的工作中，振動報警的研究還有許多工作要做，報警閾值要保證精度，就需要不斷使用大量的數(shù)據(jù)更新驗證閾值;要降低虛警漏報概率，就需要進行多種判據(jù)特征聯(lián)合應(yīng)用研究;各種閾值的系數(shù)在實際應(yīng)用中，根據(jù)不同的監(jiān)測設(shè)備和采集的大量實測數(shù)據(jù)也要進行不斷的修正和完善。

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