摘要：船舶導管螺旋槳；故障診斷應用

關鍵詞：壓力波形；壓力頻譜檢測分析

隨著長江航道大建設大發(fā)展的步伐加快，航道工作船是長江上的先行者。船舶螺旋槳漿葉折斷的故障比較常見，其材料的性能、鑄件質量、工作情況、使用環(huán)境、設計結構等方面可以導致漿葉的斷裂。船舶是在水域里航行的，如果螺旋槳碰到漂浮物、浮冰等也會發(fā)生意外，導致其斷裂，進而造成推進裝置的損壞。所以對螺旋槳的檢測和故障診斷是十分重要的。

1.船舶螺旋槳故障診斷技術

1.1螺旋槳故障診斷系統(tǒng)

螺旋槳故障診斷系統(tǒng)是由大量的數(shù)據(jù)和信息組合而成的，通過綜合分析判斷，確定出故障的原因，以此得出診斷結論，最后提出解決措施。在螺旋槳運行時，其設備監(jiān)控系統(tǒng)會獲取穩(wěn)定數(shù)據(jù)、瞬態(tài)數(shù)據(jù)、以及過程參數(shù)、運行狀態(tài)等信息進行記錄。在此基礎上，通過信號分析和數(shù)據(jù)處理提取特有的故障征兆及故障敏感參數(shù)等，在進行綜合的故障診斷。其故障診斷的前提是狀態(tài)檢測以及信號處理。信號處理是對傳感器得到的原始數(shù)據(jù)進行轉換和儲存。檢測系統(tǒng)獲得的信號在進行分析前，需要對先其進行處理，因為其獲得的信號源有大量的噪音信息，要進行減噪及濾波處理，再儲存獲得的信號源，從而進一步的進行故障診斷分析處理。

1.2 CFD螺旋槳故障診斷原理

為了提高船舶螺旋槳故障診斷關鍵技術的應用效率，計算機流體力學（CFD）已被廣泛的使用在此診斷技術上[1]。CFD主要是通過數(shù)值模擬手段，以實現(xiàn)故障診斷中的狀態(tài)監(jiān)測和信號處理的環(huán)節(jié)，而螺旋槳狀態(tài)檢測不再使用傳感器以及信號采集進行故障的預測。以CFD進行數(shù)值的模擬計算時，其數(shù)字計算模式可以看做是理想傳感器所采用的信號，和普通的傳感器所采集的信號相比較，其沒有噪信號，因此在處理環(huán)節(jié)上方便了很多，那么只需要對故障產生的機理以及故障診斷技術方面進行研究和處理。這是在故障診斷技術上采用CFD計算數(shù)字模擬的一個優(yōu)勢。為了提高故障診斷的準確性和故障診斷效率，可以根據(jù)螺旋槳槳葉不同時間段以及不同的工作狀況，CFD對其進行數(shù)值模擬計算來紅的不同的信號，再通過信號的對比，分析，再對得到診斷結果進行指導工程應用。通過數(shù)值模擬可以直接對出現(xiàn)的故障進行處理，分析出產生故障的原因，以及對故障結果進行驗證，從而得到故障診斷的轉接知識。

1.3 CFD故障診斷技術和方法

導管螺旋漿葉折斷事故可以采用CFD進行故障監(jiān)控和用于診斷系統(tǒng)。診斷系統(tǒng)可采用壓力波形分析法以及頻譜分析法[2]：

1.2圖 基于CFD的導管螺旋槳槳葉折斷故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)

2.螺旋槳槳葉折斷故障的波形分析診斷法技術

2.1導管內壁脈動壓力數(shù)值模擬

故障檢測通過對槳葉在0.9R、0.8R、0.7R的運行狀態(tài)，記錄其在不同時間以及不同運行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)信息，然后采用CFD計算模型對槳葉正常狀態(tài)下，以及對0.9R、0.8R、0.7R時間段的診斷故障進行計算分析。在進行計算時，要設置監(jiān)測點，并設置其平均來流速度為3.5m/s，螺旋槳轉速為5r/s，再通過監(jiān)測點采集模擬壓力傳感器信號。進行模擬壓力傳感器工作時，可以采用某一區(qū)域監(jiān)測點的壓力值，并平均采取其壓力變化值，在進行計算時，要隨之記錄監(jiān)測點的壓力值，以實現(xiàn)模擬壓力傳感器的工作。下面分別記錄了螺旋槳的導管內壁監(jiān)測點位置處脈動壓力數(shù)值模擬結果：

圖一 導管螺旋槳正常工作時的壓力脈動圖

圖二 導管螺旋槳槳葉在0.9R處折斷時的壓力脈動圖

圖三 導管螺旋槳槳葉在0.8R處折斷時的壓力脈動圖

圖四 導管螺旋槳槳葉在0.7R處折斷時的壓力脈動圖

2.2螺旋槳槳葉折斷故障的波形分析診斷法

導管內壁壓力脈動時間波形特征可以直接對導管的螺旋槳槳葉折斷故障進行初步診斷。螺旋槳正常的工作狀態(tài)下，設置轉速為5r/s、周期為0.2s、頻率為5Hz，葉頻為20Hz。其導管內壁的壓力脈動波形圖為比較正軌的正弦波[3]。根據(jù)圖形可以看出，其波形看上去穩(wěn)定、重復性好以及具有光滑性。而且其波形變化的頻率與螺旋槳的葉頻相同。在螺旋槳槳葉折斷后，其波形發(fā)生了很大的變化。在某折斷的槳葉經(jīng)過監(jiān)測點的位置后，其監(jiān)測點的區(qū)域的流場干擾會變小，壓力增高，水的流速變低。與螺旋槳葉槳葉正常情況相比，其導管內壁波形圖會變的畸形，以此可以診斷出螺旋槳槳葉發(fā)生了折斷故障。再通過分析不同工作狀況下的壓力脈動波形圖，由此可以分析得出，其波形會隨著螺旋槳槳葉折斷狀況法傷變化，其折斷情況越嚴重，波形變化就越畸形。由此，可以通過波形的畸形變化程度得出螺旋槳將槳葉的折斷位置。

2.2導管螺旋槳槳葉折斷故障頻譜診斷技術

導管螺旋槳某槳葉折斷時，其導管內壁的壓力正弦波形具有明顯的畸形變化，根據(jù)其明顯的波形特征。分析出螺旋槳槳葉的折斷位置，以此，可以對導管螺旋槳不同故障工況下的導管內壁的壓力時間波形圖選用矩形窗進行FFT變換[4]。如下圖所示：

圖一 導管螺旋槳正常工作時的壓力頻譜圖

圖二 導管螺旋槳槳葉在 0.9R 處折斷時的壓力頻譜圖

圖三 導管螺旋槳槳葉在0.8R處折斷時的壓力頻譜圖

圖四 導管螺旋槳槳葉在 0.7R 處折斷時的壓力頻譜圖

根據(jù)所得出的導管螺旋槳槳葉折斷故障發(fā)生時的導管內壁脈動壓力波形頻譜圖，進一步分析后，可以根據(jù)以下兩個圖表，得出幾點規(guī)律特征：若導管螺旋槳槳葉無故障發(fā)生，頻譜圖中的信號主要顯示葉頻和倍葉頻分量，其余引號頻率則不明顯。若導管螺旋槳槳葉發(fā)生折斷故障，則軸頻或倍軸頻信號顯示程度較強，而葉頻和倍葉頻分量信號變得微弱。若導管螺旋槳槳葉發(fā)生折斷故障嚴重，相應的軸頻或倍軸頻信號顯示程度會更強，而葉頻和倍葉頻分量信號會變的更微弱。由此可以得出，根據(jù)軸頻或倍軸頻信號顯示程度，以及葉頻和倍葉頻分量信號顯示強度，可以對導管螺旋槳槳葉的故障進行診斷，并診斷出折斷位置[5]。

2.3-1各頻率信號強度與基葉頻信號強度之比

頻率基軸頻2倍軸頻3倍軸頻基葉頻2倍葉頻

導管螺旋槳某

槳葉這段位置0.7R0.690.430.431.000.33

0.8R0.590.420.421.000.32

0.9R0.350.330.331.000.32

正常0.140.040.041.000.29

2.3-2不同故障工況時，信號強度與正常工況信號強度之比

頻率基葉頻2 倍葉頻基軸頻2 倍軸頻3 倍軸頻

導管螺旋槳

某槳葉這段位置0.7R10.210.20.840.954.1

0.8R10.010.00.860.933.6

0.9R8.08.00.880.953.3

正常1.01.01.001.001.0

2.3波形分析法和頻譜法對螺旋槳槳葉折斷故障的監(jiān)測與診斷

以上根據(jù)導管螺旋槳流場的研究，再利用CFD數(shù)值模擬計算，獲得了螺旋槳槳葉的不同位置的折斷情況，同時分析出了其到管內壁脈動壓力的變化規(guī)律。根據(jù)脈動壓力的時間波形進行分析，獲得某一波峰鈍化畸變以及其畸變程度的信息，以得出導管內壁的脈動壓力時間波形圖和頻譜圖，根據(jù)其特征和敏感參數(shù)數(shù)據(jù)，對槳葉折斷故障進行監(jiān)測，同時初步診斷出槳葉折斷位置。故障發(fā)生時，其基軸頻信號強度大于基葉頻的15%，以及2倍軸頻信號強度大于基葉頻的5%[6]。若需要更準確的診斷出折斷位置，則可以對不同工況頻譜圖中葉頻、倍葉頻、軸頻和倍軸頻信號的強弱變化的關系以及變化規(guī)律進行分析。

序號故障特征特征參量

1畸形的正弦波時域波形

2葉頻、倍葉頻特征頻率

3軸頻、倍軸頻常伴頻率

2.4-1導管螺旋槳槳葉折斷時，導管內壁脈動壓力特征

序號脈動壓力變化情況

1隨槳葉折斷量變化非常明顯

2隨轉速變化非常明顯

2.4-2導管螺旋槳槳葉折斷時，導管內壁脈動壓力敏感參數(shù)

其故障診斷主要是對螺旋槳槳葉折斷后進行CFD的數(shù)值模擬計算，再通過導管內壁壓力脈動數(shù)據(jù)生成時間波形圖，再進行FFT的變換，結合對波形的分析，以此，可以結合波形分析法和頻譜診斷法，對螺旋槳槳葉折斷故障進行診斷，以此獲得故障診斷技術。

結語

在船舶設備檢測中，合理運用設備診斷技術，可以對設備的工作狀況進行全面的了解，及時的發(fā)現(xiàn)故障和維修。對其產生故障的原因進行快速和準確的分析，根據(jù)檢測結果就是進行設備的維護、維修，從而保證設備良好的運行狀態(tài)。設備故障診斷技術的效果顯著，不僅減少了事故的發(fā)生，也增加了經(jīng)濟效益。為其良好的發(fā)展前景提供了必要條件。

參考文獻：

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[6]率冉冉，高樹鳳，張磊等.淺析船艙自動化監(jiān)控與故障診斷技術的發(fā)展[J].科技風，2011，（5）：42.