熊正華,曾毅彪,曹玉佩,唐新飛

(1.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ，四川 成都 611130 ；2.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 湖北 武漢 430063)

基于小波包汽輪機(jī)貨油泵振動信號仿真分析

熊正華1,曾毅彪2,曹玉佩2,唐新飛2

(1.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ，四川 成都 611130 ；2.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 湖北 武漢 430063)

文章通過小波包分析方法對汽輪機(jī)貨油泵信號進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證，對信號進(jìn)行時(shí)域信號分析，基于振動信號的小波包特征提取，得出故障頻率特征，進(jìn)而可以分析判定故障的存在，驗(yàn)證小波包分析對故障特征量提取的有效性。

汽輪機(jī)貨油泵仿真信號；小波包分析；時(shí)頻分析；功率譜

大型油船作為較為特殊的運(yùn)輸船舶，與其他種類船舶相比，具備不一樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)和子系統(tǒng)，具有不少獨(dú)特要求，其貨油泵驅(qū)動系統(tǒng)就是其中的核心系統(tǒng)之一。由于油船的數(shù)量每年都在遞增，油船載重也在不斷提升以及隨著人們對于生態(tài)環(huán)保意識也在不斷加強(qiáng)，其對油船貨油泵驅(qū)動系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性以及貨油泵系統(tǒng)故障診斷水平提出了更高的要求。

目前國內(nèi)僅有少數(shù)船用配套設(shè)備廠家進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)的研發(fā)，如由工信部高科技船舶科研項(xiàng)目資助，由武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司負(fù)責(zé)開發(fā)的貨油泵系統(tǒng)[1]。部分高校也進(jìn)行了貨油泵系統(tǒng)仿真系統(tǒng)的研制，如上海海運(yùn)學(xué)院開發(fā)的大型油船貨油裝卸模擬裝置[2]。但目前用小波包分析方法研究貨油泵驅(qū)動系統(tǒng)振動信號，這在國內(nèi)還屬首例。

汽輪機(jī)貨油泵驅(qū)動系統(tǒng)，以蒸汽汽輪機(jī)作為原動力，經(jīng)減速齒輪箱減速，再通過穿艙軸系與離心泵相連，進(jìn)而為油船裝卸作業(yè)提供原動力，其機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，汽輪機(jī)貨油泵動力傳遞要求精度較高、載荷很大，很難控制其設(shè)備長期可靠高效運(yùn)行[3]，因此對預(yù)防關(guān)鍵的機(jī)械設(shè)備故障的發(fā)生，避免故障帶來的2次破壞，分析其振動信號，為后期的故障診斷有著積極的意義。

采用小波包分析與傅里葉對比優(yōu)勢在于，它可以提取時(shí)頻域內(nèi)局部化特征，即通過伸縮和平移等運(yùn)算功能對函數(shù)或信號進(jìn)行多尺度細(xì)化分析，進(jìn)而可以聚焦到目標(biāo)信號的任意細(xì)節(jié)，因此小波包分析方法在分析振動信號(非平穩(wěn)信號)上具有獨(dú)特的優(yōu)勢，所以選取此方法來分析汽輪機(jī)貨油泵是否存在故障。然而實(shí)際汽輪機(jī)貨油泵不能以人為損壞制造故障，來研究其振動信號，因而本文通過模擬正常信號與故障信號進(jìn)行小波包分析研究，比較分析的結(jié)論是否與模擬情況相符。

1 貨油泵驅(qū)動系統(tǒng)組成

貨油泵系統(tǒng)是原油運(yùn)輸船貨油系統(tǒng)中3大子系統(tǒng)之一，其主要作用是貨油輸送作業(yè)。

貨油泵系統(tǒng)按驅(qū)動方式可分為液壓驅(qū)動、柴油機(jī)驅(qū)動、電動驅(qū)動和汽輪機(jī)驅(qū)動，其具體的驅(qū)動方式與適用船型詳見表1。

表1 貨油泵系統(tǒng)的驅(qū)動方式分類

其中汽輪機(jī)驅(qū)動的方式在大型油船上得到廣泛應(yīng)用，因?yàn)榇笮陀痛鲇谟团摷訜?、保溫以及洗艙液加熱等考慮，通常設(shè)置大型燃油輔助鍋爐。由于驅(qū)動貨油泵的汽輪機(jī)所要求的蒸汽量小于燃油輔鍋爐額定蒸汽量，而且即使加上規(guī)定數(shù)量油艙同時(shí)進(jìn)行加熱或保溫工況時(shí)，鍋爐蒸汽量也足夠有余。因此充分利用蒸汽鍋爐的潛力，這也是此種驅(qū)動方式的優(yōu)勢之一，本文所選的貨油泵類型正是汽輪機(jī)貨油泵。

汽輪機(jī)貨油泵驅(qū)動系統(tǒng)由汽輪機(jī)驅(qū)動裝置、穿艙軸系和貨油泵等組成，其中汽輪機(jī)驅(qū)動裝置又包括汽輪機(jī)(蒸汽調(diào)節(jié)閥與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子)、減速裝置(高速齒輪箱)、監(jiān)測控制裝置和冷凝系統(tǒng)，如圖1所示為汽輪機(jī)貨油泵驅(qū)動系統(tǒng)簡圖。

圖1 汽輪機(jī)貨油泵驅(qū)動系統(tǒng)

1.1 蒸汽調(diào)節(jié)閥

蒸汽調(diào)節(jié)閥通過控制蒸汽閥的開度來控制蒸汽的流量，進(jìn)而來控制泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，還可以在汽輪機(jī)意外脫扣時(shí)起到危機(jī)安全切斷的作用。汽輪機(jī)在開始啟動時(shí)，先確保電動補(bǔ)油泵已開啟，在此設(shè)計(jì)了啟動互鎖裝置，主要是防止蒸汽閥打開，補(bǔ)油泵沒開啟對軸承的損傷。

1.2 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與穿艙軸是連在一起的，在汽輪機(jī)軸端裝有機(jī)械式脫扣器偏心環(huán)，其作用是當(dāng)旋轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的1.15倍時(shí)，偏心環(huán)動作切斷運(yùn)轉(zhuǎn)，即可以確保泵的轉(zhuǎn)速在50%～100%情況下正常運(yùn)轉(zhuǎn)[4]。

1.3 減速裝置

減速裝置即高速減速齒輪箱，由于蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，為滿足泵所需求的轉(zhuǎn)速，中間經(jīng)過減速裝置。依據(jù)貨油泵汽輪機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì)總體要求，高速齒輪箱采用單級減速傳動，圓柱斜齒輪型式，主要通過確定傳動比的情況下，進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)。齒輪箱的主要組成部分有箱體、齒輪軸、轉(zhuǎn)軸、齒輪、滑動軸承、軸封、潤滑裝置等組成。

1.4 潤滑油裝置

潤滑油裝置主要由與汽輪機(jī)連接的主油泵、電動補(bǔ)助油泵、輪滑油壓力調(diào)整閥、輪滑油冷卻器、過濾器以及油箱等組成。

1.5 監(jiān)測控制裝置

為了保證泵和汽輪機(jī)裝置能夠安全平穩(wěn)的運(yùn)行，對泵和汽輪機(jī)裝置的安全裝置包括儀表的監(jiān)控與各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)控非常值得重視。監(jiān)測的主要參數(shù)包括有軸承溫度、泵殼溫度、進(jìn)出口壓力、軸承振動、泵支座振動、主蒸汽壓力等參數(shù)。若汽輪機(jī)軸轉(zhuǎn)速過快、泵各部分溫度異?；蚱啓C(jī)排氣壓力過高時(shí)，出現(xiàn)此類故障會傳遞信號進(jìn)行預(yù)警以及報(bào)警，若出現(xiàn)大故障時(shí)，安全裝置會自動跳閘，防止出現(xiàn)2次損壞的發(fā)生。

1.6 穿艙軸系

穿艙軸系是轉(zhuǎn)子與貨油泵的連接設(shè)備，能夠保證機(jī)艙與泵室的軸貫通處有較好的密封性，能避免船舶在裝卸貨油時(shí)，由從滿載狀態(tài)到空載狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)致的船舶變形所造成的汽輪機(jī)裝置和貨油泵軸系的偏離，保證其穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。穿艙軸系主要由2部分組成，上部分為固定式，下部分中間軸為浮動式，2根軸中間由聯(lián)軸器相連，聯(lián)軸器為標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)軸器。

2 監(jiān)測控制方案設(shè)計(jì)

監(jiān)測控制系統(tǒng)方案主要包括硬件方案設(shè)計(jì)，所需監(jiān)測控制系統(tǒng)監(jiān)測信號參數(shù)的確定，以及振動信號的采集與預(yù)處理。

2.1 監(jiān)測控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

監(jiān)測控制系統(tǒng)以NI數(shù)據(jù)采集卡和PLC作為核心，NI數(shù)據(jù)采集卡和PLC主要是用來采集輸入信號，并和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信方式為以太網(wǎng)方式，將采集的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，下位機(jī)通過以太網(wǎng)(NI Serve OPC)傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)通過編寫好的程序來對信號進(jìn)行預(yù)處理與特征提取，來達(dá)到監(jiān)測控制的目的。

系統(tǒng)總體硬件框架如圖2所示，下位機(jī)包含PLC控制箱和NI在線監(jiān)測控制箱，它們通過信號線采集傳感器發(fā)過來的數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)線與交換機(jī)相連，最后通過網(wǎng)線與上位機(jī)相連。

圖2 總體硬件框架圖

由于振動信號是高頻信號，PCI-4472是NI公司推出的一款聲音與振動信號采集卡，NI在線監(jiān)測控制箱里裝有NI PCI-4472是基于PCI插槽的數(shù)據(jù)采集卡，它擁有8個(gè)通道。ch0-ch7為模擬信號輸入端，EXT- TIRG為外部觸發(fā)信號輸入端，數(shù)字信號或模擬信號都可以做觸發(fā)信號[5]?？梢愿鶕?jù)數(shù)據(jù)采集過來的振動信號，生成樣條曲線，調(diào)用MATLAB工具包里面的函數(shù)，來實(shí)現(xiàn)對信號處理和分析，包括信號去噪，還可以分析振動信號特征參數(shù)與無量綱參數(shù)。振動信號特征包括振動特征參數(shù)與無量綱參數(shù)，信號的均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及無量綱的峭度系數(shù)、裕度因數(shù)等。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

通過PLC采集的傳感器數(shù)據(jù)包括模擬量與數(shù)字量，數(shù)據(jù)都以數(shù)字量進(jìn)行存儲，NI采集卡采集的是模擬量，通過NI板卡的A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)以數(shù)字量的形式進(jìn)行保存，最終下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行存儲，存儲方式采用數(shù)據(jù)庫的形式，可以隨時(shí)調(diào)用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示與分析以及報(bào)警，系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)流程圖

3 振動信號小波包特征提取

小波包分析實(shí)際應(yīng)用廣泛，因此利用它可以為信號提供精度更高的分析方法。依據(jù)被分析信號的特征，小波包分析將信號劃分了多個(gè)頻帶，可以對信號的高頻部分進(jìn)行更深層次的分解，進(jìn)而提高在時(shí)域上的分辨率，分解后選擇相應(yīng)的頻段使其與信號的頻譜進(jìn)行匹配。所以小波包分析的應(yīng)用前景非常廣泛[6]。

小波包分析，可以用一個(gè)3層的分解樹來進(jìn)行說明。

圖4為小波包3層分解樹，其中A代表低頻，D代表高頻，字母后序號表示小波包分解后的層數(shù)，分解后存在以下關(guān)系：

S=AAA3+DAA3+ADA3+DDA3 +AAD3+DAD3+ADD3+DDD3

圖4 3層小波包分解樹

對降噪后的目標(biāo)信號進(jìn)行3層小波包分解，將分解的低頻信號到高頻信號有8個(gè)頻段，在此依次計(jì)為：H0、H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7。

重構(gòu)對以上幾層小波包分解系數(shù)，進(jìn)而提升它在時(shí)域上的分辨率，原始信號記作S1，故障信號記作S2，原始信號進(jìn)行重構(gòu)信號后分別記為：S130、S131、S132、S133、S134、S135、S136、S137；故障信號的重構(gòu)信號分別記為：S230、S231、S232、S233、S234、S235、S236、S237。

求出原始信號與故障信號的功率譜對比分析圖，并分析不同頻段的功率譜，并進(jìn)行歸一化處理，算出不同頻率段的特征向量。

3.1 小波包時(shí)頻分析對比

通過使用MATLAB仿真兩段信號分別為正常信號和故障信號，兩者混合有隨機(jī)信號，故障信號，為前半段正常，后半段故障，表現(xiàn)為信號為200 Hz的高頻振動信號，具體MATLAB信號仿真代碼如下。

1)正常信號：通過對振動信號進(jìn)行仿真，選取2個(gè)激振源，分別為60 Hz和100 Hz的信號，為了保證模擬的真實(shí)性，對其添加了一段隨機(jī)干擾信號，從而模擬實(shí)際采集信號。

t=1∶1000；

s1=sin(2·pi*60*t*0.001)+sin(2*pi*100*t*0.001)+rand(1,length(t));

2)故障信號：通過對振動信號進(jìn)行仿真，選取2個(gè)激振源，前半段依然為60 Hz和100 Hz的信號，在后半段突發(fā)故障，其中信號周期為60 Hz的信號突然變?yōu)?00 Hz，在整個(gè)仿真過程中，為了保證模擬的真實(shí)性，對其添加了一段隨機(jī)干擾信號，從而模擬實(shí)際采集信號。

for t=1∶500;

s2(t)=sin(2*pi*60*t*0.001)+sin(2*pi*100*t*0.001)+rand(1,length(t));end

for t=501∶1000;

s2(t)=sin(2*pi*200*t*0.001)+sin(2*pi*100*t*0.001)+rand(1,length(t));

通過調(diào)用小波包工具包里的函數(shù)，選取db1小波包分別對原始和故障信號進(jìn)行小波包分解，對正常原始信號與故障信號進(jìn)行對比分析，正常原始信號特征值效果圖如圖5，故障信號特征值效果圖如圖6。

小波包分解通過調(diào)用小波包函數(shù)wpt=wpdec(s1,3,'db1','shannon')；將目標(biāo)信號分解為8個(gè)頻段，并通過調(diào)用相關(guān)函數(shù)繪制出目標(biāo)函數(shù)的分解圖。

圖5 正常原始信號的特征值效果圖

圖6 故障信號的特征值效果圖

3.2 小波包頻域分析

在工程中，實(shí)際獲取的振動信號為非平穩(wěn)信號，一般都是不確定的離散信號，信號的頻率、幅值都是隨機(jī)的，不符合可積條件，無法用傅里葉變換進(jìn)行頻域分析[7]。因此，對于離散信號只能用時(shí)域指標(biāo)中功率譜密度來分析其頻域結(jié)構(gòu)[8]。在此，目標(biāo)信號的平均功率選用均方值來表示Xrms，詳見公式。

式中：N為實(shí)際采樣點(diǎn)數(shù)；xi為采樣數(shù)據(jù)。

原始信號功率譜與故障信號功率譜如圖7，可以很明顯觀察到總體功率譜上，正常工況下，功率是集中在60 Hz與100 Hz處，然而在故障工況下，功率除了集中在60 Hz與100 Hz處，明顯可以觀察到功率主要集中在200 Hz處，因此可以分析得到出現(xiàn)故障功率對應(yīng)的頻率為200 Hz。

圖7 原始信號與故障信號的功率譜圖

通過以上分析可以得出結(jié)論：應(yīng)用小波包分析，可以較為準(zhǔn)確檢測到故障頻率，檢測結(jié)果與仿真實(shí)際情況相符，證明小波包分析方法是有效的。

4 結(jié)束語

通過信號仿真與小波包特征提取，可得小波包分析。雖然可以較為有效的檢測出存在故障，但小波包分析很難識別故障的類型，因此可以將小波包分析和其他分析方法結(jié)合[9-10]，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、數(shù)據(jù)融合等，結(jié)合不同方法的優(yōu)點(diǎn)，是未來小波包分析發(fā)展的趨勢。

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By means of wavelet packet analysis method,the signal of turbine oilpump is simulated and analyzed,whith the signal analyzed in time domain.Based on the wavelet packet feature extraction of vibration signal,the fault frequency character is tics are obtained,with which we can analyze and determine the fault existence.Verifing the effectiveness of wavelet packet analysis on fault feature extraction.

turbine cargo pump signal sinculation;wavelet packet analysis;time-frequency analysis; power spectrum

熊正華(1971-)，男，四川巴中人，甲類一等輪機(jī)長，大學(xué)本科，主要從事主管實(shí)訓(xùn)與理論教學(xué)工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.02.001

2016-10-28