歐禮堅(jiān)

（華南理工大學(xué)，廣州 510640）

1 引言

智能船舶是全球研究熱點(diǎn)，《智能船舶規(guī)范》[1]要求智能船舶關(guān)鍵設(shè)備具有自我監(jiān)測(cè)和診斷的能力。船舶螺旋槳槳葉受離心力、流體動(dòng)力和水中雜物碰撞力等作用，槳葉折斷故障導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)水平較高，如2000 年11 月法國(guó)“戴高樂(lè)”號(hào)航空母艦首次遠(yuǎn)洋試航便發(fā)生了螺旋槳槳葉折斷故障[2]。螺旋槳作為船舶的核心設(shè)備，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并診斷槳葉折斷位置是十分必要的。

目前船舶螺旋槳槳葉狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷方面的研究尚比較少。Morin Andre[3][4]首次提出采用水下激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)破冰船螺旋槳槳葉的方法，實(shí)現(xiàn)了破冰船螺旋槳的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。由于激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抗振性能差、光學(xué)傳感器易被污染、成本高、維護(hù)保養(yǎng)難等局限性，較難廣泛應(yīng)用于普通船舶。

國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)纜水下機(jī)器人 (簡(jiǎn)稱(chēng)AUV)推進(jìn)器故障診斷的研究比較深入。Aaron M Hanai[5]等人根據(jù)AUV各推進(jìn)器推力逼近值與實(shí)際測(cè)量值間的差值檢測(cè)推進(jìn)器狀態(tài)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可行性和有效性；王彥東建立AUV 定性微分方程，推導(dǎo)AUV 推進(jìn)器故障行為轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得了 AUV 定性故障診斷模型；李少紅、丁福光[7]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)動(dòng)力定位工作母船的主推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了故障診斷技術(shù)研究；Choi, Jin-Kyu[6]建立了AUV 上的作用力與推進(jìn)器產(chǎn)生的推力之間的關(guān)系模型，通過(guò)比較推進(jìn)器結(jié)構(gòu)矩陣的秩與推力矩陣維數(shù)之間的關(guān)系判斷推進(jìn)器是否出現(xiàn)故障；Alexeyshumsky[7]通過(guò)建立AUV 的單輸出診斷觀測(cè)器模型對(duì)系統(tǒng)的殘差向量進(jìn)行估計(jì)，基于靈敏度理論分析殘差向量的靈敏度大小，如果殘差的靈敏度接近于1 則認(rèn)為相應(yīng)的推進(jìn)器出現(xiàn)故障；王建國(guó)[8]設(shè)計(jì)了非線(xiàn)性滑模觀測(cè)器，將滑模觀測(cè)器引入到螺旋槳的故障診斷中, 從設(shè)計(jì)的非線(xiàn)性觀測(cè)器中提取故障診斷信息, 利用模糊診斷原理來(lái)分析殘差信號(hào), 通過(guò)分析殘差序列進(jìn)行故障診斷；Yan, Zhe-Ping[9]采用模糊自適應(yīng)融合技術(shù)對(duì)螺旋槳進(jìn)行故障診斷。從以上文獻(xiàn)來(lái)看，學(xué)者們主要以水下機(jī)器人作為研究對(duì)象，提出了水下機(jī)器人推進(jìn)器的故障診斷方法，研究成果水平較高，解決了水下機(jī)器人推進(jìn)器發(fā)生故障時(shí)的容錯(cuò)性問(wèn)題。從診斷手段來(lái)看，主要是通過(guò)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)螺旋槳的電機(jī)輸出的電流和電壓進(jìn)行故障診斷，因此不適合應(yīng)用于非電力推進(jìn)的船舶。

船舶螺旋槳及軸系組成了旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)，其狀態(tài)特征參量以振動(dòng)參數(shù)為主，所以可采用振動(dòng)法進(jìn)行故障診斷。本文主要研究采用振動(dòng)法進(jìn)行螺旋槳槳葉折斷故障的診斷。

2 振動(dòng)法診斷螺旋槳槳葉折斷故障的基本思路

螺旋槳與軸系組成了旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)，可采集軸的回旋振動(dòng)信號(hào)，對(duì)信號(hào)采用時(shí)域和頻域特征分析，提取故障特征。

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)是故障診斷的基礎(chǔ)。通過(guò)各類(lèi)傳感器組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提取各類(lèi)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)信號(hào)。雖然信號(hào)采集是狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的源頭，但是對(duì)于螺旋槳和軸系組成的旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)來(lái)說(shuō)信號(hào)采集是比較困難的，需要花費(fèi)大量的金錢(qián)和時(shí)間。為了提高研究效率，對(duì)于軸系狀態(tài)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)不直接使用傳感器和信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集，而是用軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果可以看作為傳感器所采集的信號(hào)，簡(jiǎn)化了信號(hào)處理環(huán)節(jié)，把主要精力集中在故障產(chǎn)生的機(jī)理和故障診斷技術(shù)上。

本文建立了螺旋槳不同槳葉折斷故障軸系回旋振動(dòng)的數(shù)值計(jì)算模型，獲得螺旋槳槳葉不同故障工況軸系回旋振動(dòng)數(shù)值模擬信號(hào)。通過(guò)對(duì)信號(hào)處理和特征分析，提取螺旋槳槳葉折斷故障信號(hào)征兆并進(jìn)行故障診斷。

3 螺旋槳槳葉折斷故障信號(hào)的數(shù)值模擬

3.1 研究對(duì)象

以SCUT 導(dǎo)管螺旋槳及其軸系組成的旋轉(zhuǎn)機(jī)械作為研究對(duì)象。 SCUT 導(dǎo)管螺旋槳為ka4-70 型，直徑2.0 m、螺距比0.9、盤(pán)面比0.7、葉數(shù)為4、質(zhì)量825 kg、螺旋槳慣性矩為1 695 kgf.cm.s2；軸系為尾軸長(zhǎng)8.0 m、外徑0.2 m；前軸承寬0.29 m、后軸承寬0.46 m；中間軸長(zhǎng)5.0 m、外徑0.18 m，由軸承支承；中間軸和尾軸之間有聯(lián)軸節(jié)，尾軸管前軸承處有軸支架與船體連接，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出法蘭通過(guò)齒輪箱變速后與軸系連接；軸系材料的彈性模量E=2.06E11 N/m2、泊松比μ=0.3、密度ρ=7 800 kg/m3。

3.2 螺旋槳槳葉折斷故障時(shí)軸系回旋振動(dòng)作用力

3.2.1 螺旋槳離心力

螺旋槳離心力是螺旋槳重力偏心引起的慣性力。螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生離心力，其橫向分力為Fy=Fssin（ωt）、垂向分力為FZ=Fssin（ωt +π/2）。

3.2.2 螺旋槳水動(dòng)力

螺旋槳槳葉折斷時(shí)，其軸承力將導(dǎo)致軸系回旋振動(dòng)。為了研究方便，螺旋槳的軸承力Fy進(jìn)行無(wú)因次化處理：

式中： KFy為螺旋槳軸承力系數(shù)；Fy為螺旋槳的軸承力（N）； n 為螺旋槳轉(zhuǎn)速（r/s）；D 為螺旋槳直徑（m）;為水的密度（kg/m3）。

采用Fluent 軟件對(duì)導(dǎo)管螺旋槳進(jìn)行CFD 計(jì)算，計(jì)算不同伴流場(chǎng)中導(dǎo)管螺旋槳的水動(dòng)力性能，并分析導(dǎo)管螺旋槳水動(dòng)力性能在不同伴流場(chǎng)中的變化規(guī)律。計(jì)算域?yàn)閳A柱體形，計(jì)算域半徑Ra=4 m、螺旋槳盤(pán)面處前長(zhǎng)度Lf=4 m、螺旋槳盤(pán)面處后長(zhǎng)度Lr=6 m。內(nèi)部計(jì)算域定義了函數(shù)Function{start size 12，growth size 1.4，size limit 20}進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為611 000 個(gè)（如圖1）；外部計(jì)算域網(wǎng)格總數(shù)為586 000 個(gè)（如圖2）。

在螺旋槳的敞水計(jì)算中，選用運(yùn)動(dòng)參考坐標(biāo)系MRF 模型。在進(jìn)流口設(shè)置為速度進(jìn)口條件，并設(shè)定來(lái)流的速度分量；出流口定義為質(zhì)量出口邊界；圓柱體表面設(shè)為無(wú)滑移固壁條件。計(jì)算域中的內(nèi)部計(jì)算域的流體則按MRF 模型，設(shè)置為繞軸以角速度行旋轉(zhuǎn)，角速度為5 r/s。

（1）均勻流場(chǎng)V=3.5 m/s，螺旋槳某個(gè)槳葉在0.5 R、0.7 R、0.9 R 處折斷時(shí)，其水動(dòng)力側(cè)向分力系數(shù)KFy隨旋轉(zhuǎn)角r 的變化規(guī)律，如圖3。

（2）為了研究螺旋槳水動(dòng)力的側(cè)向分力與伴流場(chǎng)的關(guān)系，定義了三種伴流場(chǎng)：w1=0.3+0.3cos( θ )、w2=0.3+0.3 cos（2θ）、w3=0.5+0.5 cos(θ)。槳葉在0.9R位置折斷，轉(zhuǎn)速為300 r/min 時(shí)，不同伴流場(chǎng)中平均速度V=3.5 m/s，其水動(dòng)力側(cè)向分力系數(shù)KFy隨旋轉(zhuǎn)角r的變化規(guī)律，如圖4。

槳葉0.9 R 處折斷時(shí)，其水動(dòng)力側(cè)向分力的變化規(guī)律：隨著折斷量的增加，螺旋槳側(cè)向力周期變化的幅值越大；螺旋槳側(cè)向力的變化頻率與伴流場(chǎng)周向變化周期無(wú)關(guān)，其變化頻率為軸頻；側(cè)向力的變化類(lèi)似正弦變化。

3.3 故障信號(hào)的數(shù)值模擬

應(yīng)用有限元計(jì)算軸系回旋振動(dòng)。軸系簡(jiǎn)化為具有集中質(zhì)量和彈性支座的連續(xù)直梁，如圖5。螺旋槳軸、尾軸、中間軸按自然分段為等截面均質(zhì)軸段元件；軸系與聯(lián)軸節(jié)（或離合器）連接處可看作剛性連接；螺旋槳簡(jiǎn)化為均質(zhì)剛性圓盤(pán)元件，其質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量作為集中參數(shù)并考慮附連水的影響；采用Schwanecke.H提出的二維振動(dòng)翼理論計(jì)算的附連水質(zhì)量Δm、附連水極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量ΔJp 和附連水徑向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量ΔJd；螺旋槳視為集中質(zhì)量，并取其中心為結(jié)點(diǎn)，假定全部質(zhì)量作用于該結(jié)點(diǎn)上；徑向支承軸承只與回旋振動(dòng)有關(guān)，取軸承的支承中心為結(jié)點(diǎn)，支承剛度為K，軸承按彈性鉸支處理；軸系尾端為自由端，軸系首端作固定端處理。

3.3.1 螺旋槳槳葉折斷量對(duì)軸系回旋振動(dòng)信號(hào)的影響

螺旋槳在轉(zhuǎn)速為300 r/min，槳葉分別在0.9R、0.8R、0.7R、0.6R 和0.5R 處折斷，在不同載荷作用下，分別計(jì)算其回旋振動(dòng)橫向位移Uy 與時(shí)間T 的響應(yīng)曲線(xiàn)。在離心力載荷作用時(shí)，其響應(yīng)曲線(xiàn)如圖6；在水動(dòng)力載荷作用時(shí)，其響應(yīng)曲線(xiàn)如圖7；在離心力和水動(dòng)力載荷共同作用時(shí)，其響應(yīng)曲線(xiàn)如圖8。

計(jì)算結(jié)果表明：螺旋槳槳葉折斷量越大，軸系回旋振動(dòng)的橫向位移幅值也越大；軸系回旋振動(dòng)的橫向位移幅值Uy 呈周期性變化，變化周期等于螺旋槳旋轉(zhuǎn)周期；離心力作用下的軸系回旋振動(dòng)橫向位移幅值明顯大于水動(dòng)力作用下的幅值。

3.3.2 螺旋槳轉(zhuǎn)速對(duì)軸系回旋振動(dòng)信號(hào)的影響

槳葉在0.9R 處折斷，螺旋槳轉(zhuǎn)速分別取為200 r/min、250 r/min、300 r/min，分別計(jì)算其回旋振動(dòng)橫向位移Uy 與時(shí)間T 的響應(yīng)曲線(xiàn)。在離心力載荷作用時(shí)，其響應(yīng)曲線(xiàn)如圖9；在水動(dòng)力載荷作用時(shí)，其響應(yīng)曲線(xiàn)如圖10；在離心力和水動(dòng)力載荷共同作用時(shí)，其響應(yīng)曲線(xiàn)如圖11。

計(jì)算結(jié)果表明：螺旋槳轉(zhuǎn)速越大，軸系回旋振動(dòng)的橫向位移幅值也越大；軸系回旋振動(dòng)的橫向位移幅值Uy 呈周期性變化，變化周期等于螺旋槳旋轉(zhuǎn)周期；離心力作用下的軸系回旋振動(dòng)橫向位移幅值明顯大于水動(dòng)力載荷作用下的幅值。

3.3.3 螺旋槳工作伴流場(chǎng)對(duì)軸系回旋振動(dòng)信號(hào)的影響

槳葉在0.9R 處折斷，螺旋槳工作伴流場(chǎng)分別為w1、w2、w3，在不同載荷作用下，分別計(jì)算其回旋振動(dòng)橫向位移Uy 與時(shí)間T 的響應(yīng)曲線(xiàn)。在水動(dòng)力載荷作用時(shí)，其響應(yīng)曲線(xiàn)如圖12。

計(jì)算結(jié)果表明：伴流場(chǎng)不均勻度越大，軸系回旋振動(dòng)的橫向位移幅值也越大；軸系回旋振動(dòng)的橫向位移幅值Uy 呈周期變化，變化周期等于螺旋槳旋轉(zhuǎn)周期。

4 軸系回旋振動(dòng)信號(hào)處理及特征分析

4.1 槳葉折斷量對(duì)軸系回旋振動(dòng)的特征分析

槳葉分別在0.9R、0.8R、0.7R、0.6R、0.5R 位置折斷，在螺旋槳轉(zhuǎn)速為300 r/min 時(shí)，對(duì)不同載荷作用下的軸系回旋振動(dòng)的位移時(shí)間歷程曲線(xiàn)進(jìn)行FFT 變換，得到頻譜曲線(xiàn)。在離心力載荷作用時(shí)，其頻譜曲線(xiàn)如圖13；在水動(dòng)力載荷作用時(shí)，其頻譜曲線(xiàn)如圖14；在離心力和水動(dòng)力載荷共同作用時(shí)，其頻譜曲線(xiàn)如圖15。

對(duì)其頻譜圖進(jìn)行分析可以得出：軸系回旋振動(dòng)的頻率與軸的轉(zhuǎn)頻一致；螺旋槳槳葉折斷量越大，軸系回旋振動(dòng)的橫向位移幅值也越大；在水動(dòng)力作用下，軸系回旋振動(dòng)的橫向位移峰值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)頻及2倍頻處，具有不對(duì)中的特點(diǎn)；離心力對(duì)回旋振動(dòng)的橫向位移的影響明顯大于水動(dòng)力的作用。

4.2 轉(zhuǎn)速對(duì)軸系回旋振動(dòng)的特征分析

槳葉在0.9R 位置折斷，轉(zhuǎn)速分別為200 r/min、250 r/min、300 r/min 時(shí)，對(duì)不同載荷作用下的軸系回旋振動(dòng)位移時(shí)間歷程曲線(xiàn)進(jìn)行FFT 變換，得到頻譜曲線(xiàn)。在離心力載荷作用時(shí)，其頻譜曲線(xiàn)如圖16；在水動(dòng)力載荷作用時(shí)，其頻譜曲線(xiàn)如圖17；在離心力和水動(dòng)力載荷共同作用時(shí)，其頻譜曲線(xiàn)如圖18。

對(duì)其頻譜圖分析可以得出：軸系回旋振動(dòng)的頻率與軸的轉(zhuǎn)頻一致；轉(zhuǎn)速越大，軸系回旋振動(dòng)的橫向位移幅度也越大；在水動(dòng)力作用下，回旋振動(dòng)橫向位移峰值出現(xiàn)在軸的轉(zhuǎn)頻及其2 倍頻處，具有不對(duì)中的特點(diǎn)；離心力對(duì)回旋振動(dòng)的橫向位移影響明顯大于水動(dòng)力的作用。

4.3 伴流場(chǎng)對(duì)軸系回旋振動(dòng)的特征分析

槳葉在0.9R 位置折斷，轉(zhuǎn)速為300 r/min 時(shí)，不同伴流場(chǎng)w1、w2、w3，w1、w3伴流場(chǎng)的周向變化周期為2π；w2伴流場(chǎng)為π；平均伴流w1=w2=0.3、w3=0.5 中，對(duì)水動(dòng)力作用下軸系回旋振動(dòng)的位移時(shí)間歷程曲線(xiàn)進(jìn)行FFT 變換，得到頻譜曲線(xiàn)，如圖19。

對(duì)其頻譜圖進(jìn)行分析可以得出：軸系回旋振動(dòng)頻率與軸的轉(zhuǎn)頻一致；在水動(dòng)力作用下，軸系回旋振動(dòng)的橫向位移峰值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)頻及2 倍頻處，流場(chǎng)的不均勻度對(duì)最大峰值影響不大，但次峰值受影響較大，伴流場(chǎng)越不均勻，次峰幅越大；在非均勻流場(chǎng)中，回旋振動(dòng)具有不對(duì)中的特點(diǎn)，伴流場(chǎng)不均勻程度越大，不對(duì)中越明顯；w2伴流場(chǎng)的周向變化周期為π，屬于對(duì)稱(chēng)流場(chǎng)，回旋振動(dòng)未出現(xiàn)不對(duì)中現(xiàn)象。

5 故障診斷方法

螺旋槳槳葉折斷故障發(fā)生后，軸系回旋振動(dòng)的時(shí)域波形和頻譜的典型曲線(xiàn)特征：

（1）振動(dòng)信號(hào)的原始時(shí)間波形為正弦波；

（2）振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖中，其轉(zhuǎn)頻成分占的比例很大，倍頻程成分所占的比例相對(duì)很??；

（3）回旋振動(dòng)的振幅隨轉(zhuǎn)速的增加而上升，隨螺旋槳槳葉折斷增大而變大；

（4）在非均勻流中，回旋振動(dòng)呈現(xiàn)軸不對(duì)稱(chēng)性。

螺旋槳和軸系組成的系統(tǒng)，其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)與轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)十分相似。螺旋槳槳葉折斷導(dǎo)致軸系振動(dòng)故障，具有典型的不平衡特點(diǎn)，其不平衡載荷由離心力和水動(dòng)力側(cè)向分力組成，其中離心力的影響最大。此外，由于伴流的不均勻，水動(dòng)力側(cè)向分力的大小隨著旋轉(zhuǎn)角而變化，與軸線(xiàn)不對(duì)中具有輕微偏心的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致螺旋槳槳葉折斷后軸系振動(dòng)也出現(xiàn)輕微的不對(duì)中特征。

螺旋槳槳葉折斷導(dǎo)致軸系振動(dòng)的診斷依據(jù)，見(jiàn)表1 和表2。

表1 槳葉折斷引起軸系回旋振動(dòng)特征

表2 槳葉折斷引起軸系回旋振動(dòng)敏感情況參數(shù)

5 結(jié)論

采用數(shù)值模擬獲得軸系振動(dòng)時(shí)域波形及頻譜圖；提出了螺旋槳槳葉折斷導(dǎo)致軸系振動(dòng)故障診斷技術(shù)，對(duì)進(jìn)一步的試驗(yàn)研究和實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)作用。

本文獲得了上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題資助（編號(hào)1605），特此致謝！