歐禮堅

（華南理工大學，廣州 510640）

1 引言

智能船舶是全球研究熱點，《智能船舶規(guī)范》[1]要求智能船舶關(guān)鍵設備具有自我監(jiān)測和診斷的能力。船舶螺旋槳槳葉受離心力、流體動力和水中雜物碰撞力等作用，槳葉折斷故障導致的風險水平較高，如2000 年11 月法國“戴高樂”號航空母艦首次遠洋試航便發(fā)生了螺旋槳槳葉折斷故障[2]。螺旋槳作為船舶的核心設備，對其運行狀態(tài)進行監(jiān)測，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)測系統(tǒng)實時監(jiān)測破冰船螺旋槳槳葉的方法，實現(xiàn)了破冰船螺旋槳的狀態(tài)監(jiān)測。由于激光監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、抗振性能差、光學傳感器易被污染、成本高、維護保養(yǎng)難等局限性，較難廣泛應用于普通船舶。

國內(nèi)外對無纜水下機器人 (簡稱AUV)推進器故障診斷的研究比較深入。Aaron M Hanai[5]等人根據(jù)AUV各推進器推力逼近值與實際測量值間的差值檢測推進器狀態(tài)，通過實驗驗證可行性和有效性；王彥東建立AUV 定性微分方程，推導AUV 推進器故障行為轉(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)絡方法對動力定位工作母船的主推進系統(tǒng)進行了故障診斷技術(shù)研究；Choi, Jin-Kyu[6]建立了AUV 上的作用力與推進器產(chǎn)生的推力之間的關(guān)系模型，通過比較推進器結(jié)構(gòu)矩陣的秩與推力矩陣維數(shù)之間的關(guān)系判斷推進器是否出現(xiàn)故障；Alexeyshumsky[7]通過建立AUV 的單輸出診斷觀測器模型對系統(tǒng)的殘差向量進行估計，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 則認為相應的推進器出現(xiàn)故障；王建國[8]設計了非線性滑模觀測器，將滑模觀測器引入到螺旋槳的故障診斷中, 從設計的非線性觀測器中提取故障診斷信息, 利用模糊診斷原理來分析殘差信號, 通過分析殘差序列進行故障診斷；Yan, Zhe-Ping[9]采用模糊自適應融合技術(shù)對螺旋槳進行故障診斷。從以上文獻來看，學者們主要以水下機器人作為研究對象，提出了水下機器人推進器的故障診斷方法，研究成果水平較高，解決了水下機器人推進器發(fā)生故障時的容錯性問題。從診斷手段來看，主要是通過監(jiān)測驅(qū)動螺旋槳的電機輸出的電流和電壓進行故障診斷，因此不適合應用于非電力推進的船舶。

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

2 振動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)機械系統(tǒng)，可采集軸的回旋振動信號，對信號采用時域和頻域特征分析，提取故障特征。

設備狀態(tài)監(jiān)測是故障診斷的基礎。通過各類傳感器組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提取各類設備狀態(tài)數(shù)據(jù)信號。雖然信號采集是狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的源頭，但是對于螺旋槳和軸系組成的旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)來說信號采集是比較困難的，需要花費大量的金錢和時間。為了提高研究效率，對于軸系狀態(tài)監(jiān)測環(huán)節(jié)不直接使用傳感器和信號采集系統(tǒng)進行采集，而是用軟件進行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果可以看作為傳感器所采集的信號，簡化了信號處理環(huán)節(jié)，把主要精力集中在故障產(chǎn)生的機理和故障診斷技術(shù)上。

本文建立了螺旋槳不同槳葉折斷故障軸系回旋振動的數(shù)值計算模型，獲得螺旋槳槳葉不同故障工況軸系回旋振動數(shù)值模擬信號。通過對信號處理和特征分析，提取螺旋槳槳葉折斷故障信號征兆并進行故障診斷。

3 螺旋槳槳葉折斷故障信號的數(shù)值模擬

3.1 研究對象

以SCUT 導管螺旋槳及其軸系組成的旋轉(zhuǎn)機械作為研究對象。 SCUT 導管螺旋槳為ka4-70 型，直徑2.0 m、螺距比0.9、盤面比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)動機輸出法蘭通過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軸系回旋振動作用力

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 螺旋槳水動力

螺旋槳槳葉折斷時，其軸承力將導致軸系回旋振動。為了研究方便，螺旋槳的軸承力Fy進行無因次化處理：

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 軟件對導管螺旋槳進行CFD 計算，計算不同伴流場中導管螺旋槳的水動力性能，并分析導管螺旋槳水動力性能在不同伴流場中的變化規(guī)律。計算域為圓柱體形，計算域半徑Ra=4 m、螺旋槳盤面處前長度Lf=4 m、螺旋槳盤面處后長度Lr=6 m。內(nèi)部計算域定義了函數(shù)Function{start size 12，growth size 1.4，size limit 20}進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為611 000 個（如圖1）；外部計算域網(wǎng)格總數(shù)為586 000 個（如圖2）。

在螺旋槳的敞水計算中，選用運動參考坐標系MRF 模型。在進流口設置為速度進口條件，并設定來流的速度分量；出流口定義為質(zhì)量出口邊界；圓柱體表面設為無滑移固壁條件。計算域中的內(nèi)部計算域的流體則按MRF 模型，設置為繞軸以角速度行旋轉(zhuǎn)，角速度為5 r/s。

（1）均勻流場V=3.5 m/s，螺旋槳某個槳葉在0.5 R、0.7 R、0.9 R 處折斷時，其水動力側(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力的側(cè)向分力與伴流場的關(guān)系，定義了三種伴流場：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，不同伴流場中平均速度V=3.5 m/s，其水動力側(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，其水動力側(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周向變化周期無關(guān)，其變化頻率為軸頻；側(cè)向力的變化類似正弦變化。

3.3 故障信號的數(shù)值模擬

應用有限元計算軸系回旋振動。軸系簡化為具有集中質(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；螺旋槳簡化為均質(zhì)剛性圓盤元件，其質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量作為集中參數(shù)并考慮附連水的影響；采用Schwanecke.H提出的二維振動翼理論計算的附連水質(zhì)量Δm、附連水極轉(zhuǎn)動慣量ΔJp 和附連水徑向轉(zhuǎn)動慣量ΔJd；螺旋槳視為集中質(zhì)量，并取其中心為結(jié)點，假定全部質(zhì)量作用于該結(jié)點上；徑向支承軸承只與回旋振動有關(guān)，取軸承的支承中心為結(jié)點，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軸系回旋振動信號的影響

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，分別計算其回旋振動橫向位移Uy 與時間T 的響應曲線。在離心力載荷作用時，其響應曲線如圖6；在水動力載荷作用時，其響應曲線如圖7；在離心力和水動力載荷共同作用時，其響應曲線如圖8。

計算結(jié)果表明：螺旋槳槳葉折斷量越大，軸系回旋振動的橫向位移幅值也越大；軸系回旋振動的橫向位移幅值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橫向位移幅值明顯大于水動力作用下的幅值。

3.3.2 螺旋槳轉(zhuǎn)速對軸系回旋振動信號的影響

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，分別計算其回旋振動橫向位移Uy 與時間T 的響應曲線。在離心力載荷作用時，其響應曲線如圖9；在水動力載荷作用時，其響應曲線如圖10；在離心力和水動力載荷共同作用時，其響應曲線如圖11。

計算結(jié)果表明：螺旋槳轉(zhuǎn)速越大，軸系回旋振動的橫向位移幅值也越大；軸系回旋振動的橫向位移幅值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橫向位移幅值明顯大于水動力載荷作用下的幅值。

3.3.3 螺旋槳工作伴流場對軸系回旋振動信號的影響

槳葉在0.9R 處折斷，螺旋槳工作伴流場分別為w1、w2、w3，在不同載荷作用下，分別計算其回旋振動橫向位移Uy 與時間T 的響應曲線。在水動力載荷作用時，其響應曲線如圖12。

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

4 軸系回旋振動信號處理及特征分析

4.1 槳葉折斷量對軸系回旋振動的特征分析

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，對不同載荷作用下的軸系回旋振動的位移時間歷程曲線進行FFT 變換，得到頻譜曲線。在離心力載荷作用時，其頻譜曲線如圖13；在水動力載荷作用時，其頻譜曲線如圖14；在離心力和水動力載荷共同作用時，其頻譜曲線如圖15。

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

4.2 轉(zhuǎn)速對軸系回旋振動的特征分析

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，對不同載荷作用下的軸系回旋振動位移時間歷程曲線進行FFT 變換，得到頻譜曲線。在離心力載荷作用時，其頻譜曲線如圖16；在水動力載荷作用時，其頻譜曲線如圖17；在離心力和水動力載荷共同作用時，其頻譜曲線如圖18。

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

4.3 伴流場對軸系回旋振動的特征分析

槳葉在0.9R 位置折斷，轉(zhuǎn)速為300 r/min 時，不同伴流場w1、w2、w3，w1、w3伴流場的周向變化周期為2π；w2伴流場為π；平均伴流w1=w2=0.3、w3=0.5 中，對水動力作用下軸系回旋振動的位移時間歷程曲線進行FFT 變換，得到頻譜曲線，如圖19。

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

5 故障診斷方法

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

（1）振動信號的原始時間波形為正弦波；

（2）振動信號的頻譜圖中，其轉(zhuǎn)頻成分占的比例很大，倍頻程成分所占的比例相對很小；

（3）回旋振動的振幅隨轉(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，回旋振動呈現(xiàn)軸不對稱性。

螺旋槳和軸系組成的系統(tǒng)，其旋轉(zhuǎn)運動特點與轉(zhuǎn)子運動十分相似。螺旋槳槳葉折斷導致軸系振動故障，具有典型的不平衡特點，其不平衡載荷由離心力和水動力側(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，水動力側(cè)向分力的大小隨著旋轉(zhuǎn)角而變化，與軸線不對中具有輕微偏心的特點，從而導致螺旋槳槳葉折斷后軸系振動也出現(xiàn)輕微的不對中特征。

螺旋槳槳葉折斷導致軸系振動的診斷依據(jù)，見表1 和表2。

表1 槳葉折斷引起軸系回旋振動特征

表2 槳葉折斷引起軸系回旋振動敏感情況參數(shù)

5 結(jié)論

采用數(shù)值模擬獲得軸系振動時域波形及頻譜圖；提出了螺旋槳槳葉折斷導致軸系振動故障診斷技術(shù)，對進一步的試驗研究和實踐具有一定的指導作用。

本文獲得了上海交通大學海洋工程國家重點實驗室開放課題資助（編號1605），特此致謝！