李春光 閻慧東 張華棟 計 方

（1. 海裝重大專項裝備項目管理中心 北京100071；2.中國艦船研究院 北京100101）

0 引 言

隨著船舶行業(yè)的不斷發(fā)展，船舶的聲學(xué)性能越來越受到人們的重視。通過數(shù)十年的研究，我國在船舶噪聲研究方面取得了顯著的進展，船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計從僅僅滿足功能需求，到如今不斷涌現(xiàn)出基于新理論、新技術(shù)的新型低噪聲設(shè)計，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的氣象。但在船舶建造過程中，受施工工藝、人員等復(fù)雜因素影響，會產(chǎn)生許多聲學(xué)質(zhì)量問題從而引起“聲學(xué)故障”。

離心泵廣泛應(yīng)用于船舶動力系統(tǒng)和船舶系統(tǒng)，主要用于輸送水、油等液體，是船舶的重要噪聲源之一，及時對船舶離心泵系統(tǒng)的聲學(xué)故障進行排查整改是保障船舶聲學(xué)性能的重要前提。關(guān)于船舶聲學(xué)故障的定義，任安民等指出，船舶服役期間因設(shè)備技術(shù)狀態(tài)變化及航行期間瞬態(tài)偶發(fā)事件，所導(dǎo)致的聲學(xué)設(shè)計指標受損以及可探測性惡化的異?，F(xiàn)象稱為船舶聲學(xué)故障。針對聲學(xué)故障，學(xué)者OMARA D等歸納出4 種類型，包括頻率變化、新增線譜、窄帶功率增加及寬帶功率增加。美國自20 世紀80年代起就關(guān)注船舶聲學(xué)故障問題，以正常工況特征頻段振級別加6 dB 作為檢測基準，對船舶設(shè)備振動噪聲異常檢測進行監(jiān)測。國內(nèi)也有部分學(xué)者開展了相關(guān)研究。關(guān)于船用離心泵，吳仁榮歸納了30 種引起系統(tǒng)異常振動噪聲的故障原因，并給出了兩類消除異常振動噪聲的方法。關(guān)于聲學(xué)故障的診斷方法，周軍偉等基于試驗研究利用鄰近算法（K-Nearest Neighbor，KNN）對水下航行器的聲學(xué)故障進行檢測識別。章林柯等采用多輸入多輸出分析方法得到噪聲源貢獻比動態(tài)曲線，實現(xiàn)對水下航行器聲學(xué)故障的預(yù)報。此外，章林柯等還針對水下航行器提出了一種基于支持向量數(shù)據(jù)描述的聲學(xué)故障嚴重程度評估方法。

以上研究表明國內(nèi)外學(xué)者在船用設(shè)備的振動噪聲狀態(tài)檢測及故障診斷方面取得了大量的研究成果。但在船舶領(lǐng)域?qū)嶋H工程中，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，以上方法難以取得理想的效果，且公開資料顯示我國對于船舶聲學(xué)故障的檢測是針對船舶總體進行的，缺少對于具體機械系統(tǒng)的診斷方法。因此，本文針對船舶廣泛應(yīng)用的離心泵系統(tǒng)，緊密結(jié)合實船測試數(shù)據(jù)，提出一種基于正態(tài)分布區(qū)間估計原理的閾值提取方法，并通過試驗驗證表明該方法所提取的閾值可滿足工程使用需求。

1 建造階段離心泵系統(tǒng)振動加速度總級離散度分析

在船舶總裝建造階段，減振降噪措施與系統(tǒng)、設(shè)備施工同步進行，由于設(shè)備建造差異、施工工藝等復(fù)雜因素的影響會導(dǎo)致設(shè)備在建造階段聲學(xué)性能產(chǎn)生較大的離散度。結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行分析（如下頁圖1 所示），其中測試1、測試2 為1 號船的2 個不同建造階段4 型離心泵系統(tǒng)的測試結(jié)果，測試3、測試4 為2 號船的2 個不同建造階段4 型離心泵系統(tǒng)的測試結(jié)果。

以圖1（b）為例進行分析。圖中給出了1 號船及2 號船的4 型不同型號離心泵在2 個不同建造階段的基座振級實測結(jié)果。由圖可知，同一型離心泵在不同建造階段或在不同船舶都出現(xiàn)較大差異。其中離心泵1 在1 號船2 個不同階段的基座振級測試結(jié)果極差為10 dB，且4 型離心泵在同一條船（1 號船）的基座測試結(jié)果也呈現(xiàn)較大的離散度，極差為18 dB。由于篇幅限制，本文只給出了基座振級測試結(jié)果。經(jīng)筆者分析，離心泵系統(tǒng)機腳振級、進出口撓性接管徑向及軸向振級在不同建造階段下極差均超過6 dB。

圖1 建造現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析（10~8 000 Hz）

根據(jù)以上分析結(jié)果，可以將建造階段離心泵系統(tǒng)聲學(xué)特性離散度概括為兩個方面：一是設(shè)備在不同邊界條件下產(chǎn)生的離散度；二是設(shè)備在不同建造階段產(chǎn)生的離散度。以上振動離散度在現(xiàn)有技術(shù)條件下難以避免，但給建造現(xiàn)場聲學(xué)質(zhì)量評估帶來困難。通常可根據(jù)專家經(jīng)驗對異常振動進行排查，因此亟需在離散度分析的基礎(chǔ)上，提取離心泵系統(tǒng)建造階段聲學(xué)質(zhì)量評估閾值，結(jié)合各測點信息綜合判別并進行聲學(xué)故障診斷。

2 基于正態(tài)分布的船舶離心泵系統(tǒng)聲學(xué)故障閾值提取

根據(jù)工程經(jīng)驗及實測數(shù)據(jù)分析，船舶結(jié)構(gòu)振動測點的頻帶能量總級服從或近似服從獨立正態(tài)分布，因此本文第1 章所研究的4 型離心泵系統(tǒng)振動測點頻帶能量總級分別服從正態(tài)分布，其標準差及數(shù)學(xué)期望需根據(jù)實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算，為不同型號設(shè)備進行歸一化處理，消除設(shè)備差異。本文提出一種基于振動偏離值的統(tǒng)計方法，具體分析過程如下。

由于（0，）+～（，），即服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)同時加一個常數(shù)，仍然服從正態(tài)分布。因此，假設(shè)將測點測試數(shù)據(jù)減去基準值得到的偏差服從正態(tài)分布，基準值計算公式見式（1）；又由于偏差為正偏差與負偏差的概率相同，因此進一步假設(shè)振動偏差值服從期望為0的正態(tài)分布。

圖2 頻帶能量總級偏差值統(tǒng)計結(jié)果

機腳振動測點偏差值統(tǒng)計結(jié)果與期望為0、標準差為4的正態(tài)分布概率密度曲線（式2）基本吻合，因此驗證了以上假設(shè)的合理性。

式中：為振動測點頻帶能量總級偏差值，dB；為標準差；為數(shù)學(xué)期望或稱均值。

以上統(tǒng)計分析驗證了本文提出的振動測點頻帶能量總級偏差值服從期望為0的正態(tài)分布。根據(jù)正態(tài)分布區(qū)間估計3原則，數(shù)據(jù)分布在（-，+）中的概率為0.682 7；分布在（-2，+2）中的概率為0.954 4；分布在（-3，+3）中的概率為0.997 4。通常認為發(fā)生概率小于5%的事件為“小概率事件”，可認為在一次試驗中該事件幾乎不可能發(fā)生；而數(shù)據(jù)分布在（-3，+3）以外的概率小于0.3%，在實際工程中認為相應(yīng)的事件不會發(fā)生。因此可將+設(shè)置為預(yù)警值，將+2設(shè)置為報警值。其中為數(shù)學(xué)期望或稱均值；為標準差，計算公式見式（3）。

上述分析給出了數(shù)據(jù)預(yù)處理方法及振動閾值計算方法，具體步驟如下：

（1）獲取振動測點測試數(shù)據(jù)，計算10~315 Hz、315~8 000 Hz頻帶總級；

（2）利用公式（1）計算各測點基準值；

（3）計算各測點與均值的偏離值ΔL；

（5）利用公式（3）計算標準差；

（6）+為預(yù)警閾值，+2為報警閾值。

按以上計算步驟對建造現(xiàn)場某型離心泵8個測試部位相應(yīng)的362個偏離值樣本進行統(tǒng)計分析，得到該型離心泵各測點振動閾值，如下頁表1所示。該閾值反映了振動信號正常波動范圍上限，當波動值超出該閾值時，認為發(fā)生異常振動。如下頁圖3所示，給出了偏離值樣本與預(yù)警值及報警值的關(guān)系，可見未發(fā)生聲學(xué)故障時偏離值均在報警閾值限制線內(nèi)，部分樣本數(shù)據(jù)超過預(yù)警閾值限制線，這是由于隨機噪聲及偶發(fā)噪聲的影響。理想狀態(tài)下當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，偏離值均不超過閾值。但在實際統(tǒng)計過程中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下仍有24個偏離值樣本產(chǎn)生預(yù)警信號，2個偏離值樣本產(chǎn)生報警信號。經(jīng)計算偏離值樣本處于預(yù)警值區(qū)間內(nèi)的概率為93.4%，處于報警值區(qū)間內(nèi)的概率為99.45%，因此證明了該方法計算得到的閾值可反映振動信號正常波動范圍，滿足工程需求。

圖3 機腳閾值計算結(jié)果

表1 離心泵閾值設(shè)置dB

3 離心泵系統(tǒng)典型聲學(xué)故障模擬試驗

第2章基于正態(tài)分布理論，給出了報警值及預(yù)警值的計算方法，并通過計算獲取了典型離心泵系統(tǒng)各部位振動噪聲測點閾值，該閾值排除了設(shè)備差異，對典型離心泵系統(tǒng)均適用。為了驗證該方法確定的閾值的有效性，本文通過模擬試驗對基于閾值的船舶離心泵聲學(xué)故障診斷進行研究，搭建了某離心泵系統(tǒng)試驗臺架（如圖4所示），保持系統(tǒng)在額定工況下運行。

圖4 試驗臺架

3.1 測點布置方案

低航速時，機械振動引起的結(jié)構(gòu)噪聲往往成為船舶的主要噪聲源。聲學(xué)故障檢測問題可以轉(zhuǎn)化為機械設(shè)備振動狀態(tài)監(jiān)測問題，因此本文對船舶離心泵系統(tǒng)聲學(xué)故障診斷的檢測主要利用振動信號。按照工程中振動噪聲測試測點布置原則，針對設(shè)備、撓性接管和管路支吊架等關(guān)鍵位置布置了共計18個振動測點。測點編號及對應(yīng)位置如表2所示，測點布置方案如圖5所示。

圖5 測點布置方案

表2 測點編號及對應(yīng)位置

3.2 試驗工況設(shè)置

通過對船舶建造安裝階段聲學(xué)質(zhì)量問題分析可知，建造階段聲學(xué)質(zhì)量問題中管路問題為主要問題，占比超60%。根據(jù)離心泵系統(tǒng)管路振動傳遞路徑分析及聲學(xué)質(zhì)量問題統(tǒng)計分析，結(jié)合工程經(jīng)驗設(shè)置試驗工況見下頁表3。

表3 試驗工況表

3.3 試驗過程

首先，在離心泵系統(tǒng)額定工況下運行，獲取多組非故障工況下各測點的振動數(shù)據(jù)；其次，通過將撓性接管上下剛性連接、機腳基座剛性連接等手段，人為模擬撓性接管短路、泵體與基座短路等聲學(xué)故障，獲取各故障工況下振動測點數(shù)據(jù)。

3.4 試驗結(jié)果分析

首先分析正常工況下獲取的實驗數(shù)據(jù)，圖6 給出了系統(tǒng)正常運行工況下連續(xù)獲取的4 組試驗數(shù)據(jù)。由圖可知，正常工況下系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各測點4 次測量結(jié)果基本一致，按公式（1）計算故障診斷基準值。

圖6 各測點振動加速頻譜

以工況3 為例，下頁圖7 給出了部分測點10~8 000 Hz 頻帶振動加速度頻譜圖及各測點的偏離值?？芍摴r下，局部測點振動加速度明顯惡化，測點7、測點8 在10~315 Hz 頻段范圍振動加速度總級無明顯變化；在315~8 000 Hz 頻段范圍振動加速度總級分別增加3.7 dB 和5.5 dB。因此可知進水管減振接管聲短路主要影響315~8 000 Hz 頻段振動特性，其中測點7 振動加速度級升高15.1 dB,測點8 升高13.6 dB。這是因為進水管撓性接管短路導(dǎo)致?lián)闲越庸軠p振效果失效，設(shè)備振動沿管路方向向后傳遞，因此進水管撓性接管徑向、軸向下測點（7、8）振動惡化，進口馬腳上下測點（9、10）也隨之增大。

下頁圖7（c）、（d）給出了工況3 時各測點實際偏離值與閾值關(guān)系示意圖。由圖7（d）可知：按照文本提取的閾值進行診斷， 故障工況3發(fā)生時，測點7、測點8 產(chǎn)生報警信號，測點9、測點10 產(chǎn)生預(yù)警信號。因此可根據(jù)此信息進行故障診斷，其他工況測試結(jié)果匯總見表4。

圖7 振動加速度對比圖

由表4 可知：工況1~5 主要影響315~8 000 Hz頻段范圍局部測點振動加速總級，工況6 和工況7主要影響10~315 Hz 頻段范圍系統(tǒng)整體振動加速總級。因此可通過10~315 Hz、315~8 000 Hz 頻段振動加速度總級偏差結(jié)合預(yù)警報警情況進行故障診斷。通過模擬試驗對7 個故障工況的13 組數(shù)據(jù)進行診斷，共正確診斷12 次，診斷準確率為92.3%。

表4 試驗結(jié)果匯總dB

續(xù)表4

4 結(jié) 論

本文以船舶離心泵系統(tǒng)為研究對象，通過正態(tài)分布區(qū)間估計原理對建造階段離心泵系統(tǒng)振動噪聲實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，獲取了用于聲學(xué)故障診斷的振動頻帶總級閾值。在此基礎(chǔ)上為驗證振動閾值有效性開展模擬試驗，主要結(jié)論如下：

（1）本文對8 組362 個偏離值樣本進行了正態(tài)分布統(tǒng)計分析，共獲取8 組振動閾值。經(jīng)計算，偏離值樣本處于預(yù)警值區(qū)間內(nèi)的概率為93.4%，處于報警值區(qū)間內(nèi)的概率為99.45%。通過聲學(xué)故障模擬試驗共進行了13 組總計104 個偏離值故障診斷，其中正確診斷12 次，診斷準確率為92.3%，滿足工程需求。

（2）設(shè)備的安裝邊界條件會對其聲學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。因此，為提高同一型號設(shè)備聲學(xué)性能的一致性，可對減振元器件振級落差、設(shè)備機腳振級開展基于正太分布的統(tǒng)計分析并提取診斷閾值以及為設(shè)備聲學(xué)性能的監(jiān)測提供依據(jù)。

（3）本文提出的基于振動閾值的船舶離心泵系統(tǒng)建造階段聲學(xué)故障診斷方法，可基于歷史檢測數(shù)據(jù)進行振動閾值的自動提取，降低了故障排查整改時對專業(yè)人員的依賴性，對于縮短離心泵系統(tǒng)聲學(xué)故障整改周期具有重要作用。