王 琳，徐曉通，葛傳寶，馮 飛，劉長(zhǎng)利

（1.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031；2.華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237）

0 引言

本文通過開展船用機(jī)電設(shè)備在海洋環(huán)境條件下承受的關(guān)鍵環(huán)境應(yīng)力分析與研究，搜集設(shè)備振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，形成船用機(jī)電設(shè)備全壽命期振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力剖面，填補(bǔ)我國(guó)在此領(lǐng)域的空白，為以后開展我國(guó)船用機(jī)電設(shè)備全壽命期環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)技術(shù)的相關(guān)研究打下基礎(chǔ)，從而彌補(bǔ)設(shè)備傳統(tǒng)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的不足，解決船用機(jī)電設(shè)備全壽命期的環(huán)境適應(yīng)性問題。這將對(duì)我國(guó)海軍裝備全壽命期的環(huán)境適應(yīng)性和耐環(huán)境能力的改進(jìn)具有巨大的推動(dòng)作用，確保船用機(jī)電設(shè)備在整個(gè)服役期內(nèi)的戰(zhàn)備完好性和完成任務(wù)的成功性。本文將以電控箱和閥門作為機(jī)電的船用設(shè)備進(jìn)行研究。

1 船用機(jī)電設(shè)備環(huán)境應(yīng)力分析

1.1 環(huán)境應(yīng)力種類

船用的機(jī)電設(shè)備是船用相當(dāng)重要的組成部分，在運(yùn)行的過程中一旦出現(xiàn)故障，很有可能造成船用部分功能的喪失，甚至影響到船用的正常工作。環(huán)境因素是影響船用設(shè)備正常運(yùn)行的主要原因，因此為了保證船用上機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行，對(duì)其工作的環(huán)境條件進(jìn)行了調(diào)查，大致有以下幾種：氣候環(huán)境，如溫度、濕度、氣壓、輻射、風(fēng)、浪、鹽霧和霉菌等；機(jī)械環(huán)境，如沖擊、振動(dòng)、搖擺、離心、碰撞和疲勞等[1]。

1.2 振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力影響

環(huán)境應(yīng)力的種類雖多，但其對(duì)機(jī)電設(shè)備的影響程度是不同的。其中，本文取其中最重要、影響最大的環(huán)境因素——振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力進(jìn)行分析。船用上的振動(dòng)主要是由自然環(huán)境（海浪、風(fēng)）激勵(lì)和強(qiáng)迫激勵(lì)（螺旋槳軸轉(zhuǎn)速、往復(fù)機(jī)械和其他裝備的運(yùn)行）引起的。綜合考慮下，船用上設(shè)備工作環(huán)境的振動(dòng)條件，可按頻率1 Hz～16 Hz，振幅±1 mm；頻率16 Hz～60 Hz，加速度不小于7 m/s2來要求。上限頻率視主機(jī)推進(jìn)轉(zhuǎn)速和螺旋槳葉片數(shù)而定。振動(dòng)除了能引起船用設(shè)備的疲勞破壞，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的最大危害是能引起共振現(xiàn)象。由于大多數(shù)設(shè)備的阻尼都很小，當(dāng)振動(dòng)源的頻率在設(shè)備的共振頻率附近時(shí)，會(huì)引起設(shè)備的很大響應(yīng)，造成設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件的松脫，接線振斷，甚至有短路現(xiàn)象，使設(shè)備無法正常運(yùn)行[2]。

2 機(jī)電設(shè)備振動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

2.1 振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力數(shù)據(jù)的預(yù)處理

工程師在船用上所采集的各種設(shè)備的環(huán)境應(yīng)力數(shù)據(jù)并不能直接用于統(tǒng)計(jì)分析。在對(duì)振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

針對(duì)搜集機(jī)電船用機(jī)電設(shè)備的海洋環(huán)境條件下的振動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的預(yù)處理：將數(shù)據(jù)中錯(cuò)誤的值和奇異值進(jìn)行刪減和修正。考慮到振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力原始數(shù)據(jù)量巨大，簡(jiǎn)單剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)缺失，為此采用分段處理的辦法：用UEStudio分析文件，逐個(gè)讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分割成txt文件，對(duì)于每個(gè)txt文件逐行閱讀，判斷格式是否為YY-MM-DD HH-MM-SS 或P-xxx.xx R-xxx.xx，若是，便將該行寫入一個(gè)新的txt文件；否則不寫入。根據(jù)不同環(huán)境應(yīng)力數(shù)據(jù)特征，針對(duì)保存的每個(gè)txt文件進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，通過編制軟件比對(duì)相鄰點(diǎn)之間值的差異。有些參數(shù)如果數(shù)據(jù)變化不大，進(jìn)行下一條檢測(cè)；如果差異太大，考慮應(yīng)力數(shù)據(jù)特性，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鑒定，談后采取保留、刪減或是修正措施[2]。

2.2 振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)分析

在3個(gè)機(jī)電設(shè)備的周圍環(huán)境中各取3個(gè)點(diǎn)（共9個(gè)點(diǎn)）所測(cè)量的9組振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理之后，還要進(jìn)行進(jìn)一步的歸納處理，才能用于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。將處理之后的環(huán)境應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并進(jìn)一步獲取數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖來展現(xiàn)船用機(jī)電設(shè)備在一定的時(shí)間內(nèi)所承受環(huán)境應(yīng)力數(shù)值和比例。

采用50通道的振動(dòng)應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)，錄取了各個(gè)機(jī)電設(shè)備50個(gè)圖譜。在經(jīng)過預(yù)處理之后，還要進(jìn)行以下幾步數(shù)據(jù)處理。

1）數(shù)據(jù)編輯的再度確認(rèn)。裝備動(dòng)力學(xué)環(huán)境中的動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)具有隨機(jī)性且具有周期性，某些劇烈或瞬變激勵(lì)可能導(dǎo)致奇異數(shù)據(jù)。運(yùn)用隨機(jī)性檢驗(yàn)對(duì)實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯確認(rèn)，確定實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分布形式及敏感應(yīng)力，剔除奇異數(shù)據(jù)。

2）平穩(wěn)性檢驗(yàn)。不同狀態(tài)下測(cè)量獲得的振動(dòng)數(shù)據(jù)是一個(gè)非平穩(wěn)隨機(jī)序列，但在某個(gè)特定狀態(tài)下或較短時(shí)段又具有平穩(wěn)性。采用輪次法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性進(jìn)行檢驗(yàn)[3]。

3）周期性檢驗(yàn)。根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的周期性是否存在著衰減以及衰減的快慢估計(jì)信號(hào)帶寬，檢驗(yàn)隨機(jī)信號(hào)是寬帶還是窄帶信號(hào)[4]。如隨機(jī)信號(hào)中包含周期成份，則自相關(guān)函數(shù)中包含不隨時(shí)間衰減的周期性成份，反之亦然。隨機(jī)信號(hào)x(t)的均方值是其自相關(guān)函數(shù)在t1=t2=t3時(shí)的特例。

4）正態(tài)性檢驗(yàn)。對(duì)于存在弱干擾的隨機(jī)信號(hào)，為了工程上處理的方便，將干擾近似為正態(tài)隨機(jī)過程，采用模擬正態(tài)概率紙方法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的正態(tài)性進(jìn)行檢驗(yàn)[5]。

5）快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）譜分析。所測(cè)得的時(shí)域圖譜，通過FFT譜分析可直接得到隨機(jī)信號(hào)的頻域分布，見圖1。利用復(fù)指數(shù)函數(shù)的周期性、對(duì)稱性及中間運(yùn)算結(jié)果對(duì)任意連續(xù)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行抽樣和截?cái)啵玫狡潆x散型頻譜，該頻譜的包絡(luò)線即連續(xù)信號(hào)頻譜的估計(jì)值[6]。

圖1 頻域圖譜

6）功率譜分析。能譜反映隨機(jī)信號(hào)x(t)的能量分布，是其FFT頻譜平方的積分求和，見圖2。

圖2 功率譜

7）求功率譜密度（Power Spectral Density，PSD）圖譜。時(shí)間歷程T內(nèi)，隨機(jī)信號(hào)x(t)在某頻段內(nèi)的平均功率和單位帶寬Δf內(nèi)的平均功率即自功率譜密度函數(shù)分別為式（1）和式（2）[7]。

功率譜密度函數(shù)與自相關(guān)函數(shù)互為正、逆FFT變換，其中，x2(t)表示時(shí)間歷程x(t)的平均能量即平均功率。功率譜密度PSD圖譜見圖3。

圖3 功率譜密度

8）統(tǒng)計(jì)各次測(cè)量各通道各譜線的PSD，形成統(tǒng)計(jì)表，為之后的振動(dòng)應(yīng)力剖面的形成做基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 船用機(jī)電設(shè)備振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力剖面分析

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通常是在多通道和多個(gè)狀態(tài)下測(cè)得的，在對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分析之前，首先要對(duì)所有通道和所有狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)，獲取特征樣本。預(yù)處理和統(tǒng)計(jì)歸納分析之后得到特征樣本的隨機(jī)振動(dòng)規(guī)范[8]。本文的振動(dòng)數(shù)據(jù)歸納方法按照GJB/Z 126—99《振動(dòng)、沖擊環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)歸納方法》推薦的統(tǒng)計(jì)容差法。統(tǒng)計(jì)容差法將振動(dòng)數(shù)據(jù)歸納方法由傳統(tǒng)的極值包絡(luò)方法上升到基于統(tǒng)計(jì)概念的歸納處理方法。其方法和流程見圖4[9]。

圖4 隨機(jī)振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)歸納及剖面生成圖

測(cè)量數(shù)據(jù)有多種狀態(tài)時(shí)，應(yīng)對(duì)同一區(qū)域內(nèi)不同狀態(tài)的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)，判斷不同狀態(tài)是否屬于同一總體，歸并屬于同一總體的狀態(tài)，最終形成特征樣本。設(shè)同一數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)不同狀態(tài)下振動(dòng)數(shù)據(jù)的功率譜密度為Gk（f,s,t）(f=1,2,···,F,s=1, 2, ···,S,t=1, 2, ···,T)，F(xiàn)為數(shù)據(jù)區(qū)域數(shù)，S為狀態(tài)數(shù)，T為狀態(tài)樣本容量。

對(duì)Gk（f,s,t）進(jìn)行均方根（Root Mean Square，RMS）計(jì)算，得到RMS(f, s, t)(f=1, 2, ···,F；s=1,2, ···,S；t=1, 2, ···,T)對(duì)各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行集合判斷，將屬于同一總體的狀態(tài)進(jìn)行合并，最終形成特征樣本集G?k(f, p, q) (f=1, 2, ···,F,p=1, 2, ···,P,q=1,2, ···,Qp)，F(xiàn)為數(shù)據(jù)區(qū)域數(shù)，P為合并后的狀態(tài)數(shù)，Qp為合并后的狀態(tài)樣本容量。以特征樣本集作Gk（f,s,t）為確定振動(dòng)試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)[10]。

在船用電控箱設(shè)備中，數(shù)據(jù)通道1、通道2、通道3歸并為數(shù)據(jù)區(qū)域A，分別選取數(shù)據(jù)區(qū)域A中4種狀態(tài)振動(dòng)環(huán)境條件為：5.2×105g2/Hz、1.59×104g2/Hz、3.13×104g2/Hz和6.94×104g2/Hz。船用閥門設(shè)備，其數(shù)據(jù)通道4、5、6歸并為數(shù)據(jù)區(qū)域B，分別選取數(shù)據(jù)區(qū)域A中4種狀態(tài)振動(dòng)環(huán)境條件為：3.8×105g2/Hz、1.09×104g2/Hz、4.38×104g2/Hz和8.54×104g2/Hz；再根據(jù)船用各個(gè)航行狀態(tài)在機(jī)電設(shè)備平均任務(wù)時(shí)間內(nèi)所占的比例（任務(wù)剖面）確定各個(gè)量值的時(shí)間，編制出剖面時(shí)序表，根據(jù)剖面時(shí)序表即可繪制出振動(dòng)試驗(yàn)剖面，電控箱振動(dòng)應(yīng)力剖面見圖5，閥門振動(dòng)應(yīng)力剖面見圖6[11]。

圖5 電控箱振動(dòng)應(yīng)力剖面

圖6 閥門振動(dòng)應(yīng)力剖面

4 結(jié)論

本文首先指出了船用機(jī)電設(shè)備易受到的環(huán)境應(yīng)力作用的種類以及其影響最大的振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力對(duì)船用設(shè)備壽命的不利影響，然后展開了振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力的研究，針對(duì)所搜集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理分析，以閥門、電控箱、泵為例，根據(jù)獲取的海洋環(huán)境條件下的船用機(jī)電設(shè)備振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力PSD統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)圖，形成了不同設(shè)備的振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力剖面圖。