用于诊断验证的船舶主推进装置振动信号模拟方法

摘要

本发明涉及一种用于诊断验证的船舶主推进装置振动信号模拟方法，将主机缸盖振动信号看作由排气阀关闭后振动信号V

说明书

技术领域

本发明属于设备振动模拟信号技术领域，具体涉及一种用于诊断验证的船舶主推进装置振动信号模拟方法。

背景技术

船舶机舱是船舶的心脏，机舱内设备提供了船舶航行所需持续动力。而船舶机舱的核心就是船舶主推进装置，主推进装置包括船舶主机、齿轮箱以及轴系。主机是船舶的动力源，船舶离开了主机就无法运行；轴系是将船舶主机产生的动力传递给螺旋桨，进而使船舶运行；而齿轮箱是船舶主机和轴系之间的传动设备，保证船舶主机和轴系之间稳定运行，以及控制船舶的行进速度。船舶主推进装置结构复杂，工况多变，且工作环境恶劣，在运行过程中极易出现故障问题。因振动信息量丰富，且布置传感器便利，基于振动法的船舶装置故障诊断技术应用越来越受到主推进装置生产厂家、船厂和船东的广泛关注，然而开展其状态监测诊断技术研究需要对各设备工作状态不同类型数据进行长期和持续采集，必要时还需进行故障模拟试验，以获取大量的数据，支撑故障诊断与预测。然而开展上述设备不同状态正常和故障数据的采集需要在船上布置传感和测试设备，且连续跟踪采集，存在数据样本获取耗费时间较长，费用较高，采集便利性较差等问题。此外，确定其诊断方法还需对船舶主推进装置进行相关的故障模拟试验，获取难度大，且在开展船舶主推进装置振动诊断模块开发与过程缺少船舶主推进装置需要大量数据验证。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的实机信号难以采集、信号样本不足、故障模拟实验难以进行的问题，提供一种用于诊断验证的船舶主推进装置振动信号模拟方法，提供用于诊断模块验证的船舶主推进装置振动模拟信号，能够在缺少大量实机数据的条件下，利用模拟出的船舶主推进装置振动信号，进行相关特征参数算法的提取验证以及故障诊断模型的开发，不仅可以缩短主推进装置故障诊断模型的开发周期、减小测试成本费用，还可以不受时间和空间等条件限制的解决其诊断模块验证问题，对于船舶主推进装置的故障诊断以及维修决策具有重大意义。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种用于诊断验证的船舶主推进装置振动信号模拟方法，包括对主机缸盖振动信号的模拟、对齿轮箱振动信号的模拟、对轴系振动信号的模拟；其中，

(1)对主机缸盖振动信号的模拟：将主机缸盖振动信号看作由排气阀关闭后振动信号V

V＝V

(2)对齿轮箱振动信号的模拟：将齿轮箱振动信号看作由齿轮箱旋转振动信号B

B＝B

(3)对轴系振动信号的模拟包括：

(3.1)对轴系扭转振动信号的模拟：轴系扭转振动信号由方波信号模拟，设方波信号的周期为T，通过控制方波信号的周期T达到控制轴系转速的目的，将一个工作循环的轴系转速与平均转速的差值进行积分可得到轴系扭转振动模拟信号；

(3.2)对轴系横振信号的模拟：将轴系横振信号简化为由不同幅值、相位的一倍频和二倍频组成的正弦函数，采用模拟信号形式输出；

(3.3)对轴系纵振信号的模拟：将轴系纵振信号F简化为固定频率的正弦信号和随着转速变化频率的正弦信号两部分组成。

上述方案中，排气阀关闭后振动信号V

式中，A

进气阀关闭后振动信号V

式中，A

燃烧时刻振动信号V

式中，A

上述方案中，将所述主机缸盖振动模拟信号V作为标准的主机缸盖振动信号，通过更改各振动过程的幅值、频率和时间实现对主机缸盖振动异常信号的模拟，包括：

模拟排气阀漏气：通过降低V

模拟柴油机燃烧室内燃油早燃：通过提高V

模拟柴油机燃烧室内燃油后燃：通过降低V

模拟柴油机燃烧室失火：通过将V

模拟气阀间隙异常：通过降低V

上述方案中，齿轮箱旋转振动信号B

B

式中，C

齿轮箱啮合振动信号B

B

式中，C

上述方案中，将所述齿轮箱振动模拟信号B作为标准的齿轮箱振动信号，通过更改齿轮箱振动过程中的旋转振动及啮合振动的幅值和频率实现对齿轮箱振动异常信号的模拟，包括：

模拟齿轮箱断齿：通过增大齿轮箱旋转振动信号B

模拟齿面磨损过大：通过齿轮箱旋转振动信号B

上述方案中，对轴系扭转振动异常信号的模拟，包括：

通过增大方波信号周期T，模拟轴系转动滞后故障；

通过缩短方波信号周期T，模拟轴系转动滞后故障。

上述方案中，轴系横振信号用下述公式表示：

水平方向：x＝D

垂直方向：y＝E

式中，x表示水平方向的振动信号，D

上述方案中，对轴系横振异常信号的模拟，包括：

模拟椭圆形轴心轨迹：通过将D

模拟香蕉形轴心轨迹：通过将D

模拟外8字轴心轨迹：通过将β

模拟内8字轴心轨迹：通过将D

模拟梅花形轴心轨迹：通过将水平方向的振动幅值D

上述方案中，轴系纵振信号F用下述公式表示：

F＝L

式中，L

上述方案中，对轴系纵振异常信号的模拟，包括：

通过将幅值L

通过将L

本发明的有益效果在于：

1、本发明方法可获取船舶主机、齿轮箱和轴系正常和不同故障类型的振动数据，数据源丰富，形成振动样本数据库，有利于振动监测诊断模块的功能验证。

2、采用本发明方法模拟船舶主推进装置振动信号，不需要启动船舶主机及其他动力系设备，也无需开展故障模拟试验，研发周期、成本低，节约能源，环保等。

3、采用本发明方法模拟的标准振动信号是从特征角度出发模拟的，且用确定的函数表达，所以模拟出的信号具有反映实际信号的特征，它不会受到其他因素影响而产生不可预见的结果。该标准信号可得到诊断模块特征参数一致性高，消除其他因素影响，验证和考核性强。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是船舶主推进装置组成及其振动模拟信号分布图；

图2是主机缸盖振动模拟信号及其特征示意图；

图3是齿轮箱振动模拟信号及其特征示意图；

图4是轴系扭转振动模拟信号及其特征示意图；

图5是轴系横振模拟信号及其轴心轨迹特征示意图；

图6是轴系纵振模拟信号及其特征示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，为本发明所模拟的船舶主推进装置结构，由船用主机、齿轮箱和轴系组成，图1中标记为所模拟的主推进装置振动信号产生处，并注明了各振动信号的名称，通过①信号将②信号截取形成完整周期缸盖振动信号，通过①信号将③信号截取形成完整周期齿轮箱振动信号，通过⑤信号将④信号截取形成完整周期轴系扭振信号，通过⑤信号将⑥信号截取形成完整周期轴系横振信号，通过⑤信号将⑦信号截取形成完整周期轴系纵振信号。

本发明提出一种用于诊断验证的船舶主推进装置振动信号模拟方法，包括对主机缸盖振动信号的模拟、对齿轮箱振动信号的模拟、对轴系振动信号(包括轴系扭振信号、轴系横振信号、轴系纵振信号)的模拟。其中，

(1)对主机缸盖振动信号的模拟：

如图2所示，为主机缸盖振动模拟信号，缸盖振动信号受到缸内做功的影响，缸盖振动与缸内燃烧过程具有密切关系，缸内燃烧总体上可以划分为进气阀关闭时刻、排气阀关闭时刻和着火阶段三部分，因此缸盖振动信号可看作由排气阀关闭后振动、进气阀关闭后振动和燃烧时刻振动三部分组成，通过上述三部分振动之间的时间间隔模拟实机做功过程的时间变化。排气阀关闭后振动信号V

排气阀关闭后缸盖振有较大幅度高频率的振动，所以可以由频率较高，振幅较大的正弦信号模拟排气阀关闭后缸盖的振动，排气阀关闭后振动信号V

式中，A

排气阀关闭后经过一段时间进气阀关闭，进气阀关闭后缸盖的振动频率和幅值较大于排气阀关闭后缸盖的振动频率和幅值。所以可由频率较高、振幅较大的正弦信号模拟进气阀关闭后的缸盖振动，进气阀关闭后振动信号V

式中，A

进气阀关闭后经过一段时间缸内开始燃烧，气体燃烧产生的能量集中在低频区域，同时振动幅度也较小于进排气阀关闭，所以可由低频率、低振幅的正弦信号模拟缸内燃烧时的缸盖振动，燃烧时刻振动信号V

式中，A

将这三个阶段的缸盖振动信号组合到一起就形成了一个完整周期的缸盖振动信号。因此，主机缸盖振动模拟信号V表示为：

V＝V

将上述主机缸盖振动模拟信号V作为标准的主机缸盖振动信号，通过更改各振动过程的幅值、频率和时间实现对主机缸盖振动异常信号的模拟，包括：

1)模拟排气阀漏气：排气阀漏气会导致排气振动提前，振动幅值和振动频率减低。可通过降低V

2)模拟柴油机燃烧室内燃油早燃：柴油机燃烧室内燃油早燃会导致燃烧提前、气缸内压力升高率过大，工作粗暴。可通过提高V

3)模拟柴油机燃烧室内燃油后燃：柴油机燃烧室内燃油后燃会导致燃烧滞后、燃烧不充分。可通过降低V

4)模拟柴油机燃烧室失火：柴油机燃烧室失火会导致缸内燃烧现象消失。可通过将V

5)模拟气阀间隙异常：气阀间隙异常会导致柴油机进排气过程异常，缸内燃烧漏气等现象。可通过降低V

利用本发明方法模拟出了标准信号和相关的故障信号，就可进行主机缸盖振动特征参数的提取以及故障诊断模型的搭建。

(2)对齿轮箱振动信号的模拟：

如图3所示，为齿轮箱振动模拟信号，由齿轮箱振动主频、啮合频率和边频带组成。主频振动是受到轴系和主机转动的影响，啮合频率是由于齿轮箱内部齿轮传动过程中齿轮与齿轮间相互咬合所产生，边频带是由于啮合频率受到主频的影响所产生。所以齿轮箱的振动是啮合转动和旋转运动互相影响导致。可将齿轮箱振动信号看作由齿轮箱旋转振动信号B

齿轮箱旋转振动与齿轮转速相关，可由振幅为80g，频率10Hz的余弦信号模拟，齿轮箱旋转振动信号B

B

式中，C

齿轮箱啮合振动的频率与旋转频率和拟合齿数相关，可设齿轮齿数为60，则啮合振动可由幅值为80g，频率为600Hz的正弦信号模拟，齿轮箱啮合振动信号B

B

式中，C

则齿轮箱振动模拟信号B表示为：

B＝B

将上述齿轮箱振动模拟信号B作为标准的齿轮箱振动信号，通过更改齿轮箱振动过程中的旋转振动及啮合振动的幅值和频率实现对齿轮箱振动异常信号的模拟，包括：

1)模拟齿轮箱断齿：当齿轮箱出现断齿现象时会导致齿轮箱振动加剧，拟合振动异常。可通过增大齿轮箱旋转振动信号B

2)模拟齿面磨损过大：当齿轮箱齿面磨损过大时会导致故障齿轮在啮合频率处冲击较大。通过齿轮箱旋转振动信号B

利用本发明方法模拟出了标准信号和相关的故障信号，就可进行齿轮箱振动特征参数的提取以及故障诊断模型的搭建。

(3)对轴系振动信号的模拟包括：

(3.1)对轴系扭转振动信号的模拟：

如图4所示，为轴系扭转振动模拟信号，可由方波信号模拟，设方波信号的周期为T，则高电平持续时间为H＝50％*T，即齿尖持续的时间；低电平幅值为0，持续时间为L＝T-H，即齿根持续时间，两者相加即为齿轮转过时间。通过控制方波信号的周期T即可达到控制轴系转速的目的，缩短周期T可模拟转速增大现象，增大周期T可模拟转速降低现象。

根据此原理，增大周期T可模拟转动滞后故障、缩短周期T可模拟转动超前故障。将一个工作循环的轴系转速与平均转速的差值进行积分可得到轴系扭转振动模拟信号。

通过本发明方法模拟出了标准信号和相关的故障信号，就可进行轴系扭振特征参数的提取以及故障诊断模型的搭建。

(3.2)对轴系横振信号的模拟：

如图5所示，为轴系横振模拟信号构成的故障轴心轨迹信号，由两个相互垂直方向的横向振动组成，反映了轴系横向振动的规律。轴系横向振动主要受到轴系转速的影响，并在一倍频和二倍频处表现明显。可将轴系横向振动信号简化为由不同幅值、相位的一倍频(如10Hz)和二倍频组成的正弦函数，采用模拟信号形式输出，轴系横振信号用下述公式表示：

水平方向：x＝D

垂直方向：y＝E

式中，x表示水平方向的振动信号，D

不同的轴心轨迹反应着不同的故障情况，常见的故障轴心轨迹有椭圆形、香蕉形、外8字、内8字以及梅花形。根据此原理，对轴系横振异常信号的模拟，包括：

1)模拟椭圆形轴心轨迹：通过将D

模拟香蕉形轴心轨迹：通过将D

2)模拟外8字轴心轨迹：通过将β

3)模拟内8字轴心轨迹：通过将D

4)模拟梅花形轴心轨迹：通过将水平方向的振动幅值D

通过本发明方法模拟出了标准信号和相关的故障信号，就可进行轴心轨迹特征参数的提取以及故障诊断模型的搭建。

(3.3)对轴系纵振信号的模拟：

如图6所示，为轴系纵振模拟信号，低速时主要由转频构成，当转速较高时由转频以及和转速相关的频率成分组成。这是由于轴系纵振受到的外力主要是气缸内的气体压力和往复运动部件产生的惯性力，这两种外力导致了轴系的纵向振动，由此进行轴心纵振信号的模拟。将轴系纵向振动简化为固定频率的正弦信号(如10Hz)和随着转速变化频率的正弦信号两部分组成，轴系纵振信号F用下述公式表示：

F＝L

式中，L

根据此原理，对轴系纵振异常信号的模拟，包括：

1)通过将幅值L

2)通过将L

模拟出了标准信号和相关的故障信号，就可进行轴系纵振特征参数的提取以及故障诊断模型的搭建。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。