船舶推进轴系运行状态监测系统设计及实验测试

船舶推进轴系运行状态监测系统设计及实验测试

张国民，马鹏

江南造船（集团）有限责任公司

摘要：推进系统的运行方式直接影响船舶的安全可靠性，对船舶的运行起着重要作用。轴系统轴承、离合器和传动负荷大，工作环境恶劣，容易出错，严重情况下整个推进轴系统会停止运转，造成严重后果。传统的定期维护方法很大程度上受到主观因素的影响。无论服务策略是保守的还是激进的，都会造成浪费或安全风险。传统的维护方法可以通过传感器数据采集来监控轴，但不能及时预测轴故障。因此，开展船舶轴系智能监控技术的研究具有重要的现实意义。

关键词：船舶；推进轴系；状态监测

引言

船舶推进轴系是船舶航行过程中的重要的动力装置，在航行的过程中，推进轴系主要作用是将主机的动力传递至螺旋桨，带动螺旋桨推动船舶航行。船舶轴系在运行的过程中会受到轴系自身重力、主机传递的振动以及螺旋桨带动的振动，这就造成了船舶轴系运行过程中的环境是非常恶劣的，经常会产生不同程度、不同形式的故障。随着我国交通运输行业的逐渐发展，船舶的载重力和重量不断加大，主机和螺旋桨的质量也越来越大，随之船舶推进轴的质量也越来越大，推进轴的工作负载也越来越大，这就对船舶推进轴的工作状态提出了更高要求。船舶推进轴系的稳定运行关乎着船舶在航行过程中的安全航行，对船舶推进轴系的运行状态的监测主要是通过对船舶推进轴的各项运行参数进行实时采集，根据参数的情况来反映船舶推进轴的运行的稳定性并进行故障的预测。

1推进轴系状态监测系统

推进系统状态监测系统主要由隔振装置、真空箱(轴承部件安装在真空环境中)、驱动设备、集成数据采集装置和上位机组成。隔振轴承载荷系统可以减少地面振动对轴向振动信号采集工作的影响，在试验台建设过程中，为了提高振动信号的采集精度，需要进行准确的调整。利用推进系统状态监测系统对某型执行机构进行推进系统振动测试。轴测试系统平面上有一对预添加的角接触球轴承，无刷直流电机用驱动装置引导机构旋转，通过驱动控制系统准确控制和监控转速等参数。父计算机在全面控制系统的同时，存储和分析收集的振动数据。

2运行状态监测系统的设计

船舶推进轴系运行状态监测系统的主要是针对船舶运行过程中轴系的振动相关参数、界面应变以及轴承载荷以及转速、轴功率等的测量。回旋振动与纵向振动采用的是加速度传感器并带有无线传输数据采集功能。加速度传感器采用的是型号为1A314E的IEPE型三轴加速度传感器，装置的主要参数为量程是0～500m/s2，频率范围为0.5～7000Hz，能够满足船舶推进轴系运行状态监测系统的需求。采集器的采用的是DH5928W型号，其装置带有Wi-Fi模块并且结构稳定，能够满足对横纵向振动测量的要求。扭转振动、轴功率以及轴承载荷采用的是应变片来进行测量。在实际测量的过程中，扭转振动和轴功率均要采集扭转应变信号，通过利用4个应变片能够组成全桥，轴承载荷是通过两个应变片组成半桥采集截面的弯曲应变信息。全桥片的参数为电阻值为350Ω，灵敏系数为2~2.2，极限应变为2%。半桥片的主要参数为电阻值为350Ω，灵敏系数为1.95～2.15，应变极限系数为2%。转速和角度的测试为采用光电转速传感器来进行测量。数据采集采用的是DH5928W和DH5905N，两个数据采集可以根据组建成为局域网。船舶推进轴运行状态监测系统是由振动采集模块、功能模块以及校中采集模块组成，振动模块是为了完成船舶推进轴系三种振动的原始参数数据的采集、数据的显示以及存储打印等功能。振动采集首先是需要完成参数的设置，然后通过点击开始采集旋钮进行数据的采集操作，操作完成后能够在电脑上显示出相关的图标，系统通过采集到的数据信息能够经过计算后得出相应的加速度、速度以及位移，来表达振动的冲击力度以及能量的大小。功能采集模块是为了实现传播推进轴系的功能数据采集、显示等功能的完成，主要是完成转速和轴功率的信息采集，最后将信息同样在显示界面进行显示。校中采集模块完成的是对轴承载荷的数据监测，通过对传感器测量到的应变信号进行计算，能够将测量点的位置、布置信息等以标准表格的显示进行显示，并且完成存储等功能。

3船舶轴系监测数据处理

3.1监测数据预处理

船舶轴系运行条件在实际运行中比较复杂，传感器信号采集易受环境因素影响，采集的传感器数据有噪声。因此，数据收集后，必须进行适当的预处理，以规范地收集监控数据。船舶轴系监测数据预处理方法如下:(1)异常值从采集的传感器信号中去除不合理值，即异常值。根据3δ原理可以确定异常值。样本平均大于3δ的概率为p(3δ< | x-μ|)≤0.003，这是一个概率最小的事件，因此被认为是异常值[9]2去除噪声信号有助于提高传感器信号的特征提取效率，经典的降噪方法是中值滤波技术。

3.2异常处理方式

数据备份程序由多个部分组成，节点外备份操作需要两台计算机进行网络通信。因此，实际执行过程中可能会出现异常，必须处理适当的异常以提高程序的容错能力。以下是可能出现的主要例外情况:1)连接到服务器时出错。无法连接到指定的非现场备份服务器、服务器无法启动、IP地址或端口号错误。必须检查服务器状态以确保其正常工作，并确保请求的IP地址和端口号正确无误。2)本地客户端由于某种原因中断程序后，文件更改仍然存在。本地客户端是需要在配置文件中存储备份作业的截止日期之一。在程序启动时执行初始化操作，在上次备份操作完成时间后，在监视文件夹下找到备份文件，为备份添加备份作业，并解决在程序异常期间要创建的文件无法完成备份的问题。3)异地服务器端由于某种原因程序停止运行，但本地客户端仍有需要备份的文件。异地服务器没有响应期间，本地客户端必须将所有更改文件信息放在备份作业的控制文件中，存储所有操作记录，在服务器响应后执行所有文件更改备份操作。

3.3监测数据特征提取

船舶轴系监测数据需要在进行上述预处理工作后，进一步处理反映轴系误差信息的特征参数，即特征提取。根据船舶轴系监测数据的信号特征，本文主要对时域和频域的信号处理进行分析，并选择代表性指标作为特征参数。所选时域和频域的特征指标见表1、表2。

表1时域特征指标

表2频域特征指标

结束语

船舶推进轴系在船舶航行的过程中对船舶有着至关重要的作用，船舶推进轴系运行状态监测系统的引入能够实时监测出船舶轴系的运行时的振动、轴的转速、功率以及轴承载荷的参数值。通过结合传感器、数据采集、信号处理等技术，对硬件进行选型设计，对软件的功能进行了阐述，表明了设计的船舶推进轴系运行状态监控系统能够满足船舶航行过程中的相关数据的测量。在最后通过采用实物对船舶推进轴系运行状态监测系统进行验证其准确性和稳定性，说明了船舶轴系运行状态监测系统能够满足相应的功能需求，也能够达到相应的测试精度，船舶推进轴系运行状态监测系统能够切实提升船舶在运行过程中对推进轴系状态的监测质量，通过各参数的变化对其故障进行提前预防的作用，具有着非常好的实用价值。

参考文献

[1]于一非.考虑船体变形的船舶推进轴系动态校中方法研究[D].大连理工大学,2020.

[2]范君浩,雷俊松,周瑞平,陈昊.轴系扭振在线监测系统开发研究[J].内燃机,2020(02):6-9+13.

[3]张涵.船舶推进轴系振动信号在线监测分析系统设计[D].江苏科技大学,2019.

[4]张亮.推进轴系纵向振动主动控制试验研究[D].华中科技大学,2019.

[5]孙潇潇.船舶推进轴系故障特征信息识取方法研究及应用[D].浙江海洋大学,2019.