基于振动阈值的船舶离心泵系统建造阶段声学故障诊断方法

李春光 阎慧东 张华栋 计 方

（1. 海装重大专项装备项目管理中心 北京100071；2.中国舰船研究院 北京100101）

0 引 言

随着船舶行业的不断发展，船舶的声学性能越来越受到人们的重视。通过数十年的研究，我国在船舶噪声研究方面取得了显著的进展，船舶结构设计从仅仅满足功能需求，到如今不断涌现出基于新理论、新技术的新型低噪声设计，呈现出蓬勃发展的气象。但在船舶建造过程中，受施工工艺、人员等复杂因素影响，会产生许多声学质量问题从而引起“声学故障”。

离心泵广泛应用于船舶动力系统和船舶系统，主要用于输送水、油等液体，是船舶的重要噪声源之一，及时对船舶离心泵系统的声学故障进行排查整改是保障船舶声学性能的重要前提。关于船舶声学故障的定义，任安民等指出，船舶服役期间因设备技术状态变化及航行期间瞬态偶发事件，所导致的声学设计指标受损以及可探测性恶化的异常现象称为船舶声学故障。针对声学故障，学者OMARA D等归纳出4 种类型，包括频率变化、新增线谱、窄带功率增加及宽带功率增加。美国自20 世纪80年代起就关注船舶声学故障问题，以正常工况特征频段振级别加6 dB 作为检测基准，对船舶设备振动噪声异常检测进行监测。国内也有部分学者开展了相关研究。关于船用离心泵，吴仁荣归纳了30 种引起系统异常振动噪声的故障原因，并给出了两类消除异常振动噪声的方法。关于声学故障的诊断方法，周军伟等基于试验研究利用邻近算法（K-Nearest Neighbor，KNN）对水下航行器的声学故障进行检测识别。章林柯等采用多输入多输出分析方法得到噪声源贡献比动态曲线，实现对水下航行器声学故障的预报。此外，章林柯等还针对水下航行器提出了一种基于支持向量数据描述的声学故障严重程度评估方法。

以上研究表明国内外学者在船用设备的振动噪声状态检测及故障诊断方面取得了大量的研究成果。但在船舶领域实际工程中，由于系统的复杂性，以上方法难以取得理想的效果，且公开资料显示我国对于船舶声学故障的检测是针对船舶总体进行的，缺少对于具体机械系统的诊断方法。因此，本文针对船舶广泛应用的离心泵系统，紧密结合实船测试数据，提出一种基于正态分布区间估计原理的阈值提取方法，并通过试验验证表明该方法所提取的阈值可满足工程使用需求。

1 建造阶段离心泵系统振动加速度总级离散度分析

在船舶总装建造阶段，减振降噪措施与系统、设备施工同步进行，由于设备建造差异、施工工艺等复杂因素的影响会导致设备在建造阶段声学性能产生较大的离散度。结合现场实测数据进行分析（如下页图1 所示），其中测试1、测试2 为1 号船的2 个不同建造阶段4 型离心泵系统的测试结果，测试3、测试4 为2 号船的2 个不同建造阶段4 型离心泵系统的测试结果。

以图1（b）为例进行分析。图中给出了1 号船及2 号船的4 型不同型号离心泵在2 个不同建造阶段的基座振级实测结果。由图可知，同一型离心泵在不同建造阶段或在不同船舶都出现较大差异。其中离心泵1 在1 号船2 个不同阶段的基座振级测试结果极差为10 dB，且4 型离心泵在同一条船（1 号船）的基座测试结果也呈现较大的离散度，极差为18 dB。由于篇幅限制，本文只给出了基座振级测试结果。经笔者分析，离心泵系统机脚振级、进出口挠性接管径向及轴向振级在不同建造阶段下极差均超过6 dB。

图1 建造现场实测数据分析（10~8 000 Hz）

根据以上分析结果，可以将建造阶段离心泵系统声学特性离散度概括为两个方面：一是设备在不同边界条件下产生的离散度；二是设备在不同建造阶段产生的离散度。以上振动离散度在现有技术条件下难以避免，但给建造现场声学质量评估带来困难。通常可根据专家经验对异常振动进行排查，因此亟需在离散度分析的基础上，提取离心泵系统建造阶段声学质量评估阈值，结合各测点信息综合判别并进行声学故障诊断。

2 基于正态分布的船舶离心泵系统声学故障阈值提取

根据工程经验及实测数据分析，船舶结构振动测点的频带能量总级服从或近似服从独立正态分布，因此本文第1 章所研究的4 型离心泵系统振动测点频带能量总级分别服从正态分布，其标准差及数学期望需根据实测数据统计计算，为不同型号设备进行归一化处理，消除设备差异。本文提出一种基于振动偏离值的统计方法，具体分析过程如下。

由于（0，）+～（，），即服从正态分布的数据同时加一个常数，仍然服从正态分布。因此，假设将测点测试数据减去基准值得到的偏差服从正态分布，基准值计算公式见式（1）；又由于偏差为正偏差与负偏差的概率相同，因此进一步假设振动偏差值服从期望为0的正态分布。

图2 频带能量总级偏差值统计结果

机脚振动测点偏差值统计结果与期望为0、标准差为4的正态分布概率密度曲线（式2）基本吻合，因此验证了以上假设的合理性。

式中：为振动测点频带能量总级偏差值，dB；为标准差；为数学期望或称均值。

以上统计分析验证了本文提出的振动测点频带能量总级偏差值服从期望为0的正态分布。根据正态分布区间估计3原则，数据分布在（-，+）中的概率为0.682 7；分布在（-2，+2）中的概率为0.954 4；分布在（-3，+3）中的概率为0.997 4。通常认为发生概率小于5%的事件为“小概率事件”，可认为在一次试验中该事件几乎不可能发生；而数据分布在（-3，+3）以外的概率小于0.3%，在实际工程中认为相应的事件不会发生。因此可将+设置为预警值，将+2设置为报警值。其中为数学期望或称均值；为标准差，计算公式见式（3）。

上述分析给出了数据预处理方法及振动阈值计算方法，具体步骤如下：

（1）获取振动测点测试数据，计算10~315 Hz、315~8 000 Hz频带总级；

（2）利用公式（1）计算各测点基准值；

（3）计算各测点与均值的偏离值ΔL；

（5）利用公式（3）计算标准差；

（6）+为预警阈值，+2为报警阈值。

按以上计算步骤对建造现场某型离心泵8个测试部位相应的362个偏离值样本进行统计分析，得到该型离心泵各测点振动阈值，如下页表1所示。该阈值反映了振动信号正常波动范围上限，当波动值超出该阈值时，认为发生异常振动。如下页图3所示，给出了偏离值样本与预警值及报警值的关系，可见未发生声学故障时偏离值均在报警阈值限制线内，部分样本数据超过预警阈值限制线，这是由于随机噪声及偶发噪声的影响。理想状态下当系统处于正常工作状态时，偏离值均不超过阈值。但在实际统计过程中发现，系统正常工作状态下仍有24个偏离值样本产生预警信号，2个偏离值样本产生报警信号。经计算偏离值样本处于预警值区间内的概率为93.4%，处于报警值区间内的概率为99.45%，因此证明了该方法计算得到的阈值可反映振动信号正常波动范围，满足工程需求。

图3 机脚阈值计算结果

表1 离心泵阈值设置dB

3 离心泵系统典型声学故障模拟试验

第2章基于正态分布理论，给出了报警值及预警值的计算方法，并通过计算获取了典型离心泵系统各部位振动噪声测点阈值，该阈值排除了设备差异，对典型离心泵系统均适用。为了验证该方法确定的阈值的有效性，本文通过模拟试验对基于阈值的船舶离心泵声学故障诊断进行研究，搭建了某离心泵系统试验台架（如图4所示），保持系统在额定工况下运行。

图4 试验台架

3.1 测点布置方案

低航速时，机械振动引起的结构噪声往往成为船舶的主要噪声源。声学故障检测问题可以转化为机械设备振动状态监测问题，因此本文对船舶离心泵系统声学故障诊断的检测主要利用振动信号。按照工程中振动噪声测试测点布置原则，针对设备、挠性接管和管路支吊架等关键位置布置了共计18个振动测点。测点编号及对应位置如表2所示，测点布置方案如图5所示。

图5 测点布置方案

表2 测点编号及对应位置

3.2 试验工况设置

通过对船舶建造安装阶段声学质量问题分析可知，建造阶段声学质量问题中管路问题为主要问题，占比超60%。根据离心泵系统管路振动传递路径分析及声学质量问题统计分析，结合工程经验设置试验工况见下页表3。

表3 试验工况表

3.3 试验过程

首先，在离心泵系统额定工况下运行，获取多组非故障工况下各测点的振动数据；其次，通过将挠性接管上下刚性连接、机脚基座刚性连接等手段，人为模拟挠性接管短路、泵体与基座短路等声学故障，获取各故障工况下振动测点数据。

3.4 试验结果分析

首先分析正常工况下获取的实验数据，图6 给出了系统正常运行工况下连续获取的4 组试验数据。由图可知，正常工况下系统运行稳定，各测点4 次测量结果基本一致，按公式（1）计算故障诊断基准值。

图6 各测点振动加速频谱

以工况3 为例，下页图7 给出了部分测点10~8 000 Hz 频带振动加速度频谱图及各测点的偏离值。可知该工况下，局部测点振动加速度明显恶化，测点7、测点8 在10~315 Hz 频段范围振动加速度总级无明显变化；在315~8 000 Hz 频段范围振动加速度总级分别增加3.7 dB 和5.5 dB。因此可知进水管减振接管声短路主要影响315~8 000 Hz 频段振动特性，其中测点7 振动加速度级升高15.1 dB,测点8 升高13.6 dB。这是因为进水管挠性接管短路导致挠性接管减振效果失效，设备振动沿管路方向向后传递，因此进水管挠性接管径向、轴向下测点（7、8）振动恶化，进口马脚上下测点（9、10）也随之增大。

下页图7（c）、（d）给出了工况3 时各测点实际偏离值与阈值关系示意图。由图7（d）可知：按照文本提取的阈值进行诊断， 故障工况3发生时，测点7、测点8 产生报警信号，测点9、测点10 产生预警信号。因此可根据此信息进行故障诊断，其他工况测试结果汇总见表4。

图7 振动加速度对比图

由表4 可知：工况1~5 主要影响315~8 000 Hz频段范围局部测点振动加速总级，工况6 和工况7主要影响10~315 Hz 频段范围系统整体振动加速总级。因此可通过10~315 Hz、315~8 000 Hz 频段振动加速度总级偏差结合预警报警情况进行故障诊断。通过模拟试验对7 个故障工况的13 组数据进行诊断，共正确诊断12 次，诊断准确率为92.3%。

表4 试验结果汇总dB

续表4

4 结 论

本文以船舶离心泵系统为研究对象，通过正态分布区间估计原理对建造阶段离心泵系统振动噪声实测数据进行统计分析，获取了用于声学故障诊断的振动频带总级阈值。在此基础上为验证振动阈值有效性开展模拟试验，主要结论如下：

（1）本文对8 组362 个偏离值样本进行了正态分布统计分析，共获取8 组振动阈值。经计算，偏离值样本处于预警值区间内的概率为93.4%，处于报警值区间内的概率为99.45%。通过声学故障模拟试验共进行了13 组总计104 个偏离值故障诊断，其中正确诊断12 次，诊断准确率为92.3%，满足工程需求。

（2）设备的安装边界条件会对其声学性能产生较大影响。因此，为提高同一型号设备声学性能的一致性，可对减振元器件振级落差、设备机脚振级开展基于正太分布的统计分析并提取诊断阈值以及为设备声学性能的监测提供依据。

（3）本文提出的基于振动阈值的船舶离心泵系统建造阶段声学故障诊断方法，可基于历史检测数据进行振动阈值的自动提取，降低了故障排查整改时对专业人员的依赖性，对于缩短离心泵系统声学故障整改周期具有重要作用。