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摘要：船舶导管螺旋桨；故障诊断应用
关键词：压力波形；压力频谱检测分析
随着长江航道大建设大发展的步伐加快，航道工作船是长江上的先行者。船舶螺旋桨浆叶折断的故障比较常见，其材料的性能、铸件质量、工作情况、使用环境、设计结构等方面可以导致浆叶的断裂。船舶是在水域里航行的，如果螺旋桨碰到漂浮物、浮冰等也会发生意外，导致其断裂，进而造成推进装置的损坏。所以对螺旋桨的检测和故障诊断是十分重要的。
1.船舶螺旋桨故障诊断技术
1.1螺旋桨故障诊断系统
螺旋桨故障诊断系统是由大量的数据和信息组合而成的，通过综合分析判断，确定出故障的原因，以此得出诊断结论，最后提出解决措施。在螺旋桨运行时，其设备监控系统会获取稳定数据、瞬态数据、以及过程参数、运行状态等信息进行记录。在此基础上，通过信号分析和数据处理提取特有的故障征兆及故障敏感参数等，在进行综合的故障诊断。其故障诊断的前提是状态检测以及信号处理。信号处理是对传感器得到的原始数据进行转换和储存。检测系统获得的信号在进行分析前，需要对先其进行处理，因为其获得的信号源有大量的噪音信息，要进行减噪及滤波处理，再储存获得的信号源，从而进一步的进行故障诊断分析处理。
1.2 CFD螺旋桨故障诊断原理
为了提高船舶螺旋桨故障诊断关键技术的应用效率，计算机流体力学（CFD）已被广泛的使用在此诊断技术上[1]。CFD主要是通过数值模拟手段，以实现故障诊断中的状态监测和信号处理的环节，而螺旋桨状态检测不再使用传感器以及信号采集进行故障的预测。以CFD进行数值的模拟计算时，其数字计算模式可以看做是理想传感器所采用的信号，和普通的传感器所采集的信号相比较，其没有噪信号，因此在处理环节上方便了很多，那么只需要对故障产生的机理以及故障诊断技术方面进行研究和处理。这是在故障诊断技术上采用CFD计算数字模拟的一个优势。为了提高故障诊断的准确性和故障诊断效率，可以根据螺旋桨桨叶不同时间段以及不同的工作状况，CFD对其进行数值模拟计算来红的不同的信号，再通过信号的对比，分析，再对得到诊断结果进行指导工程应用。通过数值模拟可以直接对出现的故障进行处理，分析出产生故障的原因，以及对故障结果进行验证，从而得到故障诊断的转接知识。
1.3 CFD故障诊断技术和方法
导管螺旋浆叶折断事故可以采用CFD进行故障监控和用于诊断系统。诊断系统可采用压力波形分析法以及频谱分析法[2]：
1.2图 基于CFD的导管螺旋桨桨叶折断故障监测与诊断系统
2.螺旋桨桨叶折断故障的波形分析诊断法技术
2.1导管内壁脉动压力数值模拟
故障检测通过对桨叶在0.9R、0.8R、0.7R的运行状态，记录其在不同时间以及不同运行状态下的数据信息，然后采用CFD计算模型对桨叶正常状态下，以及对0.9R、0.8R、0.7R时间段的诊断故障进行计算分析。在进行计算时，要设置监测点，并设置其平均来流速度为3.5m/s，螺旋桨转速为5r/s，再通过监测点采集模拟压力传感器信号。进行模拟压力传感器工作时，可以采用某一区域监测点的压力值，并平均采取其压力变化值，在进行计算时，要随之记录监测点的压力值，以实现模拟压力传感器的工作。下面分别记录了螺旋桨的导管内壁监测点位置处脉动压力数值模拟结果：
图一 导管螺旋桨正常工作时的压力脉动图
图二 导管螺旋桨桨叶在0.9R处折断时的压力脉动图
图三 导管螺旋桨桨叶在0.8R处折断时的压力脉动图
图四 导管螺旋桨桨叶在0.7R处折断时的压力脉动图
2.2螺旋桨桨叶折断故障的波形分析诊断法
导管内壁压力脉动时间波形特征可以直接对导管的螺旋桨桨叶折断故障进行初步诊断。螺旋桨正常的工作状态下，设置转速为5r/s、周期为0.2s、频率为5Hz，叶频为20Hz。其导管内壁的压力脉动波形图为比较正轨的正弦波[3]。根据图形可以看出，其波形看上去稳定、重复性好以及具有光滑性。而且其波形变化的频率与螺旋桨的叶频相同。在螺旋桨桨叶折断后，其波形发生了很大的变化。在某折断的桨叶经过监测点的位置后，其监测点的区域的流场干扰会变小，压力增高，水的流速变低。与螺旋桨叶桨叶正常情况相比，其导管内壁波形图会变的畸形，以此可以诊断出螺旋桨桨叶发生了折断故障。再通过分析不同工作状况下的压力脉动波形图，由此可以分析得出，其波形会随着螺旋桨桨叶折断状况法伤变化，其折断情况越严重，波形变化就越畸形。由此，可以通过波形的畸形变化程度得出螺旋桨将桨叶的折断位置。
2.2导管螺旋槳桨叶折断故障频谱诊断技术
导管螺旋桨某桨叶折断时，其导管内壁的压力正弦波形具有明显的畸形变化，根据其明显的波形特征。分析出螺旋桨桨叶的折断位置，以此，可以对导管螺旋桨不同故障工况下的导管内壁的压力时间波形图选用矩形窗进行FFT变换[4]。如下图所示：
图一 导管螺旋桨正常工作时的压力频谱图
图二 导管螺旋桨桨叶在 0.9R 处折断时的压力频谱图
图三 导管螺旋桨桨叶在0.8R处折断时的压力频谱图
图四 导管螺旋桨桨叶在 0.7R 处折断时的压力频谱图
根据所得出的导管螺旋桨桨叶折断故障发生时的导管内壁脉动压力波形频谱图，进一步分析后，可以根据以下两个图表，得出几点规律特征：若导管螺旋桨桨叶无故障发生，频谱图中的信号主要显示叶频和倍叶频分量，其余引号频率则不明显。若导管螺旋桨桨叶发生折断故障，则轴频或倍轴频信号显示程度较强，而叶频和倍叶频分量信号变得微弱。若导管螺旋桨桨叶发生折断故障严重，相应的轴频或倍轴频信号显示程度会更强，而叶频和倍叶频分量信号会变的更微弱。由此可以得出，根据轴频或倍轴频信号显示程度，以及叶频和倍叶频分量信号显示强度，可以对导管螺旋桨桨叶的故障进行诊断，并诊断出折断位置[5]。 2.3-1各频率信号强度与基叶频信号强度之比
频率 基轴频 2倍轴频 3倍轴频 基叶频 2倍叶频
导管螺旋桨某
桨叶这段位置 0.7R 0.69 0.43 0.43 1.00 0.33
0.8R 0.59 0.42 0.42 1.00 0.32
0.9R 0.35 0.33 0.33 1.00 0.32
正常 0.14 0.04 0.04 1.00 0.29
2.3-2不同故障工况时，信号强度与正常工况信号强度之比
频率 基叶频 2 倍叶频 基轴频 2 倍轴频 3 倍轴频
导管螺旋桨
某桨叶这段位置 0.7R 10.2 10.2 0.84 0.95 4.1
0.8R 10.0 10.0 0.86 0.93 3.6
0.9R 8.0 8.0 0.88 0.95 3.3
正常 1.0 1.0 1.00 1.00 1.0
2.3波形分析法和频谱法对螺旋桨桨叶折断故障的监测与诊断
以上根据导管螺旋桨流场的研究，再利用CFD数值模拟计算，获得了螺旋桨桨叶的不同位置的折断情况，同时分析出了其到管内壁脉动压力的变化规律。根据脉动压力的时间波形进行分析，获得某一波峰钝化畸变以及其畸变程度的信息，以得出导管内壁的脉动压力时间波形图和频谱图，根据其特征和敏感参数数据，对桨叶折断故障进行监测，同时初步诊断出桨叶折断位置。故障发生时，其基轴频信号强度大于基叶频的15%，以及2倍轴频信号强度大于基叶频的5%[6]。若需要更準确的诊断出折断位置，则可以对不同工况频谱图中叶频、倍叶频、轴频和倍轴频信号的强弱变化的关系以及变化规律进行分析。
序号 故障特征 特征参量
1 畸形的正弦波 时域波形
2 叶频、倍叶频 特征频率
3 轴频、倍轴频 常伴频率
2.4-1导管螺旋桨桨叶折断时，导管内壁脉动压力特征
序号 脉动压力 变化情况
1 随桨叶折断量变化 非常明显
2 随转速变化 非常明显
2.4-2导管螺旋桨桨叶折断时，导管内壁脉动压力敏感参数
其故障诊断主要是对螺旋桨桨叶折断后进行CFD的数值模拟计算，再通过导管内壁压力脉动数据生成时间波形图，再进行FFT的变换，结合对波形的分析，以此，可以结合波形分析法和频谱诊断法，对螺旋桨桨叶折断故障进行诊断，以此获得故障诊断技术。
结语
在船舶设备检测中，合理运用设备诊断技术，可以对设备的工作状况进行全面的了解，及时的发现故障和维修。对其产生故障的原因进行快速和准确的分析，根据检测结果就是进行设备的维护、维修，从而保证设备良好的运行状态。设备故障诊断技术的效果显著，不仅减少了事故的发生，也增加了经济效益。为其良好的发展前景提供了必要条件。
参考文献：
[1]王磊，谢俊超，周瑞平.大型船舶推进轴系回旋振动特性分析研究[J].江苏船舶，2010，（01）：14-17
[2]刘丹，陈凤馨.CFD在计算船舶螺旋桨敞水性能中的应用研究[J].现代制造工程，2010（04）：18-20
[3]高富东，潘存云，蔡汶珊，杨政.基于CFD的螺旋桨敞水性能数值分析与验证[J]，机械工程学报，2010，（04）：133-139
[4]杨仁友，沈泓萃，姚惠之.螺旋桨敞水性能CFD不确定度分析[J].船舶力学，2010，（05）：472-48
[5]郑华耀，凌志.现代船用柴油机智能故障诊断系统的研究[J].系统仿真技术，2010，（02）
[6]率冉冉，高树凤，张磊等.浅析船舱自动化监控与故障诊断技术的发展[J].科技风，2011，（5）：42.
关键词：压力波形；压力频谱检测分析
随着长江航道大建设大发展的步伐加快，航道工作船是长江上的先行者。船舶螺旋桨浆叶折断的故障比较常见，其材料的性能、铸件质量、工作情况、使用环境、设计结构等方面可以导致浆叶的断裂。船舶是在水域里航行的，如果螺旋桨碰到漂浮物、浮冰等也会发生意外，导致其断裂，进而造成推进装置的损坏。所以对螺旋桨的检测和故障诊断是十分重要的。
1.船舶螺旋桨故障诊断技术
1.1螺旋桨故障诊断系统
螺旋桨故障诊断系统是由大量的数据和信息组合而成的，通过综合分析判断，确定出故障的原因，以此得出诊断结论，最后提出解决措施。在螺旋桨运行时，其设备监控系统会获取稳定数据、瞬态数据、以及过程参数、运行状态等信息进行记录。在此基础上，通过信号分析和数据处理提取特有的故障征兆及故障敏感参数等，在进行综合的故障诊断。其故障诊断的前提是状态检测以及信号处理。信号处理是对传感器得到的原始数据进行转换和储存。检测系统获得的信号在进行分析前，需要对先其进行处理，因为其获得的信号源有大量的噪音信息，要进行减噪及滤波处理，再储存获得的信号源，从而进一步的进行故障诊断分析处理。
1.2 CFD螺旋桨故障诊断原理
为了提高船舶螺旋桨故障诊断关键技术的应用效率，计算机流体力学（CFD）已被广泛的使用在此诊断技术上[1]。CFD主要是通过数值模拟手段，以实现故障诊断中的状态监测和信号处理的环节，而螺旋桨状态检测不再使用传感器以及信号采集进行故障的预测。以CFD进行数值的模拟计算时，其数字计算模式可以看做是理想传感器所采用的信号，和普通的传感器所采集的信号相比较，其没有噪信号，因此在处理环节上方便了很多，那么只需要对故障产生的机理以及故障诊断技术方面进行研究和处理。这是在故障诊断技术上采用CFD计算数字模拟的一个优势。为了提高故障诊断的准确性和故障诊断效率，可以根据螺旋桨桨叶不同时间段以及不同的工作状况，CFD对其进行数值模拟计算来红的不同的信号，再通过信号的对比，分析，再对得到诊断结果进行指导工程应用。通过数值模拟可以直接对出现的故障进行处理，分析出产生故障的原因，以及对故障结果进行验证，从而得到故障诊断的转接知识。
1.3 CFD故障诊断技术和方法
导管螺旋浆叶折断事故可以采用CFD进行故障监控和用于诊断系统。诊断系统可采用压力波形分析法以及频谱分析法[2]：
1.2图 基于CFD的导管螺旋桨桨叶折断故障监测与诊断系统
2.螺旋桨桨叶折断故障的波形分析诊断法技术
2.1导管内壁脉动压力数值模拟
故障检测通过对桨叶在0.9R、0.8R、0.7R的运行状态，记录其在不同时间以及不同运行状态下的数据信息，然后采用CFD计算模型对桨叶正常状态下，以及对0.9R、0.8R、0.7R时间段的诊断故障进行计算分析。在进行计算时，要设置监测点，并设置其平均来流速度为3.5m/s，螺旋桨转速为5r/s，再通过监测点采集模拟压力传感器信号。进行模拟压力传感器工作时，可以采用某一区域监测点的压力值，并平均采取其压力变化值，在进行计算时，要随之记录监测点的压力值，以实现模拟压力传感器的工作。下面分别记录了螺旋桨的导管内壁监测点位置处脉动压力数值模拟结果：
图一 导管螺旋桨正常工作时的压力脉动图
图二 导管螺旋桨桨叶在0.9R处折断时的压力脉动图
图三 导管螺旋桨桨叶在0.8R处折断时的压力脉动图
图四 导管螺旋桨桨叶在0.7R处折断时的压力脉动图
2.2螺旋桨桨叶折断故障的波形分析诊断法
导管内壁压力脉动时间波形特征可以直接对导管的螺旋桨桨叶折断故障进行初步诊断。螺旋桨正常的工作状态下，设置转速为5r/s、周期为0.2s、频率为5Hz，叶频为20Hz。其导管内壁的压力脉动波形图为比较正轨的正弦波[3]。根据图形可以看出，其波形看上去稳定、重复性好以及具有光滑性。而且其波形变化的频率与螺旋桨的叶频相同。在螺旋桨桨叶折断后，其波形发生了很大的变化。在某折断的桨叶经过监测点的位置后，其监测点的区域的流场干扰会变小，压力增高，水的流速变低。与螺旋桨叶桨叶正常情况相比，其导管内壁波形图会变的畸形，以此可以诊断出螺旋桨桨叶发生了折断故障。再通过分析不同工作状况下的压力脉动波形图，由此可以分析得出，其波形会随着螺旋桨桨叶折断状况法伤变化，其折断情况越严重，波形变化就越畸形。由此，可以通过波形的畸形变化程度得出螺旋桨将桨叶的折断位置。
2.2导管螺旋槳桨叶折断故障频谱诊断技术
导管螺旋桨某桨叶折断时，其导管内壁的压力正弦波形具有明显的畸形变化，根据其明显的波形特征。分析出螺旋桨桨叶的折断位置，以此，可以对导管螺旋桨不同故障工况下的导管内壁的压力时间波形图选用矩形窗进行FFT变换[4]。如下图所示：
图一 导管螺旋桨正常工作时的压力频谱图
图二 导管螺旋桨桨叶在 0.9R 处折断时的压力频谱图
图三 导管螺旋桨桨叶在0.8R处折断时的压力频谱图
图四 导管螺旋桨桨叶在 0.7R 处折断时的压力频谱图
根据所得出的导管螺旋桨桨叶折断故障发生时的导管内壁脉动压力波形频谱图，进一步分析后，可以根据以下两个图表，得出几点规律特征：若导管螺旋桨桨叶无故障发生，频谱图中的信号主要显示叶频和倍叶频分量，其余引号频率则不明显。若导管螺旋桨桨叶发生折断故障，则轴频或倍轴频信号显示程度较强，而叶频和倍叶频分量信号变得微弱。若导管螺旋桨桨叶发生折断故障严重，相应的轴频或倍轴频信号显示程度会更强，而叶频和倍叶频分量信号会变的更微弱。由此可以得出，根据轴频或倍轴频信号显示程度，以及叶频和倍叶频分量信号显示强度，可以对导管螺旋桨桨叶的故障进行诊断，并诊断出折断位置[5]。 2.3-1各频率信号强度与基叶频信号强度之比
频率 基轴频 2倍轴频 3倍轴频 基叶频 2倍叶频
导管螺旋桨某
桨叶这段位置 0.7R 0.69 0.43 0.43 1.00 0.33
0.8R 0.59 0.42 0.42 1.00 0.32
0.9R 0.35 0.33 0.33 1.00 0.32
正常 0.14 0.04 0.04 1.00 0.29
2.3-2不同故障工况时，信号强度与正常工况信号强度之比
频率 基叶频 2 倍叶频 基轴频 2 倍轴频 3 倍轴频
导管螺旋桨
某桨叶这段位置 0.7R 10.2 10.2 0.84 0.95 4.1
0.8R 10.0 10.0 0.86 0.93 3.6
0.9R 8.0 8.0 0.88 0.95 3.3
正常 1.0 1.0 1.00 1.00 1.0
2.3波形分析法和频谱法对螺旋桨桨叶折断故障的监测与诊断
以上根据导管螺旋桨流场的研究，再利用CFD数值模拟计算，获得了螺旋桨桨叶的不同位置的折断情况，同时分析出了其到管内壁脉动压力的变化规律。根据脉动压力的时间波形进行分析，获得某一波峰钝化畸变以及其畸变程度的信息，以得出导管内壁的脉动压力时间波形图和频谱图，根据其特征和敏感参数数据，对桨叶折断故障进行监测，同时初步诊断出桨叶折断位置。故障发生时，其基轴频信号强度大于基叶频的15%，以及2倍轴频信号强度大于基叶频的5%[6]。若需要更準确的诊断出折断位置，则可以对不同工况频谱图中叶频、倍叶频、轴频和倍轴频信号的强弱变化的关系以及变化规律进行分析。
序号 故障特征 特征参量
1 畸形的正弦波 时域波形
2 叶频、倍叶频 特征频率
3 轴频、倍轴频 常伴频率
2.4-1导管螺旋桨桨叶折断时，导管内壁脉动压力特征
序号 脉动压力 变化情况
1 随桨叶折断量变化 非常明显
2 随转速变化 非常明显
2.4-2导管螺旋桨桨叶折断时，导管内壁脉动压力敏感参数
其故障诊断主要是对螺旋桨桨叶折断后进行CFD的数值模拟计算，再通过导管内壁压力脉动数据生成时间波形图，再进行FFT的变换，结合对波形的分析，以此，可以结合波形分析法和频谱诊断法，对螺旋桨桨叶折断故障进行诊断，以此获得故障诊断技术。
结语
在船舶设备检测中，合理运用设备诊断技术，可以对设备的工作状况进行全面的了解，及时的发现故障和维修。对其产生故障的原因进行快速和准确的分析，根据检测结果就是进行设备的维护、维修，从而保证设备良好的运行状态。设备故障诊断技术的效果显著，不仅减少了事故的发生，也增加了经济效益。为其良好的发展前景提供了必要条件。
参考文献：
[1]王磊，谢俊超，周瑞平.大型船舶推进轴系回旋振动特性分析研究[J].江苏船舶，2010，（01）：14-17
[2]刘丹，陈凤馨.CFD在计算船舶螺旋桨敞水性能中的应用研究[J].现代制造工程，2010（04）：18-20
[3]高富东，潘存云，蔡汶珊，杨政.基于CFD的螺旋桨敞水性能数值分析与验证[J]，机械工程学报，2010，（04）：133-139
[4]杨仁友，沈泓萃，姚惠之.螺旋桨敞水性能CFD不确定度分析[J].船舶力学，2010，（05）：472-48
[5]郑华耀，凌志.现代船用柴油机智能故障诊断系统的研究[J].系统仿真技术，2010，（02）
[6]率冉冉，高树凤，张磊等.浅析船舱自动化监控与故障诊断技术的发展[J].科技风，2011，（5）：42.