艦船設備振動監測閾值設定方法

程 晶，那 建，楊會金

(大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013)

0 引言

隨著科學技術的發展，艦船設備的現代化程度和復雜程度也不斷提高，增強關鍵設備的有效性和維修性至關重要。然而隨著設備使用時間的延長，機械磨損、腐蝕、老化等原因會造成設備振動出現異常。設備的故障后果、停機損失、維修費用日益被人們重視和關注，迫切需要隨時掌握設備的技術狀態，以保證其發揮應有的功能和效能。因此有必要實時、動態地監測艦船設備振動，制定異常監測閾值，及時掌握艦船設備及其動力機械設備的振動狀況，及時發現異常并報警，采取必要的維護措施確保設備運轉正常。

本文簡要介紹了出現異常振動信號的特點，根據其特點制定了2種異常閾值設定方法并給出實際算例。

1 異常信號特點

設備振動異常指的是來自監測傳感器信號頻譜長期持續變化的，而不是由一些活動如開閉閥門或打舵停車等造成的瞬時現象或是由于設備改進導致線譜的消失。簡單來說，一般將設備異常分成4類。

1)頻率改變

如果原有線譜頻率的變化超過某一閾值，那么就是出現了故障噪聲。閾值必須足夠大，使不穩定的線譜也在閾值內。

2)新線譜

如果出現了新線譜，那么這就是故障噪聲。已知線譜的消失并不被認為是出現了故障。

3)窄帶功率增加

如果原有線譜功率或振幅的增加量大于某一容許的閾值，那么該噪聲就是故障噪聲，但功率減少的并非故障噪聲。

4)寬帶功率增加

如果整個頻帶內的總功率增加量大于某一容許的閾值，那么就是出現了故障噪聲。寬帶功率的增加必須考慮，因為由于流體噪聲或螺旋槳空泡噪聲過大，而大大提高的噪聲基準，就是故障噪聲。寬帶功率減少并非出現故障噪聲。

根據故障噪聲的特點發現，無論是出現頻率改變還是窄帶、寬帶功率增加故障，總得來說都是表現在能量增加上面 (帶寬大小不同而已)。

2 閾值設定方法

閾值的設定方法是基于振動分析設備狀態監測和故障診斷中最重要的基礎工作.異常閥值定得偏高，機器已經出了毛病還以為一切正常;閥值定得偏低，設備稍有異常就會報警停機，使人虛驚一場，有時甚至會造成誤修而勞民傷財。只有正確確定設備振動監測異常閥值，才能對設備狀態作出客觀的正確的評價，才能使對設備的維修在經濟上合算。事實上，整個設備狀態監測和故障診斷都是圍繞標準、對照判據來進行的。

2.1 置信區間閾值法

艦船設備振動總能量正常狀態下在一定范圍內波動，其分布具有一定的規律，對其設定異常監測閾值，采用置信區間的概念是一個不錯的選擇。通過估計能量的分布范圍，并得出這個范圍包含真值的可信程度，即所謂的置信區間。

置信區間:設總體X的分布函數為F(x;θ)，含有一個未知參數θ，對于給定值α(0＜α＜1)，若由樣本X1，X2，…，Xn確定的統計量θ－=θ－(X1，X2，…，Xn)和 θ－=θ+(X1，X2，…，Xn)滿足 P{θ－＜θ＜θ+}=1－α，則稱區間(θ－，θ+)是θ的置信度為1－α的置信區間，θ－和θ+分別稱為置信度為1－α的雙側置信區間的置信下限和置信上限;若統計量θ+=θ+(X1，X2，…，Xn)滿足 P{θ＜θ+}=1－α，則稱隨機區間(－∞，θ+)是θ的置信度為1－α的單側置信區間，θ+稱為置信度為1－α的單側置信上限;又若統計量θ－=θ－(X1，X2，…，Xn)滿足P{θ＞θ－}=1－α，則稱隨機區間(θ－，+∞)是 θ的置信度為1－α的單側置信區間，θ－稱為置信度為1－α的單側置信下限，1－α稱為置信度?？梢钥闯?置信區間是在對多次正常狀態監測的基礎上，通過統計分析所建立的一個范圍。

對于實際問題中不同的統計參數，所關心的置信區間并不相同，如燈泡的壽命問題，關心的就是置信區間的下限。而本文探討的關于艦船設備振動異常的能量，需要關心的則是置信區間的上限。

2.2 均值方差標準閾值法

艦船設備振動總能量正常狀態下在一定范圍內波動，其分布具有一定的規律，對其設定異常監測閾值，采用置信區間的概念是一個不錯的選擇。通過估計能量的分布范圍，并得出這個范圍包含真值的可信程度，即所謂的置信區間。

在實際故障診斷現場，如果能同時取得設備正常及異常情況的數據，并用以制定診斷標準，當然是比較理想的，然而在一般情況下，兩方面都能取得的情況并不多，這時就要從正常時的數據出發，制定異常診斷標準.通常利用均值和方差數據，其步驟如下:

1)在設備正常，并且處于穩定狀態時，對其進行N(N≥2)次以上的振動測定。

2)計算平均值μ和均方差σ。

3)計算異常監測判據統計閾值。

以上用統計方法計算出的為設備的預警量級，依據該量級即可推出報警量級，一般情況報警量級約為預警量級的3倍。報警量級為

當頻率達到10 kHz以上時，報警量級為預警量級的6倍。

在制定以上異常監測判據統計閾值時，要考慮統計判據標準與均值的相關性，即the與μ的比率關系，通常當二者的比值大于1.5時，認為異常監測判據統計閾值有效。

3 計算實例

文中選擇了2種特征量作為依據進行異常判斷，分別是總能量和1/3倍頻程帶級能量。前者采用置信區間閾值法進行閾值設置，后者用均值方差標準閾值法進行閾值設置。

3.1 總能量監測閾值設置實例

圖2給出某船部分設備正常狀態下振動總能量概率密度分布曲線及按照置信區間方法設定的異常監測預警閾值。實際監測過程中，總能量低于閾值或由于偶爾的瞬時動作導致的監測數據超出閾值不進行預警或報警，只有當總能量超出閾值一定時間才進行報警.這將有效地降低虛驚概率。

圖3和圖4選擇正常狀態下振動監測數據對圖2中設定的閾值有效性進行了驗證，驗證過程中當總能量連續超出閾值1 min選擇預警。從圖中可以看出，按上述方法設定的閾值并沒有產生虛警現象。

圖3 設備a和b預警閾值驗證情況Fig.3 Validate the early-warning threshold of machinery a and b

3.2 譜監測閾值設置實例

在監測過程中，如果判據特征量選擇信號線譜的情況下，用均值方差標準設置閾值更容易。圖5是用均值方差標準設置的設備a和b的監測預警閾值 (圖中頻率和能量數據分別經過歸一化處理)。

圖4 設備a和b線譜監測預警閾值曲線Fig.4 Threshold curve for line spectrum monitoring of machinery a and b

4 結語

文中針對艦船設備常見故障信號類型提出了置信區間、均值方差2種閾值設置方法。置信區間閾值設置方法可以檢測信號寬帶能量變化帶來的異常。該方法直接使用實時監測到的振動時域信號，不需要通過各種處理及變換，計算量小，不致出現信號畸變和泄漏等缺陷。均值方差閾值設置方法針對信號頻率特征，可以檢測出由窄帶能量增加、頻率改變等故障帶來的異常現象。利用這2種方法對實際監測數據進行了艦船設備振動總能量和線譜能量異常監測閾值設置，制定的閾值具有較好的包容性。在今后的工作中，振動報警的研究還有許多工作要做，報警閾值要保證精度，就需要不斷使用大量的數據更新驗證閾值;要降低虛警漏報概率，就需要進行多種判據特征聯合應用研究;各種閾值的系數在實際應用中，根據不同的監測設備和采集的大量實測數據也要進行不斷的修正和完善。

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