動力裝置振動測量結果不一致性分析

孫 濤1, 王晉忠2, 李留成1, 王 勇3

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動力裝置振動測量結果不一致性分析

孫 濤, 王晉忠, 李留成, 王 勇

(1. 中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西西安, 710075; 2. 海軍駐侯馬874廠軍事代表室, 山西侯馬, 043002; 3. 山西平陽重工機械有限責任公司, 山西侯馬, 043002)

針對功率試驗臺2套測振系統振動測量結果長期以來一直存在時大時小差異的問題, 利用置換分析法和1/3倍頻程變工況分析法進行了深入分析, 找到了引起振動差異的深層原因, 提出了消除電磁干擾和保證安裝位置一致的措施。驗證試驗表明, 采取措施后, 2套系統振級差值絕對值的最大值由以前約10 dB降低為約1.6 dB。該項研究解決了長期存在的振動測量不一致性問題, 為正確評判動力裝置振動和完善振動測量標準提供了試驗依據。

動力裝置; 振動測量; 置換分析法; 1/3倍頻程變工況分析法

0 引言

動力裝置的功率試驗系統可綜合模擬實航時動力裝置工作的環境和負載狀態, 并測量其運行參數及振動參數, 是在陸上全面檢驗動力裝置性能最有效的試驗手段。功率試驗以真實燃料為工質, 試驗成本高, 而且作為出廠前的交驗試驗, 一旦某項考核指標不達標, 輕則重做試驗, 增加成本, 拖延進度, 重則定性為不合格品, 給工廠造成重大經濟損失。

振動是功率試驗最重要的考核指標之一, 受工業現場環境及振動傳感器工作原理限制, 該參數的測試難度遠大于溫度、壓力、流量等參數的測量。為了保證動力裝置振動測試的有效性, 避免振動數據丟失, 功率試驗系統的振動測試采用冗余設計, 即用2套測振系統同時測試動力裝置振動評估點。某功率試驗設備的2套測振系統由于是由不同振動設備公司研制的, 軟硬件均不相同, 測試結果長期以來一直存在時大時小的差異,絕大多數情況下都是A測振設備的振級測試結果大于B測試設備。影響振動測量結果一致性的因素主要有硬件故障(包括傳感器故障、電纜故障、采集卡故障)、軟件問題、測點位置不同及傳感器安裝方式不同等。近年來, 該功率試驗設備用于某新型動力裝置的科研試驗, 由于新型動力裝置振動指標值較小, 2套測振系統的評判結果經常出現矛盾, 由此直接影響到對動力裝置振動指標的合格判定。為了保證科研生產的順利進行, 迫切需要盡快解決該問題。

本文在利用置換分析方法排除了影響振動測量結果一致性的典型因素的基礎上，利用1/3倍頻程變工況分析方法找到了電磁干擾這一隱蔽度高、影響大的因素。

1 置換分析法

對于軟硬件問題, 簡單而有效的診斷方法是置換分析法。首先, 將A測振設備采集的一塊數據導入到B測振設備, 計算1/3倍頻程譜, 并和A測振設備計算出的1/3倍頻程譜進行對比, 發現二者幾乎完全一致, 由此排除了軟件對測試結果的影響; 其次, 利用振動加速度校準儀發出的標準信號, 通過置換加速度計和測試電纜, 依次排除了采集卡、加速度計和測試電纜的問題。

《振動測試技術條件》要求振動評估點為C出口處。為了測量C出口處的振動, 工廠專門加工了如圖1所示的制式堵蓋, 并在該堵蓋上加工了2個測振孔, A測振設備和B測振設備分別測量測振孔1和測振孔2處的振動。測振孔1和測振孔2處的振動傳感器安裝方式都屬于螺釘安裝, 首先安裝在用于固定制式堵蓋的四方螺釘頭上, 螺釘再穿過制式堵蓋的光孔, 將堵蓋固定在發動機艙殼體的C出口孔。顯然, A測振設備和B測振設備的測點位置雖然距離很近, 但嚴格意義上講不是同一個位置, 該因素對測試結果的影響不能排除。

2 1/3倍頻程變工況分析方法

只有在已知所有可能導致頂事件(結果)發生的事件或條件組合的情況下, 置換分析法才能找到導致問題的根本原因。然而, 受認知水平的限制, 確定出導致頂事件(結果)發生的所有事件或條件組合幾乎是不可能的。為了避免漏診, 利用筆者根據功率試驗流程特點而研發的1/3倍頻程變工況分析方法對近期的數十次功率進行了數據處理, 通過對比分析各次功率試驗的1/3倍頻程變工況振級曲線, 得到一個重要發現: 2套測振設備的振級測量結果都是I速制基本相同, II速制差別較大, III速制差別最大。此處以第21次和第29次試驗的振級曲線和差值曲線為例來圖示振級隨速制變化的特征(見圖2和圖3)。顯然, 振動信號中包含一種在轉速高振動大時貢獻不大, 轉速低振動小時貢獻大的干擾信號。

干擾信號的貢獻隨著轉速而變化的機理是動力裝置的振動隨著轉速的升高而增大, 而測試儀器各自周圍的環境干擾不受轉速影響, 基本保持不變。在I速制時動力裝置的振動遠大于環境干擾, 根據振動的疊加原理, 這種情況下合成振動基本等于動力裝置的振動, 因此2套設備測得的振動基本相同; 而當轉速降至低轉速對應的速制, 動力裝置的振動降低了, 環境干擾在合成振動中的作用被突顯出來, A測試設備環境干擾多, B測試設備的環境干擾少, 所以A測試設備的測試結果就大。

在理論分析的指導下, 將干擾源確定為測試電纜周圍, 仔細檢查每個可能通過電纜傳遞干擾的環節, 發現A設備是功率試驗臺的固定配套設備, 測試電纜經過地溝接到采集卡, 除有振動測試電纜外, 還有各種管路及其他類型傳感器的測試電纜; 而B設備是移動式設備, 每次試驗時將測試電纜直接鋪設在地面上, 通過防爆墻的觀察口引入采集卡, 周圍沒有其他干擾。

3 診斷結論及驗證

3.1 診斷結論及改進措施

根據以上分析認為, A測振設備比B測振設備的振級測試結果大的原因如下。

1) A測振設備的測試電纜周圍干擾源多, 測試信號中與動力裝置無關的噪聲能量大;

2) C出口處是非穩定流場區域, 不同位置振動有一定差異。

根據診斷結論, 提出了以下改進措施。

1) 將A測振設備所有的振動測試電纜布置在地溝外, 遠離強電源和電線, 該措施旨在避免電磁干擾;

2) 通過“T”字型三通將安裝在測振孔1的加速度計的輸出電壓信號分為兩路, 分送至A測振系統和B測振系統, 該措施目的旨在2套系統采集的振動信號來自同一位置;

3) 在C出口堵蓋上加工1個螺孔, 將傳感器直接通過螺釘安裝在滑油堵蓋上, 該措施旨在驗證C出口周圍不同位置的振動是否有差異。

3.2 驗證結果

為了充分驗證了技術分析的正確性和措施的有效性, 利用相關科研試驗中對改進措施進行了4次搭載驗證。2套設備的共同測試位置為測振孔1, 以相同工況條件下B設備振級測試結果相對A設備振級測試結果的差值為評估指標。第1次搭載驗證試驗: 振動測試結果對比見圖4, B測振設備相對A測振設備在24個工況的振動差值范圍為–0.57~0.41dB。第2次搭載驗證試驗: 在11個工況的振動差值范圍為0.05 ~0.32 dB。第3次搭載驗證試驗: 在12個工況的振動差值范圍為–1.29~0.34 dB。第4次搭載驗證試驗: 在24個工況的振動差值范圍為–0.12~1.6 dB。

第1次試驗, 在C出口原來的2個測振孔及新加工的位于正下的測振孔各安裝1個振動加速度計, 用B測振設備同時測量這3處的振級, 測試結果對比見圖5。總體來看, 在大部分工況C3的振動都最小, C2的振動居中, C1的振動最大, 表明C出口周圍不同位置的振動隨工況有或大或小的差異。

綜上所述, 在測點位置和電磁干擾相同情況下, 2套測振設備的測量結果是一致的, A測振設備在C出口的測試結果相對B測振設備偏大是由測試電纜布置以及傳感器的安裝導致的。

4 結論

通過4次搭載驗證試驗對消除電磁干擾和保證安裝位置一致的措施進行了較充分的驗證, 試驗結果表明: 1) 采取措施后, 2套測振系統在C出口的振級測試結果無論隨工況的變化趨勢還是數值都表明出良好的一致性，由此驗證了技術分析的正確性和措施的有效性; 2) 采取措施后, A測振系統的振級測量結果比歷史最低值還低4 dB, 并且同一套動力裝置重復試驗的振動一致性遠好于以前, 由此表明, A系統測振電纜原來的布線方式的確會對測試結果造成很大影響; 3) C出口周圍不同位置的振動隨工況有或大或小的差異, 表明對于復雜振動系統而言不能簡單地認為位置相近振動就差別不大。

[1] 查志武, 史小鋒, 錢志博. 魚雷熱動力技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2006.

[2] 孫濤, 高愛軍, 王祎, 等. 一種多測點變工況倍頻程快速處理方法[J]. 魚雷技術, 2011, 19(6): 455-458.Sun Tao, Gao Ai-jun, Wang Yi, et al. A Fast CPB Processing Method of Off-design Vibration and Noise Data from Mul- tiple Channels[J]. Torpedo Technology, 2011, 19(6): 455-458.

[3] 諾頓 M P. 工程噪聲和振動分析基礎[M]. 北京: 航空工業出版社, 1993.

(責任編輯: 陳 曦)

Inconsistency Analysis of Vibration Measuring Results for a Power System

SUN Tao, WANG Jin-Zhong, LI Liu-cheng, WANG Yong

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2.Navy Representative Office Stationed in Factory 874, Hou Ma 043002,China; 3. Shanxi Pingyang Machinery Factory, Houma 043002, China)

Two vibration measuring systems attached to a power test stand have output inconsistent measuring results for a long time, so the exchange and the one-third octave analysis method are employed to investigate the inconsistency. Accordingly, countermeasures are offered against the inconsistency by eliminating the electromagnetic interference and guaranteeing the mounting sites of two systems in accordance with one another. Validation experiments show that the maximal absolute difference of vibration levels measured by the two systems reduces from about 10 dB to 1.6 dB. This study may help to correctly evaluate the power system vibration and to perfect the vibration measurement standard.

power system; vibration measurement; exchange method; one-third octave method

TJ630.32;TB523

A

1673-1948(2013)06-0450-04

2013-06-18;

2013-07-25.

孫 濤(1977-), 男, 博士, 高級工程師, 從事振動信號處理、制造工藝過程振動控制、故障診斷與健康監測的研究.