基于LabVIEW的噴水推進泵空化在線監測系統

李江柏，段向陽，2，黃本潤，周 平

(1.中國人民解放軍92557部隊，廣東廣州，510720;2.海軍工程大學船舶與動力學院，湖北武漢，430033)

0 引言

由于噴水推進船具有快速性優、機動性高、操縱性好、抗空化能力強、高速時推進效率高、振動與噪聲低等優點，在世界各國的高速客渡船及軍用高性能艦船上均有廣泛的應用［1-2］。

盡管噴水推進具有抗空化能力強的優點，但在啟航、加速、轉彎、倒車、拖帶、平移和部分泵工作時，噴水推進泵很容易進入空化區。由于噴水推進在國內應用較晚，目前國內還沒有建立相應的空化監測裝置，有關噴水推進器空化監測的研究還處于探索階段。牟介剛等人對噴水推進泵的空化噪聲源進行了深入分析，指出在噴水推進降噪研究中應重視空化噪聲［3］。何杰等對噴水推進泵空化預測原理和方法進行了研究，提出了噴水推進泵空化監測的方法和步驟，為開展相關的研究提供了很好的參考［4］。蘇永生、段向陽等人設計了噴水推進器實船空化監測方案，闡述了其空化監測的機理，對噴水推進器空化監測技術進行了研究［5-6］。本文在此基礎上對噴水推進泵空化進行實船測量，通過對大量實驗數據的分析，確定了適宜于空化在線監測的特征量及其對應的監測報警閾值。

1 空化監測原理和方法

空化發生時，會產生大量的氣泡，氣泡隨著周圍流體運動到高壓區時會潰滅。空泡的潰滅會產生高頻脈沖，輻射空化噪聲，引起介質壓力波動，并誘發機械結構振動。空化監測的原理就是測量空泡潰滅時產生的沖擊波和輻射噪聲以及介質的壓力脈動和機械結構的振動，從測量信號中提取出表征空化的特征，建立空化特征值與空化強度的對應關系，通過監測信號中各特征值的變化來判斷空化的發生和發展，從而達到監測空化的目的。

國內外學者對葉輪機械的空化監測進行了大量研究，提出了很多有效的空化監測方法。常用的空化監測方法有噪聲測量法、高速攝影法、超聲監測法、壓力測量法和振動測量法等［7-10］。

本文在國內首次開展了噴水推進泵實船空化測量實驗研究。通過安裝在噴水推進泵葉輪進口前的水聽器和泵殼上的加速度傳感器分別獲取空化時的水聲信號和空化引起的結構振動信號。通過對測試信號的分析，深入探討噴水推進泵空化的特點和規律。利用虛擬儀器技術，建立了基于LabVIEW的空化在線監測系統。

2 噴水推進泵空化在線監測系統設計

2.1 空化在線監測系統組成

整個監測系統由傳感器，信號調理模塊，數據采集模塊，便攜計算機以及相應的分析處理模塊組成，其結構組成如圖1所示。

圖1 監測系統組成示意圖Fig.1 Composition diagram of monitoring system

通過測取噴水推進泵內的水聲信號和泵殼體振動信號來確定泵的空化狀態，同時測取泵軸轉速和航速信號作為參考。水聲信號通過RHS-30水聽器獲取，振動信號通過PCB 608A11加速度傳感器測取，轉速通過HE-01霍爾轉速傳感器測取，航速通過422串口從計程儀引入。各傳感器主要參數如表1所示。數據采集模塊采用了NI的PXI系列板卡，其中PXI-4472用來采集振動和水聲信號，PXI-6251用來采集轉速信號，PXI-8431/2用來采集航速信號。所有信號同步采集，水聲信號和振動信號采樣率分別設為102.4 kHz和51.2 kHz。

2.2 空化監測系統的主要功能

利用圖形化編程軟件LabVIEW構建了空化監測系統平臺。該監測系統主要包含以下功能模塊:

1)參數設置及數據采集模塊

該模塊主要功能是設定各傳感器對應的物理通道、采樣率以及傳感器靈敏度等參數，進行各通道信號的采集。

2)在線處理模塊

在線處理模塊包含航速信號采集與顯示單元、轉速信號采集與顯示單元、水聲信號和振動信號采集與顯示單元，以及空化報警單元。

①航速信號采集與顯示單元

通過NI PXI-8431板卡將包含航速信號的串口信息讀入采集系統，編程提取航速信息并顯示。

②轉速信號采集與顯示單元

通過NI PXI-6251板卡采集轉速傳感器原始方波信號，通過編程提取頻率，通過計算轉換到相應的轉速并實時顯示。

③水聲信號和振動信號采集與顯示單元

通過2塊NI PXI-4472板卡分別采集水聲信號和振動信號，在時域和頻域進行實時顯示。

④空化報警單元

分別計算各通道的水聲信號和振動信號在特征頻帶上的聲壓級和振動加速度級，根據實測據數據分析結果設定對應的閾值，當聲壓級和振動級超過該閾值時產生持續聲光報警。聲報警可手動進行消音。

3)數據保存模塊

數據保存模塊包含參數信息保存和測試數據保存單元。其中參數信息保存單元通過配置文件將試驗時間、試驗內容、試驗工況、傳感器參數和采樣參數等信息單獨保存。測試數據保存單元分別將航速信號、轉速信號、水聲信號以及振動信號單獨保存為excel文件。同時具備空化報警數據自動保存功能，打開該功能按鈕后，如果出現空化報警，自動將該報警數據保存下來。同時可根據需要或對可疑數據手動進行保存。

4)離線分析模塊

通過該模塊可查看保存的數據信息，并可進行相應的離線分析。監測報警系統流程如圖2所示。

3 空化在線監測系統在實船上的應用

試驗船安裝有4臺噴水推進泵，分別在每臺泵對應位置安裝1個水聽器、1個加速度傳感器和1個轉速傳感器，對其空化狀態進行實時監測，監測界面如圖3所示。

圖3 噴水推進泵空化監控面板Fig.3 Cavitation monitoring panel for waterjet pump

3.1 傳感器的安裝

綜合考慮傳感器安裝要求和實船安裝環境，將水聽器安裝在位于噴泵葉輪進口前檢查孔的空腔里，水聽器通過隔振橡膠固定在空腔內，空腔內注滿水，底部用高強型玻璃鋼聲板將水流隔離。該聲板由基體3201#樹脂和增強材料高強4枚緞紋纖布生產而成，其力學性能和聲學性能均滿足GJB-24A-95標準的要求。

3.2 空化監測特征閾值的確定

空化在線監測必須選用合適的空化監測方法、選取適當的測量位置，以及選擇有效的空化監測特征。研究表明，空化后聲壓級或振動級有10～20 dB的躍升。本文采用特征頻段的聲壓級和振動級作為監測特征，為保證空化報警的準確性，必須對報警閾值進行合理的取值。

由于噴水推進船在部分泵工作時容易進入空化區，分析發現在4泵、3泵或單泵正常使用工況下均處于無空化工作區。下面主要對2泵工況進行分析。

通過高階導數分析發現，水聲信號在8～15 kHz和15～25 kHz頻段內出現明顯峰值，振動信號在3～8 kHz頻段內變化明顯。由此，選擇上述頻段作為水聲信號和振動信號的空化監測特征頻段。圖4～圖6分別為2泵工況時主機轉速從1 650～1 900 rpm變化過程各特征頻段聲壓級和振動級分布規律。

從圖4和圖5可以看出，隨著轉速的升高，聲壓級呈現出先增大、到達極值后又逐漸減小的趨勢，與典型的空化聲壓變化規律相吻合。研究表明，當空化聲壓級達到極值時，此時空蝕率也達到最強［11］。因此，要想有效防止空化空蝕破壞，必須在聲壓級達到最大值之前及時發出警報。對比聲壓級和振動加速度級的變化趨勢，結合空化聲壓曲線變化規律，可以判定2泵工況時空化轉速在1 800 rpm左右。相對于無空化轉速工況，此時特征頻帶聲壓級和振動級均有約10 dB躍升。據此設定空化監測參考閾值如表2所示。

表2 各頻帶的參考監測閾值Tab.2 Monitoring threshold for each frequency band

根據實船監測數據顯示，在4泵各轉速下，水聲信號在8～15 kHz和15～25 kHz頻帶聲壓級最大值分別為145 dB和134 dB左右，振動信號在3～8 kHz頻帶振動級最大值約為140 dB。3泵和單泵各工況下對應頻帶的聲壓級和振動級也基本上沒有超過設定的報警閾值。由此可見，設定的報警閾值在一定程度上可以對噴水推進泵的空化進行有效的監測，有一定的工程應用價值。

4 結語

本文在國內首次開展了噴水推進泵實船空化監測實驗研究。利用LabVIEW圖形化開發平臺構建了噴水推進泵空化在線監測系統，利用水聲信號和振動信號對應特征頻帶的聲壓級和振動級對空化狀態進行實時評估，實現了空化的在線監測。通過實測數據分析，確定了特征頻帶聲壓級和振動級對應的監測報警閾值。實船試驗表明，該在線監測系統能夠有效地對噴水推進泵的空化狀態進行實時在線監測。

本研究為噴水推進泵空化在線監測儀的研發提供了技術基礎，有一定的工程應用價值。為了提高監測系統的可靠性，報警閾值的確定還有待于進一步深入研究。

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