大型裝備海洋運輸過程中的振動及傾角監測方法研究

黃銳彬 蔡春波 程琍斌

摘 要：大型裝備在海上運輸過程中，由于海上風浪涌的干擾和駕駛操作等因素的影響，船體產生搖晃。隨船運輸的設備隨船體的晃動，其結構會產生一定的振動、傾斜等情況。通過傳感監測手段采集海上運輸過程中設備的動態信號數據，獲得設備在船運過程中的實時狀態數據，對海洋運輸過程設備結構安全狀態分析評估具有重要意義。本文通過海上升壓站遠海運輸過程中的監測技術需求，研究了基于振動和傾角傳感器信號采集為主的動態信號監測技術，并在此基礎上開發了針對大型裝備遠海運輸中的特點和技術要求的信號監測系統。

關鍵詞：海洋運輸;監測技術;振動監測

中圖分類號：U698? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）01-0087-03

1引言

一般來說，大重型裝備的海上運輸往往容易遇到風浪涌的干擾，裝備受海洋運輸環境變化和駕駛操作等原因的影響，隨船體產生振動和搖晃[1]。如果振動頻率或搖晃造成的設備傾斜超過設備設計標準，一方面可能對設備結構造成一定損傷，使得設備后續使用安全性存在隱患;另一方面，船體晃動過大存在設備傾覆的危險。目前，關于大型裝備海洋運輸過程中由于海況變化導致的結構搖晃，或主要結構件在特定條件下因船體搖擺產生的振動加速度對結構的影響等等這些方面的數據采集和分析還是空白。這些問題的解決，其前提條件就是首先要得到在海洋運輸中裝備結構關鍵部位振動、晃動等的實時變化信號。為此，本文提出了一種適于海洋運輸環境的大型裝備狀態監測系統，以海上風電場升壓站海上運輸過程監測數據需求為應用案例，研究了基于振動和傾角傳感器信號采集為主的動態信號監測技術，并在此基礎上開發了針對大型裝備遠海運輸中的特點和技術要求的信號監測系統[2-3]。該系統通過對大型裝備在船舶運輸過程的振動和傾角等動態信號進行在線實時的采集和存儲，并在實驗室條件下進行數據處理、分析與計算，最終形成數據分析報告，為大型裝備海上運輸環境中的裝備結構安全評估提供數據支撐，實現了遠海運輸環境中設備結構狀態的實時跟蹤。

2信號傳感及其采集分析系統的建立

海上風電場升壓站上部組塊外輪廓長度約58.35m，寬約52.15m，高約17.58m為了有效分析海上升壓站在海洋運輸時由于風浪及船體搖晃而產生的結構振動和傾斜數據，需建立相應的信號傳感和數據采集系統，實現對升壓站結構關鍵部位振動加速度和傾角等動態信號的采集，圍繞結構主要測點各個方向振動加速度和傾斜角度分析，主要傳感信號的設置總達 20個通道，滿足技術分析的要求。

2.1振動傳感器選擇與布置方案

海上升壓站在運輸過程中由于船體的運動結構會產生三個方向的振動，因此，需要選擇傳感器可同時采集3個方向振動數據。同時，船體運輸過程中設備結構隨船體晃動引起的振動頻率較低，需選擇采樣頻率低的傳感器。為了更好的采集分析設備振動信號，系統選擇了適于低量程范圍且穩定性好的三向電容式加速度傳感器進行振動信號采集，考慮升壓站結構特點，在其四個樁腿根部各布置1個三向加速度傳感器，通道編號如下：

位置1測點編號：J1X，J1Y，J1Z;

位置2測點編號：J2X，J2Y，J2Z;

位置3測點編號：J3X，J3Y，J3Z;

位置3測點編號：J4X，J4Y，J4Z。

其中測點編號中 J1～J4 表示測點位置， X、Y 和 Z表示振動方向。加速度傳感器如圖1所示。

2.2角度傳感器選擇與布置方案

在升壓站運輸環境技術要求中，需要了解結構傾斜情況，因此，需要對升壓站傾斜情況進行監測，結構晃動程度主要通過結構傾斜角度進行評價，為此本項目采用傾角傳感器監測結構傾斜程度。考慮升壓站結構特點，選擇在四個樁腿根部與加速度傳感器同步布置傾角傳感器，通道編號如下：

位置1測點編號：Q1X，Q1Y;

位置2測點編號：Q2X，Q2Y;

位置3測點編號：Q3X，Q3Y;

位置3測點編號：Q4X，Q4Y。

其中測點編號中 Q1～Q4 表示測點位置， X、Y分別表示結構的縱搖和橫搖角度。傾角傳感器如圖2所示。

以上四個位置分別安裝三向加速度傳感器（共 9 個加速度振動信號）和傾角傳感器（共8個角度信號），用以監控和采集整個海運過程中，這四個位置三個方向加速度值和兩個方向角度值，并對測點數據進行存儲和記錄。上述升壓站加速度傳感器和傾角傳感器布置如圖3所示，測點與動態信號采集通道配置見表1所列。

3采集通道的設計與配置

信號監測系統是一套安裝在現場的精密的動態信號測試分析系統，該系統的現場應用環境惡劣。所以，為了實現傳感器信號的有效傳輸和控制，提高模擬信號在傳輸中的抗干擾能力，達到狀態分析所要求的信號濾波、放大、轉換等調理功能，本項目設計的遠海運輸環境下升壓站結構狀態監測傳感器接線原理如圖4所示。

在 4個振動測點位置（J1～J4）中，每個測點由一個3向加速度傳感器組成。每個加速度傳感器通過相應的信號線連接，輸出電壓信號，并通過五芯屏蔽線，使信號遠距離傳輸至動態信號采集儀，當電壓信號傳送至動態信號采集儀時，其五芯屏蔽線根據表1的測點編號與采集儀的對應通道編號連接。

在4個傾角測點位置（Q1～Q4）中，每個測點由一個2向傾角傳感器組成。每個傾角傳感器通過相應的信號線連接，輸出電壓信號，并通過四芯屏蔽線，使信號遠距離傳輸至動態信號采集儀，當電壓信號傳送至動態信號采集儀時，其四芯屏蔽線根據表1的測點編號與采集儀的對應通道編號連接。

4 監測數據分析

采集通道及傳感器安裝調試完成后，在通電狀態下，監測系統便可實時采集升壓站在船運過程中的振動和傾角數據，考慮海上升壓站運輸過程處低頻振動狀態，因此，監測系統采樣頻率設置為1HZ。以某海上升壓站海上運輸數據監測為例，分析了海上升壓站運輸過程中關鍵部位的振動和傾斜情況。以下是測點1連續采集約26小時的監測數據分析情況。

由上述波形圖分析可以看出，運輸過程中測點1最大加速度為0.23m/s2，最大傾斜角度均小于0.3°。數據表明，該升壓站在海上運輸過程中均處于較平穩狀態。

5 結語

本文以海上升壓站遠海運輸為研究案例，在分析海運環境和升壓站結構監測參數等技術要求基礎上，研究了海運環境下設備結構安全影響因素和監測信號特點及技術要求，提出了一種船運過程中設備結構的振動和晃動數據監測方法和系統，實現了海洋運輸環境下裝備結構振動和傾斜角度的實時數據獲取，從而分析在船運過程中升壓站結構的狀態變化趨勢，實現了對升壓站結構安全狀態的分析。該技術適用于大型裝備或鋼結構在海洋運輸環境中船運狀態的跟蹤和分析。

參考文獻：

[1]王凱，王騰飛，吳兵，嚴新平.船舶導航與海洋運輸安全的發展動態與展望——TansNav 2017國際會議綜述[J].交通信息與安全，2017，35（04）：1-11.

[2]劉述芳，徐永能，喬僑.大型裝備健康診斷和智能維護管理系統概述[J].兵器裝備工程學報，2017，38（12）：297-300+304.

[3]曹建福，金楓.大型裝備狀態監測無線傳感器網絡的研究[J].傳感技術學報，2011，24（04）：570-575.