機電設備全壽命周期振動環(huán)境應力剖面分析

王 琳，徐曉通，葛傳寶，馮 飛，劉長利

（1.上海船舶設備研究所，上海 200031；2.華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237）

0 引言

本文通過開展船用機電設備在海洋環(huán)境條件下承受的關(guān)鍵環(huán)境應力分析與研究，搜集設備振動環(huán)境應力數(shù)據(jù)進行分析，形成船用機電設備全壽命期振動環(huán)境應力剖面，填補我國在此領(lǐng)域的空白，為以后開展我國船用機電設備全壽命期環(huán)境適應性試驗技術(shù)的相關(guān)研究打下基礎，從而彌補設備傳統(tǒng)環(huán)境試驗技術(shù)的不足，解決船用機電設備全壽命期的環(huán)境適應性問題。這將對我國海軍裝備全壽命期的環(huán)境適應性和耐環(huán)境能力的改進具有巨大的推動作用，確保船用機電設備在整個服役期內(nèi)的戰(zhàn)備完好性和完成任務的成功性。本文將以電控箱和閥門作為機電的船用設備進行研究。

1 船用機電設備環(huán)境應力分析

1.1 環(huán)境應力種類

船用的機電設備是船用相當重要的組成部分，在運行的過程中一旦出現(xiàn)故障，很有可能造成船用部分功能的喪失，甚至影響到船用的正常工作。環(huán)境因素是影響船用設備正常運行的主要原因，因此為了保證船用上機電設備的正常運行，對其工作的環(huán)境條件進行了調(diào)查，大致有以下幾種：氣候環(huán)境，如溫度、濕度、氣壓、輻射、風、浪、鹽霧和霉菌等；機械環(huán)境，如沖擊、振動、搖擺、離心、碰撞和疲勞等[1]。

1.2 振動環(huán)境應力影響

環(huán)境應力的種類雖多，但其對機電設備的影響程度是不同的。其中，本文取其中最重要、影響最大的環(huán)境因素——振動環(huán)境應力進行分析。船用上的振動主要是由自然環(huán)境（海浪、風）激勵和強迫激勵（螺旋槳軸轉(zhuǎn)速、往復機械和其他裝備的運行）引起的。綜合考慮下，船用上設備工作環(huán)境的振動條件，可按頻率1 Hz～16 Hz，振幅±1 mm；頻率16 Hz～60 Hz，加速度不小于7 m/s2來要求。上限頻率視主機推進轉(zhuǎn)速和螺旋槳葉片數(shù)而定。振動除了能引起船用設備的疲勞破壞，對設備產(chǎn)生的最大危害是能引起共振現(xiàn)象。由于大多數(shù)設備的阻尼都很小，當振動源的頻率在設備的共振頻率附近時，會引起設備的很大響應，造成設備內(nèi)部構(gòu)件的松脫，接線振斷，甚至有短路現(xiàn)象，使設備無法正常運行[2]。

2 機電設備振動應力數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

2.1 振動環(huán)境應力數(shù)據(jù)的預處理

工程師在船用上所采集的各種設備的環(huán)境應力數(shù)據(jù)并不能直接用于統(tǒng)計分析。在對振動環(huán)境應力進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析時需要對數(shù)據(jù)進行預處理。

針對搜集機電船用機電設備的海洋環(huán)境條件下的振動應力數(shù)據(jù)進行初步的預處理：將數(shù)據(jù)中錯誤的值和奇異值進行刪減和修正。考慮到振動環(huán)境應力原始數(shù)據(jù)量巨大，簡單剔除錯誤數(shù)據(jù)導致大量數(shù)據(jù)缺失，為此采用分段處理的辦法：用UEStudio分析文件，逐個讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分割成txt文件，對于每個txt文件逐行閱讀，判斷格式是否為YY-MM-DD HH-MM-SS 或P-xxx.xx R-xxx.xx，若是，便將該行寫入一個新的txt文件；否則不寫入。根據(jù)不同環(huán)境應力數(shù)據(jù)特征，針對保存的每個txt文件進行數(shù)據(jù)比較，通過編制軟件比對相鄰點之間值的差異。有些參數(shù)如果數(shù)據(jù)變化不大，進行下一條檢測；如果差異太大，考慮應力數(shù)據(jù)特性，對數(shù)據(jù)進行鑒定，談后采取保留、刪減或是修正措施[2]。

2.2 振動環(huán)境應力的統(tǒng)計分析

在3個機電設備的周圍環(huán)境中各取3個點（共9個點）所測量的9組振動環(huán)境應力數(shù)據(jù)經(jīng)過預處理之后，還要進行進一步的歸納處理，才能用于數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。將處理之后的環(huán)境應力數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并進一步獲取數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖來展現(xiàn)船用機電設備在一定的時間內(nèi)所承受環(huán)境應力數(shù)值和比例。

采用50通道的振動應力測量系統(tǒng)，錄取了各個機電設備50個圖譜。在經(jīng)過預處理之后，還要進行以下幾步數(shù)據(jù)處理。

1）數(shù)據(jù)編輯的再度確認。裝備動力學環(huán)境中的動態(tài)測量數(shù)據(jù)具有隨機性且具有周期性，某些劇烈或瞬變激勵可能導致奇異數(shù)據(jù)。運用隨機性檢驗對實測振動數(shù)據(jù)進行編輯確認，確定實測數(shù)據(jù)的分布形式及敏感應力，剔除奇異數(shù)據(jù)。

2）平穩(wěn)性檢驗。不同狀態(tài)下測量獲得的振動數(shù)據(jù)是一個非平穩(wěn)隨機序列，但在某個特定狀態(tài)下或較短時段又具有平穩(wěn)性。采用輪次法對測量數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性進行檢驗[3]。

3）周期性檢驗。根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的周期性是否存在著衰減以及衰減的快慢估計信號帶寬，檢驗隨機信號是寬帶還是窄帶信號[4]。如隨機信號中包含周期成份，則自相關(guān)函數(shù)中包含不隨時間衰減的周期性成份，反之亦然。隨機信號x(t)的均方值是其自相關(guān)函數(shù)在t1=t2=t3時的特例。

4）正態(tài)性檢驗。對于存在弱干擾的隨機信號，為了工程上處理的方便，將干擾近似為正態(tài)隨機過程，采用模擬正態(tài)概率紙方法對測量數(shù)據(jù)的正態(tài)性進行檢驗[5]。

5）快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）譜分析。所測得的時域圖譜，通過FFT譜分析可直接得到隨機信號的頻域分布，見圖1。利用復指數(shù)函數(shù)的周期性、對稱性及中間運算結(jié)果對任意連續(xù)時域信號進行抽樣和截斷，得到其離散型頻譜，該頻譜的包絡線即連續(xù)信號頻譜的估計值[6]。

圖1 頻域圖譜

6）功率譜分析。能譜反映隨機信號x(t)的能量分布，是其FFT頻譜平方的積分求和，見圖2。

圖2 功率譜

7）求功率譜密度（Power Spectral Density，PSD）圖譜。時間歷程T內(nèi)，隨機信號x(t)在某頻段內(nèi)的平均功率和單位帶寬Δf內(nèi)的平均功率即自功率譜密度函數(shù)分別為式（1）和式（2）[7]。

功率譜密度函數(shù)與自相關(guān)函數(shù)互為正、逆FFT變換，其中，x2(t)表示時間歷程x(t)的平均能量即平均功率。功率譜密度PSD圖譜見圖3。

圖3 功率譜密度

8）統(tǒng)計各次測量各通道各譜線的PSD，形成統(tǒng)計表，為之后的振動應力剖面的形成做基礎數(shù)據(jù)。

3 船用機電設備振動環(huán)境應力剖面分析

實測數(shù)據(jù)通常是在多通道和多個狀態(tài)下測得的，在對振動數(shù)據(jù)進行歸納分析之前，首先要對所有通道和所有狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計參數(shù)假設檢驗，獲取特征樣本。預處理和統(tǒng)計歸納分析之后得到特征樣本的隨機振動規(guī)范[8]。本文的振動數(shù)據(jù)歸納方法按照GJB/Z 126—99《振動、沖擊環(huán)境測量數(shù)據(jù)歸納方法》推薦的統(tǒng)計容差法。統(tǒng)計容差法將振動數(shù)據(jù)歸納方法由傳統(tǒng)的極值包絡方法上升到基于統(tǒng)計概念的歸納處理方法。其方法和流程見圖4[9]。

圖4 隨機振動測量數(shù)據(jù)歸納及剖面生成圖

測量數(shù)據(jù)有多種狀態(tài)時，應對同一區(qū)域內(nèi)不同狀態(tài)的振動數(shù)據(jù)進行參數(shù)假設檢驗，判斷不同狀態(tài)是否屬于同一總體，歸并屬于同一總體的狀態(tài)，最終形成特征樣本。設同一數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)不同狀態(tài)下振動數(shù)據(jù)的功率譜密度為Gk（f,s,t）(f=1,2,···,F,s=1, 2, ···,S,t=1, 2, ···,T)，F(xiàn)為數(shù)據(jù)區(qū)域數(shù)，S為狀態(tài)數(shù)，T為狀態(tài)樣本容量。

對Gk（f,s,t）進行均方根（Root Mean Square，RMS）計算，得到RMS(f, s, t)(f=1, 2, ···,F；s=1,2, ···,S；t=1, 2, ···,T)對各個狀態(tài)進行集合判斷，將屬于同一總體的狀態(tài)進行合并，最終形成特征樣本集G?k(f, p, q) (f=1, 2, ···,F,p=1, 2, ···,P,q=1,2, ···,Qp)，F(xiàn)為數(shù)據(jù)區(qū)域數(shù)，P為合并后的狀態(tài)數(shù)，Qp為合并后的狀態(tài)樣本容量。以特征樣本集作Gk（f,s,t）為確定振動試驗條件的基礎[10]。

在船用電控箱設備中，數(shù)據(jù)通道1、通道2、通道3歸并為數(shù)據(jù)區(qū)域A，分別選取數(shù)據(jù)區(qū)域A中4種狀態(tài)振動環(huán)境條件為：5.2×105g2/Hz、1.59×104g2/Hz、3.13×104g2/Hz和6.94×104g2/Hz。船用閥門設備，其數(shù)據(jù)通道4、5、6歸并為數(shù)據(jù)區(qū)域B，分別選取數(shù)據(jù)區(qū)域A中4種狀態(tài)振動環(huán)境條件為：3.8×105g2/Hz、1.09×104g2/Hz、4.38×104g2/Hz和8.54×104g2/Hz；再根據(jù)船用各個航行狀態(tài)在機電設備平均任務時間內(nèi)所占的比例（任務剖面）確定各個量值的時間，編制出剖面時序表，根據(jù)剖面時序表即可繪制出振動試驗剖面，電控箱振動應力剖面見圖5，閥門振動應力剖面見圖6[11]。

圖5 電控箱振動應力剖面

圖6 閥門振動應力剖面

4 結(jié)論

本文首先指出了船用機電設備易受到的環(huán)境應力作用的種類以及其影響最大的振動環(huán)境應力對船用設備壽命的不利影響，然后展開了振動環(huán)境應力的研究，針對所搜集的數(shù)據(jù)進行初步處理分析，以閥門、電控箱、泵為例，根據(jù)獲取的海洋環(huán)境條件下的船用機電設備振動環(huán)境應力PSD統(tǒng)計數(shù)據(jù)圖，形成了不同設備的振動環(huán)境應力剖面圖。