CN108225169B - 一种大型船舶推进轴系状态监控方法 - Google Patents

一种大型船舶推进轴系状态监控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型船舶推进轴系状态监控方法，具体包括以下步骤：在艉管轴承上选取监测位置；在监测位置处的轴承沟槽内固定电涡流位移传感器；电涡流位移传感器将其实时检测到的轴心偏移电压信号通过数据采集盒传输给上位机，上位机根据接收到的信号计算出监测位置处的轴心实时位置；计算监测位置处的轴承油膜最小间隙；综合判断轴系运行状态。本发明将各监测位置处的轴承油膜最小间隙与船舶航行状态信号相结合，进行实时可视化显示，可直观地、高精度地显示大型船舶推进轴系运行状态，当轴系运行出现故障时，能够发出报警信号，以保证轴系安全运行。

Description

一种大型船舶推进轴系状态监控方法
技术领域
本发明涉及船舶建造技术领域，特别是涉及一种大型船舶推进轴系状态监控方法。
背景技术
基于艉管轴承、中间轴承温度传感器的船舶推进轴系故障判断方法在中小型船舶中得到了广泛应用，为判断轴系的状态起到了重要作用。但由于温度信号的迟滞性，往往是轴系和轴承发生摩擦到一定程度才会引起轴承高温报警，当出现高温报警时，轴承往往已经被烧坏。
船舶推进轴系设计和故障诊断涉及轴系校中、流体动力润滑、螺旋桨动态水动力、船舶操纵等多种学科，目前单纯的依靠轴承温度传感器信号分析判断轴系故障原因比较抽象，无法准确确定故障原因。
同时，由于船舶朝着大型化、轻量化的发展，大直径轴系的刚度与船体刚度越来越不匹配，而低转速、大盘比螺旋桨的应用使得大型船舶推进轴系的动态载荷越来越复杂,特别是对于双轴系大型液化天然气船，双螺旋桨的相互影响，使得船舶推进轴系随时有可能出现故障。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，设计出一种大型船舶推进轴系状态监控方法。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种大型船舶推进轴系状态监控方法，具体包括以下步骤：
步骤1：根据轴系对中斜镗孔设计方案，在后艉管轴承的长度方向上选取至少三个监测位置、在前艉管轴承的长度方向上选取至少两个监测位置；
步骤2：在每个监测位置处的轴承沟槽内分别固定一组用于检测各监测位置处轴系轴心偏移量的电涡流位移传感器组，每组电涡流位移传感器组均包括3个等间隔固定在轴承沟槽内的电涡流位移传感器；
步骤3：所有电涡流位移传感器将其实时检测到的轴心偏移电压信号通过数据采集盒传输给上位机，上位机对接收到的信号进行处理并根据公式
Figure BDA0001518525740000021
分别计算各监测位置处的轴心实时位置，其中，
Figure BDA0001518525740000022
为第m个监测位置处轴心的实际位置，m≥1；
Figure BDA0001518525740000023
为第m个监测位置处轴心的初始位置，
Figure BDA0001518525740000024
为第m个监测位置中第n个电涡流位移传感器检测到的轴心偏移量，
Figure BDA0001518525740000025
为第m个监测位置中第p个电涡流位移传感器检测到的轴心偏移量，1≤n≤3，1≤p≤3，且n≠p；
步骤4：上位机根据各监测位置处的轴心实时位置以及每个监测位置处各传感器之间的空间几何关系分别计算出各监测位置处的轴承油膜最小间隙；
步骤5：船舶集成自动化系统将其检测到的船舶航行参数信号通过数据采集盒传输给上位机，上位机根据接收到的船舶航行参数信号和计算出的各监测位置处的轴承油膜最小间隙判断轴系运行状态，并绘制得到轴系运动状态的频谱分析图、时域分析图和轴心轨迹图。
作为优选地，所述步骤3中还包括步骤3.1：当某一监测位置的电涡流位移传感器组中的一个传感器出现故障时，上位机自动选择另外两个电涡流位移传感器的检测信号来计算该监测位置的轴心实时位置。
作为优选地，所述步骤3中
Figure BDA0001518525740000026
的长度
Figure BDA0001518525740000027
其方向与第m个监测位置中第n个电涡流位移传感器的固定方向相同，其中Vm,n为第m个监测位置中第n个电涡流位移传感器的初始静态电压与其实时检测的轴心偏移电压值的差值，Sm,n为第m个监测位置中第n个电涡流位移传感器的灵敏度；
Figure BDA0001518525740000028
的长度
Figure BDA0001518525740000029
其方向与第m个监测位置中第p个电涡流位移传感器的固定方向相同，其中Vm,p为第m个监测位置中第p个电涡流位移传感器的初始静态电压与其实时检测的轴心偏移电压值的差值，Sm,p为第m个监测位置中第p个电涡流位移传感器的灵敏度。
作为优选地，所述步骤5中判断轴系运行状态的具体步骤为：
步骤5.1：根据接收到的船舶航行参数信号和轴系设计参数设定轴系边界润滑状态下的最小油膜许用厚度；
步骤5.2：上位机判断是否存在一轴承油膜最小间隙小于最小油膜许用厚度，若存在，则立即向船舶主推进系统发出降低转速的控制指令。
作为优选地，所述最小油膜许用厚度的厚度范围为0.04mm-0.06mm。
作为优选地，所述船舶航行参数信号包括船舶舵角信号、航速信号、压载吃水深度信号、轴系功率信号、前艉管轴承温度信号和后艉管轴承温度信号。
作为优选地，所述步骤5之后还包括步骤6：若轴系运行出现故障时，上位机直接控制船舶主推进系统动作，同时控制蜂鸣器发出报警信号。
作为优选地，所述后艉管轴承上的监测位置为三个，分别为第一监测位置、第二监测位置和第三监测位置，所述第一监测位置设置在距离后艉管轴承前端面100mm-300mm的位置处，第二监测位置设置在后艉管轴承的中间，第三监测位置设置在距离后艉管轴承后端面100mm-300mm的位置处；所述前艉管轴承上的监测位置为两个，分别为第四监测位置和第五监测位置，第四监测位置设置在距离前艉管轴承前端面100mm-300mm的位置处，第五监测位置设置在距离前艉管轴承后端面100mm-300mm的位置处。
作为优选地，所述电涡流位移传感器的检测探头正对轴心设置，同一电涡流位移传感器组中相邻两个电涡流位移传感器与轴心连线的夹角为60°。
作为优选地，所述上位机设置在船舶机舱集控室的控制台上，数据采集盒固定在艉轴壳前端，电涡流位移传感器的检测探头固定在轴承沟槽内且其通信线布设在进油沟槽内。
本发明的积极有益效果：
1、本发明通过在后艉管轴承和前艉管轴承上选取多个监测位置，并将各监测位置处的轴承油膜最小间隙与船舶航行状态信号相结合，进行实时可视化显示，可直观观察大型船舶推进轴系运行状态。
2、本发明通过上位机以及存储在上位机内的运行算法，能够自动向船舶主推进装置发出控制指令，以实时控制推进轴系的运行状态，当轴系运行出现故障时，能够发出报警信号，及时提醒轮机员轴系出现故障危险，便于及时采取措施，保证轴系安全运行。
3、本发明克服了当前船舶推进轴系进行“黑匣子”状态运行、无法分析轴系状态的不足，通过对轴系不同监测位置处的最小油膜间隙、推进系统和船舶运行状态参数实时信息的监测，在显示屏上实时显示轴系各监测位置的模拟转动图像，高精度地显示出各监测位置处的动态间隙变化和最小油膜方向。
附图说明
图1为本发明船舶推进轴系状态监控系统的原理框图。
图2为本发明状态监控方法的流程图。
图3为任一监测位置处的电涡流位移传感器组的固定状态示意图。
图中标号的具体含义为：1为电涡流位移传感器，2为船舶集成自动化系统，3为数据线，5为数据采集盒，4为网线，6为上位机，7为船舶主推进系统，8为艉管轴承。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
结合图1-图3说明本实施方式，本发明的大型船舶推进轴系状态监控方法用于船舶推进轴系状态监控系统中，用于对轴系运行状态进行实时监控。所述船舶推进轴系状态监控系统包括艉管轴承8、电涡流位移传感器1、数据采集盒5、上位机6、船舶集成自动化系统2和船舶主推进系统7。所述艉管轴承8包括后艉管轴承和前艉管轴承，后艉管轴承的长度方向上有至少三个监测位置、在前艉管轴承的长度方向上有至少两个监测位置，每个监测位置处的轴承沟槽内均固定有一组电涡流位移传感器组。所述电涡流位移传感器1通过数据线3与数据采集盒5连接，数据采集盒5固定在艉轴壳前端，数据采集盒5通过网线4与上位机6进行通信连接，上位机6设置在船舶机舱集控室的控制台上，上位机6通过数据线与船舶主推进系统连接。所述船舶集成自动化系统2通过数据线与数据采集盒5相连接。
具体包括以下步骤：
步骤1：根据轴系对中斜镗孔设计方案，在后艉管轴承的长度方向上选取至少三个监测位置、在前艉管轴承的长度方向上选取至少两个监测位置。
步骤2：在每个监测位置处的轴承沟槽内分别固定一组用于检测各监测位置处轴系轴心偏移量的电涡流位移传感器组，每组电涡流位移传感器组均包括3个等间隔固定在轴承沟槽内的电涡流位移传感器，每个传感器的检测探头正对轴心设置，检测探头通过打孔安装固定在轴承沟槽内且其通信线布设在进油沟槽内，同一组传感器组中的相邻两个电涡流位移传感器与轴心连线的夹角为60°。
步骤3：所述数据采集盒5固定在艉轴壳前端，上位机6设置在船舶机舱集控室的控制台上，所述电涡流位移传感器1的信号输出端与数据采集盒5的信号输入端连接，数据采集盒5的信号输出端通过网线4与上位机6连接。上位机内部的控制软件部分主要用于存储、分析、处理从传感器和船舶集成自动化系统接收到的数据，以得到轴系运动状态数据、轴系运动状态的频谱分析图、时域分析图和轴心轨迹图。上位机的显示屏上能够实时显示各监测位置处的轴承油膜最小间隙、最小间隙处的角度、舵角、航速、船舶吃水、轴系功率数值等。
具体地，所有电涡流位移传感器将其实时检测到的轴心偏移电压信号通过数据采集盒传输给上位机，上位机对接收到的信号进行处理并根据公式
Figure BDA0001518525740000051
分别计算各监测位置处的轴心实时位置，其中，
Figure BDA0001518525740000052
为第m个监测位置处轴心的实际位置，m≥1；
Figure BDA0001518525740000053
为第m个监测位置处轴心的初始位置，
Figure BDA0001518525740000054
为第m个监测位置中第n个电涡流位移传感器检测到的轴心偏移量，
Figure BDA0001518525740000055
为第m个监测位置中第p个电涡流位移传感器检测到的轴心偏移量，1≤n≤3，1≤p≤3，且n≠p。
Figure BDA0001518525740000056
的长度
Figure BDA0001518525740000057
其方向与第m个监测位置中第n个电涡流位移传感器的固定方向相同，其中Vm,n为第m个监测位置中第n个电涡流位移传感器的初始静态电压与其实时检测的轴心偏移电压值的差值，Sm,n为第m个监测位置中第n个电涡流位移传感器的灵敏度。
Figure BDA0001518525740000058
的长度
Figure BDA0001518525740000059
其方向与第m个监测位置中第p个电涡流位移传感器的固定方向相同，其中Vm,p为第m个监测位置中第p个电涡流位移传感器的初始静态电压与其实时检测的轴心偏移电压值的差值，Sm,p为第m个监测位置中第p个电涡流位移传感器的灵敏度。
由上述公式可知，上位机采用某一监测位置处任意两个传感器的检测信号来计算该位置处的轴心实时位置，当该监测位置的传感器组中的某一个传感器出现故障时，上位机会自动选择另外两个电涡流位移传感器的检测信号来计算该监测位置的轴心实时位置。
步骤4：上位机根据各监测位置处的轴心实时位置以及每个监测位置处各传感器之间的空间几何关系分别计算出各监测位置处的轴承油膜最小间隙。
步骤5：船舶集成自动化系统将其检测到的船舶航行参数信号通过数据采集盒传输给上位机，上位机根据接收到的船舶航行参数信号和计算出的各监测位置处的轴承油膜最小间隙判断轴系运行状态，并绘制得到轴系运动状态的频谱分析图、时域分析图和轴心轨迹图。
上位机判断轴系运行状态的具体步骤为：首先，根据接收到的船舶航行参数信号和轴系设计参数设定轴系边界润滑状态下的最小油膜许用厚度；所述最小油膜许用厚度的厚度范围为0.04mm-0.06mm。然后，上位机将计算出的所有轴承油膜最小间隙值与最小油膜许用厚度进行比较，判断是否存在某一轴承油膜最小间隙小于最小油膜许用厚度，若存在，则立即向船舶主推进系统发出降低转速的控制指令。
所述船舶航行参数信号包括船舶舵角信号、航速信号、压载吃水深度信号、轴系功率信号、前艉管轴承温度信号和后艉管轴承温度信号。
步骤6：若轴系运行出现故障时，上位机直接控制船舶主推进系统动作，同时控制蜂鸣器发出报警信号。
在本实施例中，假设后艉管轴承上的监测位置设定为三个，分别为第一监测位置、第二监测位置和第三监测位置，所述第一监测位置设置在距离后艉管轴承前端面100mm-300mm的位置处，第二监测位置设置在后艉管轴承的中间，第三监测位置设置在距离后艉管轴承后端面100mm-300mm的位置处。所述前艉管轴承上的监测位置为两个，分别为第四监测位置和第五监测位置，第四监测位置设置在距离前艉管轴承前端面100mm-300mm的位置处，第五监测位置设置在距离前艉管轴承后端面100mm-300mm的位置处。
后艉管轴承上的三组传感器组和前艉管轴承上的两组传感器组将其检测到的轴心偏移电压信号通过数据采集盒传输给上位机。上位机根据公式
Figure BDA0001518525740000071
分别计算这五个监测位置处的轴心实时位置。
以第一监测位置为例，第一监测位置处有三个电涡流位移传感器，假设这三个传感器的初始静态电压分别为v1,0、v2,0、v3,0，实时检测到的轴心偏移电压值分别为v1,1、v2,1、v3,1，则这三个传感器将其各自检测到的轴心偏移电压值分别传输给上位机，上位机选取任意两个传感器的检测值来计算该监测位置的轴心位置。假设上位机选取的是第1、2个电涡流位移传感器，令公式中m＝1，n＝1，p＝2，则
Figure BDA0001518525740000072
其方向与第一个监测位置中第1个电涡流位移传感器的固定方向相同，
Figure BDA0001518525740000073
其方向与第一个监测位置中第2个电涡流位移传感器的固定方向相同，上位机根据公式
Figure BDA0001518525740000074
计算出第一监测位置的轴心实时位置，上位机根据第一监测位置处的这3个传感器之间的空间位置几何关系计算出该位置的轴承油膜最小间隙。当第1个或第2个传感器出现故障时，上位机会自动选择剩余的两个传感器的检测信号作为计算轴心位置的数据来源。
同理按照上述步骤分别计算出第二监测位置、第三监测位置第四监测位置和第五监测位置的轴心实时位置
Figure BDA0001518525740000075
并计算出各位置处的轴承油膜最小间隙。
上位机将计算出的五个轴承油膜最小间隙分别与最小油膜许用厚度进行比较，若存在某一个轴承油膜最小间隙小于最小油膜许用厚度，则立即向船舶主推进系统发出降低转速的控制指令。同时，上位机绘制出轴系运动状态的频谱分析图、时域分析图和轴心轨迹图，在其显示屏上进行显示，并实时显示各监测位置处的轴承油膜最小间隙、最小间隙处的角度、舵角、航速、船舶吃水、轴系功率数值等，实现了状态监控系统的可视化。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种大型船舶推进轴系状态监控方法,其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：根据轴系对中斜镗孔设计方案，在后艉管轴承的长度方向上选取至少三个监测位置、在前艉管轴承的长度方向上选取至少两个监测位置；
步骤2：在每个监测位置处的轴承沟槽内分别固定一组用于检测各监测位置处轴系轴心偏移量的电涡流位移传感器组，每组电涡流位移传感器组均包括3个等间隔固定在轴承沟槽内的电涡流位移传感器；
所述电涡流位移传感器安装在轴系的上半部分；
所述电涡流位移传感器的检测探头正对轴心设置，同一电涡流位移传感器组中相邻两个电涡流位移传感器与轴心连线的夹角为60°；
步骤3：所有电涡流位移传感器将其实时检测到的轴心偏移电压信号通过数据采集盒传输给上位机，上位机对接收到的信号进行处理并根据公式
Figure DEST_PATH_IMAGE001
分别计算各监测位置处的轴心实时位置，其中，
Figure 307797DEST_PATH_IMAGE002
为第m个监测位置处轴心的实际位置，
Figure 224937DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为第m个监测位置处轴心的初始位置，
Figure 464330DEST_PATH_IMAGE006
为第m个监测位置中第n个电涡流位移传感器检测到的轴心偏移量，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为第m个监测位置中第p个电涡流位移传感器检测到的轴心偏移量，
Figure 859539DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，且
Figure 611595DEST_PATH_IMAGE010
；
所述步骤3中
Figure DEST_PATH_IMAGE011
的长度
Figure 434057DEST_PATH_IMAGE012
，其方向与第m个监测位置中第n个电涡流位移传感器的固定方向相同，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为第m个监测位置中第n个电涡流位移传感器的初始静态电压与其实时检测的轴心偏移电压值的差值，
Figure 638774DEST_PATH_IMAGE014
为第m个监测位置中第n个电涡流位移传感器的灵敏度；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
的长度
Figure 837674DEST_PATH_IMAGE016
，其方向与第m个监测位置中第p个电涡流位移传感器的固定方向相同，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为第m个监测位置中第p个电涡流位移传感器的初始静态电压与其实时检测的轴心偏移电压值的差值，
Figure 444236DEST_PATH_IMAGE018
为第m个监测位置中第p个电涡流位移传感器的灵敏度；
步骤4：上位机根据各监测位置处的轴心实时位置以及每个监测位置处各传感器之间的空间几何关系分别计算出各监测位置处的轴承油膜最小间隙；
步骤5：船舶集成自动化系统将其检测到的船舶航行状态信号通过数据采集盒传输给上位机，上位机根据接收到的船舶航行状态信号和计算出的各监测位置处的轴承油膜最小间隙判断轴系运行状态，并绘制得到轴系运动状态的频谱分析图、时域分析图和轴心轨迹图；
判断轴系运行状态的具体步骤为：
步骤5.1：根据接收到的船舶航行状态信号和轴系设计参数设定轴系边界润滑状态下的最小油膜许用厚度；
步骤5.2：上位机判断是否存在一轴承油膜最小间隙小于最小油膜许用厚度，若存在，则立即向船舶主推进系统发出降低转速的控制指令。
2.根据权利要求1所述的大型船舶推进轴系状态监控方法，其特征在于，所述步骤3中还包括步骤3.1：当某一监测位置的电涡流位移传感器组中的一个传感器出现故障时，上位机自动选择另外两个电涡流位移传感器的检测信号来计算该监测位置的轴心实时位置。
3.根据权利要求1所述的大型船舶推进轴系状态监控方法，其特征在于，所述最小油膜许用厚度的厚度范围为0.04mm-0.06mm。
4.根据权利要求1或2所述的大型船舶推进轴系状态监控方法，其特征在于，所述船舶航行状态信号包括船舶舵角信号、航速信号、压载吃水深度信号、轴系功率信号、前艉管轴承温度信号和后艉管轴承温度信号。
5.根据权利要求1所述的大型船舶推进轴系状态监控方法，其特征在于，所述步骤5之后还包括步骤6：若轴系运行出现故障时，上位机直接控制船舶主推进系统动作，同时控制蜂鸣器发出报警信号。
6.根据权利要求1所述的大型船舶推进轴系状态监控方法，其特征在于，所述后艉管轴承上的监测位置为三个，分别为第一监测位置、第二监测位置和第三监测位置，所述第一监测位置设置在距离后艉管轴承前端面100mm-300mm的位置处，第二监测位置设置在后艉管轴承的中间，第三监测位置设置在距离后艉管轴承后端面100mm-300mm的位置处；
所述前艉管轴承上的监测位置为两个，分别为第四监测位置和第五监测位置，第四监测位置设置在距离前艉管轴承前端面100mm-300mm的位置处，第五监测位置设置在距离前艉管轴承后端面100mm-300mm的位置处。
7.根据权利要求1所述的大型船舶推进轴系状态监控方法，其特征在于，所述上位机设置在船舶机舱集控室的控制台上，数据采集盒固定在艉轴壳前端，电涡流位移传感器的检测探头固定在轴承沟槽内且其通信线布设在进油沟槽内。
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