CN110374858A - 一种海洋平台水泵载荷识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海洋平台水泵载荷识别方法，该方法包括：第一步，在正常开机工况下测试水泵各测点响应信号；第二步，在水泵关闭状态下，测试各测点响应信号；第三步，计算相关系数，提取数据样本；第四步，计算谐波时域信号。具有更高的精度，能够精确的提取海洋平台水泵的真实载荷，为后续的结构优化设计，有限元仿真计算和故障识别及寿命预测，提供基础。

Description

一种海洋平台水泵载荷识别方法
技术领域
本发明涉及结构力学性能测试分析领域，具体地涉及一种海洋平台水泵载荷识别方法。
背景技术
动力学研究范畴内存在三大问题——结构动力学响应、结构动态特性(模态)和载荷识别。其中前两类问题的技术比较成熟，但载荷识别一直是结构动力学的最大难点，同时也是非常关键的问题，任何产品的设计，都需要首先确定载荷，才能预估产品在实际工作过程中的状态，从而在设计阶段完成设备的优化工作。
海洋甲板的振动问题一直是一个很受关注的现象，尤其是甲板振动引起水泵等设备的寿命大大缩短，故障发生的几率大幅增加。所以，准确得到海洋平台水泵等设备的真实载荷，对于分析设备故障原因，预测设备寿命，具有非常重要的意义。目前，海洋平台甲板水泵载荷获取的方法主要由以下几类：
(1)设备定型后，在模拟工况或者实际工况下工作，安装力传感器或者加速度传感器进行直接测量。
(2)通过测量设备的模态特性和振动响应，通过以下公式反算设备的载荷：
F＝A*H-1
其中，F为动态载荷，A为响应，H为结构动力学特性矩阵。
对于上述第一种方法，力传感器的安装对于绝大多数的应用场景非常困难，并且海洋平台的工况很难模拟(平台的刚度存在特殊性)，同时，实际采集得到的信号中，不但包含设备的载荷，同时还包含周边设备振动引起的动力载荷；
对于上述第二种方法，由于任何结构或者设备都是无穷多自由度，同时实验模态技术得到的模态结果都是截断的，和真实的动态特性矩阵存在很大的差别；其次，在实验模态得到的动态矩阵很难实现完成的解耦，也就是奇异的，而奇异矩阵的求逆会产生很大的误差，所以，由此方法得到的载荷，存在很大的不确定性。
因此，需要提供一种海洋平台水泵载荷识别的方法，能够将海洋甲板水泵在真实工况下的动态载荷很好的提取出来，从而为仿真计算或者台架实验提供准确的输入载荷，优化产品设计过程，实现对故障原因的分析以及设备寿命的预期。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种海洋平台水泵载荷识别的方法，能够将海洋甲板水泵在真实工况下的动态载荷很好的提取出来，从而为仿真计算或者台架实验提供准确的输入载荷，优化产品设计过程。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种海洋平台水泵载荷识别方法，该方法包括：
第一步，在正常开机工况下测试水泵各测点响应信号；
第二步，在水泵关闭状态下，测试各测点响应信号；
第三步，计算相关系数，提取数据样本；
第四步，计算谐波时域信号。
进一步地，测点包括轴承座、靠近轴承位置处、底座、泵脚和出口法兰这些位置中的多个。
进一步地，将轴承座和靠近轴承处为主要测点，泵脚、底座和出口法兰处的测点为辅助测点。
进一步地，测点位置安装振动传感器来进行振动数据的测量。
进一步地，上述振动传感器为接触式振动传感器
进一步地，每个测点都要进行多个自由度的测量。
进一步地，每个测点在三个互相垂直的方向进行测量。
进一步地，每个测点在水平、垂直和轴向三个方向进行测量。
进一步地，各个测点的振动响应信号可以包括振动位移、振动速度和振动加速度中的至少一个。
本发明提供的海洋平台水泵载荷识别的方法，能够将海洋甲板水泵在真实工况下的动态载荷很好的提取出来，从而为仿真计算或者台架实验提供准确的输入载荷，优化产品设计过程。
附图说明
图1为本发明提供的海洋平台水泵载荷识别方法的流程图；
具体实施方式
以下将对本发明的一种海洋平台水泵载荷识别方法作进一步的详细描述。
下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有益效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须作出大量实施细节以实现开发者的特定目标。
如图1所示，本发明提供的一种海洋平台水泵载荷识别方法，包括如下步骤：
第一步，在正常开机工况下测试水泵各测点响应信号。
首先，确定水泵的测点位置，水泵的多处部位被选择为测点，上述测点包括轴承和重力所在的位置，测点选择包括振动能量向弹性基础或者系统其他部件进行传递的部位，上述包括轴承座、靠近轴承位置处、底座、泵脚和出口法兰这些位置中的多个，优选地将轴承座和靠近轴承处为主要测点，泵脚、底座和出口法兰处的测点为辅助测点。
通过在上述确定的测点位置安装振动传感器来进行振动数据的测量，优选地上述振动传感器为接触式振动传感器。
接下来，将海洋平台使用的水泵开机，并进入稳定工作状态，在稳定工作状态下，测量正常开机工况下测试水泵各测点响应信号。
其中，每个测点都要进行多个自由度的测量，优选地，每个测点在三个互相垂直的方向，即水平、垂直和轴向三个方向进行测量。
各个测点的振动响应信号可以包括振动位移、振动速度和振动加速度中的至少一个。
上述测点位置以及测量量的设置为水泵载荷识别的数据采集提供了基础，使得数据收集更加全面、稳定，为后续的数据计算提供了坚实的基础。
第二步，在水泵关闭状态下，测试各测点响应信号。
在对正常开机工况下水泵各测点相应信号收集完毕后，关闭水泵。在水泵停止工作的状态下，对上述各测点的振动响应信号进行测量。
其中，每个测点都要进行多个自由度的测量，优选地，每个测点在三个互相垂直的方向，即水平、垂直和轴向三个方向进行测量。
各个测点的振动响应信号可以包括振动位移、振动速度和振动加速度中的至少一个。
第三步，计算相关系数，提取数据样本。
所述相关系数为开机工况和关机状态下，振动样本的相关性。具体的过程如下：
1)对于开机工况下的数据进行整理，具体为：
将开机工况下的数据定义为M开i(a开i，ti)，其中a开表示正常开机工况下测试水泵各测点的响应信号数值，t表示该数据对应的时间，i表示任意一个开机工况数据。
当与同时为正数或者同时为负数(即同号)时，则将该数值点M开i计入当前数据样本段，并继续扫描下一数值点M开i+1。
当与为一正一负(即异号)时，则结束上一段数据样本段，将M开i-1作为上一段数据样本段的结束点，并将该数值点M开i作为新的一个数据样本分段的起始点。
按照上述方式将开机工况下的数据提取P个数据样本段，每个数据样本段包含kj个连续的有效数据点，其中j为P个数据样本中的任意一个。
通过上述方法对水泵载荷的开机数据进行分段选取，考虑到水泵载荷数据的趋势变化，并且根据震动数据的趋势变化对开机数据进行分段处理，不仅起到了快速数据分段提取的目的，更重要的是将变化趋势相同的数据进行同一分段处理在后续的相关性计算中能够避免数据振荡带来的干扰，使得相关系数计算结果更加准确。
2)计算关机后的信号的平均值，随后对关机后的信号进行扫描，找到一个大于上述平均值的数据点，然后在该数据点后续的数据点范围内，选取与该数据点最相邻的一个小于平均值的数据点。将上述两个数据点作为起始点，分别截取两段数据样本段，每个数据样本段具有k个数据点；
3)设开机工况下的P个数据样本段中的任意一个为j，其中第j段开机状况数据与两段关机数据进行相关系数计算，若两个相关系数计算结果存在小于0的情况,则重新进行上述步骤2)中的扫描步骤，查询下一个关机信号的大于上述平均值的数据点来截取两段数据样本；
若相关系数计算结果均大于等于零，则选取下一段开机工况数据，并重新进行上述步骤2)中的扫描步骤，查询下一个关机信号的大于上述平均值的数据点来截取两段数据样本，直至将所有的关机信号数据样本段都计算完成相关系数之后，选择下一段开机工况数据样本段，重复上述计算。
每段开机工况数据对应筛选出的关机信号数为Qj；根据上述方法，提取P*Qj样本。
上述振动的相关系数的计算方式如下：
其中，R开，关为相关系数，a开表示正常开机工况下测试水泵各测点的响应信号，a关表示在水泵关闭状态下测试各测点响应信号。
通过上述计算方式，通过参考开、关机振动测量值的相关性来进行开、关机数据样本的提取，不仅使得数据提取更加具有客观依据，而且可以通过以大于平均值和小于平均值的两个数据为起点的两段数据的计算比较提高上述数据提取的准确性。
第四步，将开机工况样本和关机工况样本进行傅立叶变换，并采用平均谱减法得到谐波成分(即频谱)，然后进行逆傅里叶变换，得到谐波时域信号，具体为；
F(t)＝FFT-1(F)
其中，F(j)为第j段信号的平均谐波成分，F开(j)为正常开机工况下第j段信号的谐波成分，F关(t)为水泵关闭状态下的谐波成分，F为正常开机工况下的平均谐波成分，F(t)为谐波时域信号。
通过谐波时域信号F(t)可以表征海洋平台水泵真实载荷，为识别设备故障，预测结构寿命提供了客观的数据基础。
上述实施例展示了振动响应信号为1个时的计算方式，当振动响应信号包括振动位移、振动速度和振动加速度中的多个时，需要对每个响应信号分别计算，并且对各个不同相应信号的相关系数取平均值从而用于提取样本。
相对于传统的载荷提取方法，该方法具有更高的精度，能够精确的提取海洋平台水泵的真实载荷，为后续的结构优化设计，有限元仿真计算和故障识别及寿命预测，提供基础。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，因此以上所述仅为本发明的实施例。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还包括各种等效变化和改进，这些变化和改进都将落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。

Claims (9)

1.一种海洋平台水泵载荷识别方法，其特征在于：该方法包括：
第一步，在正常开机工况下测试水泵各测点响应信号；
第二步，在水泵关闭状态下，测试各测点响应信号；
第三步，计算相关系数，提取数据样本；
第四步，计算谐波时域信号。
2.根据权利要求1所述的海洋平台水泵载荷识别方法，其特征在于：包括轴承座、靠近轴承位置处、底座、泵脚和出口法兰这些位置中的多个。
3.根据权利要求2所述的海洋平台水泵载荷识别方法，其特征在于：将轴承座和靠近轴承处为主要测点，泵脚、底座和出口法兰处的测点为辅助测点。
4.根据权利要求1所述的海洋平台水泵载荷识别方法，其特征在于：测点位置安装振动传感器来进行振动数据的测量。
5.根据权利要求4所述的海洋平台水泵载荷识别方法，其特征在于：上述振动传感器为接触式振动传感器。
6.根据权利要求1所述的海洋平台水泵载荷识别方法，其特征在于：每个测点都要进行多个自由度的测量。
7.根据权利要求6所述的海洋平台水泵载荷识别方法，其特征在于：每个测点在三个互相垂直的方向进行测量。
8.根据权利要求7所述的海洋平台水泵载荷识别方法，其特征在于：每个测点在水平、垂直和轴向三个方向进行测量。
9.根据权利要求1所述的海洋平台水泵载荷识别方法，其特征在于：各个测点的振动响应信号可以包括振动位移、振动速度和振动加速度中的至少一个。
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