CN114326652A - 一种船用喷水推进器故障诊断系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及喷水推进器的故障诊断领域，特别涉及一种船用喷水推进器故障诊断系统。本发明提供的故障诊断系统包括性能运行参数检测和机械状态参数检测，其中性能运行参数检测包括三相电测量模块、压力测量模块、流量测量模块和转速测量模块，机械状态参数检测包括振动测量模块、噪声测量模块、位移测量模块和温度测量模块，且每个模块由电源模块供电。喷水推进器经故障诊断系统检测相关参数，并对相关参数进行信号特征量采集，经故障识别模式进行数据分析产出决策，对喷水推进器进行干预。该故障诊断系统能快速有效地识别喷水推进器在运行过程中出现的问题，并产生相应的决策，以防出现安全等事故。
Description
技术领域
本发明涉及一种诊断喷水推进器系统潜在故障的系统，属于喷水推进器的故障诊断技术领域。
背景技术
喷水推进是近20余年急速发展成熟起来的一种特殊的推进方式，它利用喷水推进装置中推进泵喷出的高速水流的反作用力推动水中载体前进。典型的喷水推进装置结构主要由原动机及传动装置、推进水泵、管道系统、舵及倒舵组合操纵设备等组成的。由于喷水推进泵内部流动复杂，状态监测及故障诊断系统的开发对于喷水推进泵技术水平提高是一种有效的手段。同时喷水推进自动监控系统安全可靠地应用，并对出现的故障能够及时准确地进行诊断，是实现控制功能的重要保障。
船舶故障自诊断技术可以分为两大部分：一是设备故障和异常停机时，快速、准确地找到故障点，分析故障原因，排除故障，恢复正常运行；二是在船舶运行中，对关键设备的状态和零件的参数进行实时监测，根据参数的变化趋势，分析可能出现的问题，为采取防范措施提供依据。
由于实际运行条件及各种因素的影响，如设计不当、选型不正确、装配不合理、长期运行磨损、维护不到位、或调度不合理等，再加上机械结构复杂，喷水推进泵在运行过程中常发生各种故障，导致效率下降或失去一定的功能，而喷水推进泵一旦出现故障，将可能导致不可预知的后果并浪费人力、物力、财力等。因此，研究喷水推进泵状态监测及故障诊断技术是当前科技与工业发展的重要课题之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：目前变频工况下的泵性能测试是通过工频测试结合相似换算实现，由于相似性误差及谐波干扰使换算结果与实际数据相差较大，而直接用于变频工况下的泵性能测试系统较少且由于谐波干扰使信号提取难度大，不易测量。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种船用喷水推进器故障诊断系统，用于快速有效地识别喷水推进器在运行过程中出现的问题，并产生相应的决策，其特征在于，包括：
性能运行参数检测子系统，用于获得船用喷水推进器的性能运行参数的实时监测数据；
机械状态参数检测子系统，用于获得船用喷水推进器的机械状态参数的实时监测数据；
数据预处理系统，用于获取性能运行参数检测子系统以及机械状态参数检测子系统采集的监测数据信号，去噪后，提取去噪信号的时域特征参数；
喷水推进器故障诊断模拟实验子系统，用于使船用喷水推进器工作于不同模式，从而获得不同模式下的时域特征参数；
故障诊断模型，用于基于不同模式下的时域特征参数对故障类别进行判断；
决策子系统，用于基于故障诊断模型输出的故障类别产生相应的决策。
优选地，所述性能运行参数检测子系统包括三相电测量模块、压力测量模块、流量测量模块和转速测量模块，以实时监测喷水推进器的运行状态，其中：
三相电测量模块利用电压及电流互感器、三相电计量芯片和滤波电路，将高压三相电降压转换成可测的低压信号，实现对船用喷水推进器的三相电参数信号的测量；
压力测量模块或所述流量测量模块利用I/U转换电路，将压力传感器或流量传感器的标准电流信号转换成电压信号，实现对船用喷水推进器的压力信号或流量信号的测量；
转速测量模块利用电磁感应线圈及铁芯，放置于船用喷水推进器的电机励磁附近，以产生感应信号，用于实现对船用喷水推进器的转速信号的测量。
优选地，所述机械状态参数检测子系统包括振动测量模块、噪声测量模块、位移测量模块和温度测量模块，用于实时监测喷水推进器的运行状态，其中：
振动测量模块采用贴近船用喷水推进器表面的加速度传感器，加速度传感器的安装位置靠近船用喷水推进器的轴承处，通过所述振动测量模块实现对船用喷水推进器的振动信号的测量；
所述噪声测量模块采用与船用喷水推进器的喷水推进泵盘面位于同一平面的水听器，该水听器对喷水推进泵盘面中心，通过所述噪声测量模块实现对船用喷水推进器的噪声信号的测量；
所述位移测量模块利用贴近船用喷水推进器表面的位移传感器，实现对船用喷水推进器的位移信号的测量；
所述温度测量模块利用贴近船用喷水推进器轴承表面的温度传感器，实现对船用喷水推进器的温度信号的测量，该温度传感器插入到船用喷水推进器的管道内与水接触。
优选地，所述故障诊断模型包括数据分析挖掘模块和故障树模块。
优选地，所述数据分析挖掘模块针对不同模式下的时域特征参数进行幅域分析、时域分析、频谱分析、频谱分析和/或瞬态分析。
优选地，所述数据分析挖掘模块采用的幅域分析中的量纲幅域参数包括均值、最大值、最小值、均方根值；
采用时域分析中的时基波形分析、自相关分析、互相关分析；
采用频谱分析中的FFT分析、自功率谱密度分析、互功率谱密度分析、倒频谱分析、细化分析；
采用瞬态分析中的轴心轨迹、波特图和极坐标图。
优选地，根据实时监测数据采用故障树模块进行类似故障的判断。
优选地，所述故障树的建立方法如下：
首先分析判明故障，然后选定故障作为顶端事件，接着确定故障发生的边界条件失效因素及其发生概率，最后建立完整的故障树。
优选地，所述故障诊断系统还包括数据通讯联网子系统，用于实现设备互通互联，确保格式化数据在各设备间的互通。
优选地，所述数据通讯联网子系统还用于建立多机组间通信通道，实现多机组间的通讯，以便于上级管理层协同管理。
电机定子电流、振动噪声、功率、轴承温度等信号可以反映出拖动设备的运行状态，通过信号分析处理，对喷水推进泵的具体工况进行判别并判断内部异常流动如空化的发生等。针对喷水推进泵的不同运行状态和故障在多种信号中反映的特征差别，本发明分离提取并分析信号，判断是否有故障发生，并对故障严重程度进行识别及预测其发展趋势，以及完成多种运行状态和故障诊断指标的汇总集成。
本发明结合故障自诊断技术和船舶自动化监控系统的特点，设计出一种船用喷水推进器自动化监控及其故障自诊断系统，该系统可以对喷水推进装置的运行状态进行在线监测，实时反馈故障报警，并根据故障的类型和发生的频率，提出设备的检修和维护建议。同时，本发明还可以根据系统存在的安全隐患，提前发出故障预警，减少突发事故，降低后期的维护成本。
本发明根据多组测试数据分析，使得系统采集的泵性能参数误差均小于5％，结合系统各参数综合不确定度，使其符合国家泵性能测试标准。同时，由测得的多组数据，分析并判明喷水推进器的故障，并作出有效决策。
附图说明
图1为船用喷水推进器故障诊断系统框图；
图2为船用喷水推进器故障诊断流程图；
图3为船用喷水推进器故障诊断系统组成框图；
图4为数据分析挖掘；
图5为故障树建立。
具体实施方式
本说明书中附图所显示的大小、比例等只是示意性的，用以配合说明书所描述的内容，并非用以限定本发明的实施条件，不影响本发明所产生的功效。本说明书中所述的“上”、“下”、“内”、“外”等位置关系仅是为了方便描述，而非用以限定本发明的可实施范围，其相对关系的改变，在无实质变更技术内容下亦视为本发明的可实施范畴。
图1为本发明船用喷水推进器故障诊断系统(以下简称“故障诊断系统”)框图。喷水推进器经故障诊断系统检测相关参数，并对相关参数进行信号特征量采集，经故障识别模式产出决策，对喷水推进器进行干预。
故障诊断系统包括性能运行参数检测子系统和机械状态参数检测子系统，其中：性能运行参数检测子系统包括三相电测量模块、压力测量模块、流量测量模块和转速测量模块，机械状态参数检测子系统包括振动测量模块、噪声测量模块、位移测量模块和温度测量模块，且上述每个模块由电源模块供电。
图2为基于本发明提出的故障诊断系统进行船用喷水推进器故障诊断的流程图，该故障诊断方法包括以下步骤：
第一步，启动喷水推进器；
第二步，获取性能运行参数检测子系统和机械状态参数检测子系统中各传感器模块采集的信号；
第三步，对获得的信号进行预处理，获得去噪信号，提取去噪信号的时域特征参数；
第四步，建立喷水推进器故障诊断模拟实验系统，获取不同模式下的时域特征参数，并建立故障诊断模型；
第五步，将时域特征参数降维，送入故障诊断模型检测，并输出故障类别；
第六步，根据故障类别，由故障诊断系统自动采取决策。
图3为本发明提供的故障诊断系统组成框图，包括硬件设计、联网系统设计、数据分析与处理系统设计三大部分。
硬件设计包括数据测试系统设计和数据通讯系统设计，由多种传感器模块对喷水推进器的状态进行监测获得监测数据，并由数据通讯系统实现数据传输。
联网系统设计包含数据建模、设备互通互联和多机组通讯三部分。首先对监测数据进行统一规则条件下的数据建模，确保不同设备间数据格式和索引方式的一致；其次，根据不同设备间的业务关系，通过设备状态采集与控制装置保证格式化数据在各设备间的互通；第三，根据机组间的输配关系，建立多机组间通信通道，便于上级管理层协同管理。
数据分析与处理系统设计包括数据分析挖掘和故障树建立。
图4为本发明数据分析挖掘框图，本系统的数据分析与处理是在幅值、时间、频率等域进行的，从不同的角度对信号进行观察和分析，丰富、完善信号分析与处理的结果。采用幅域分析，主要量纲幅域参数包括均值、最大值、最小值、均方根值等。并采用时域分析中的时基波形分析、自相关分析和互相关分析等方法来对幅域分析进行补充。采用频谱分析中的FFT分析，自功率谱密度和互功率谱密度分析、倒频谱分析、细化分析等方法获得信号的频率结构以及各谐波幅值和相位的信息。采用瞬态分析，利用轴心轨迹，波特图和极坐标图等对设备健康状况及特征参数的变化趋势进行分析。
图5为本发明故障树建立框图，首先分析判明故障，然后选定故障作为顶端事件，接着确定故障发生的边界条件失效因素及其发生概率，最后建立完整的故障树。根据监测数据采用故障树方式可以进行类似故障的判断。
故障树设计方案如下：
监测进口压力，当压力偏低时，预判故障为进水池压力偏低，处理措施为检查进水池水位；当压力有脉动时，预判故障为进水管路进气，处理措施为检查进水管法兰密封。
监测出口压力时，当压力有脉动时，预判故障为叶轮发生汽蚀，处理措施为更换转轮或水泵；预判故障为进口管进气，处理措施为检查进水管法兰密封。
计算扬程时，当正常值偏小时，预判故障为叶轮发生汽蚀，处理措施为适当关闭出口阀门；预判故障为叶轮发生磨损，处理措施为检修叶片磨损，扣环磨损程度。当正常值偏大时，预判故障为出口阀门开度过小，处理措施为检查阀门开度。
监测流量时，当流量突然偏大时，预判故障为系统压力突然下降，处理措施为检查系统管路或控制；当流量突然偏小时，预判故障为水泵进气，处理措施为检查进水池水位；预判故障为进口堵塞，处理措施为停泵检查，增加进口滤网。
当监测电流时，当电流急速上升时，预判故障为系统压力突然下降，处理措施为检查系统管路或控制；预判故障为出现堵转现象，处理措施为停机检查进口管路。
当监测轴承温度时，当轴承温度缓慢上升时，预判故障为轴承有磨损，处理措施为停机检查轴承；预判故障为冷却液损耗，处理措施为增加冷却液。当轴承温度急速上升时，预判故障为轴承损坏，处理措施为停机检查轴承。
当监测电机温度时，当电机温度缓慢上升时，预判故障为电机磨损，处理措施为停机检查电机轴承；预判故障为泵房排风损坏，处理措施为检查排风扇。当电机温度急速上升时，预判故障为电机轴承损坏，处理措施为停机检查；预判故障为出现堵转现象，处理措施为停机检查。
当流量、功率同时下降时，预判故障为叶轮磨损，处理措施为停机更换。
当轴承温度、振动同时报警时，预判故障为轴承磨损，处理措施为停机检查泵轴承。
当电机温度、振动同时报警时，预判故障为轴承磨损，处理措施为停机检查电机轴承。
当振动、噪声、扬程同时报警时，预判故障为发生汽蚀，处理措施为检查叶轮。
Claims (10)
1.一种船用喷水推进器故障诊断系统，用于快速有效地识别喷水推进器在运行过程中出现的问题，并产生相应的决策，其特征在于，包括：
性能运行参数检测子系统，用于获得船用喷水推进器的性能运行参数的实时监测数据；
机械状态参数检测子系统，用于获得船用喷水推进器的机械状态参数的实时监测数据；
数据预处理系统，用于获取性能运行参数检测子系统以及机械状态参数检测子系统采集的监测数据信号，去噪后，提取去噪信号的时域特征参数；
喷水推进器故障诊断模拟实验子系统，用于使船用喷水推进器工作于不同模式，从而获得不同模式下的时域特征参数；
故障诊断模型，用于基于不同模式下的时域特征参数对故障类别进行判断；
决策子系统，用于基于故障诊断模型输出的故障类别产生相应的决策。
2.如权利要求1所述的一种船用喷水推进器故障诊断系统，其特征在于，所述性能运行参数检测子系统包括三相电测量模块、压力测量模块、流量测量模块和转速测量模块，以实时监测喷水推进器的运行状态，其中：
三相电测量模块利用电压及电流互感器、三相电计量芯片和滤波电路，将高压三相电降压转换成可测的低压信号，实现对船用喷水推进器的三相电参数信号的测量；
压力测量模块或所述流量测量模块利用I/U转换电路，将压力传感器或流量传感器的标准电流信号转换成电压信号，实现对船用喷水推进器的压力信号或流量信号的测量；
转速测量模块利用电磁感应线圈及铁芯，放置于船用喷水推进器的电机励磁附近，以产生感应信号，用于实现对船用喷水推进器的转速信号的测量。
3.如权利要求1所述的一种船用喷水推进器故障诊断系统，其特征在于，所述机械状态参数检测子系统包括振动测量模块、噪声测量模块、位移测量模块和温度测量模块，用于实时监测喷水推进器的运行状态，其中：
振动测量模块采用贴近船用喷水推进器表面的加速度传感器，加速度传感器的安装位置靠近船用喷水推进器的轴承处，通过所述振动测量模块实现对船用喷水推进器的振动信号的测量；
所述噪声测量模块采用与船用喷水推进器的喷水推进泵盘面位于同一平面的水听器，该水听器对喷水推进泵盘面中心，通过所述噪声测量模块实现对船用喷水推进器的噪声信号的测量；
所述位移测量模块利用贴近船用喷水推进器表面的位移传感器，实现对船用喷水推进器的位移信号的测量；
所述温度测量模块利用贴近船用喷水推进器轴承表面的温度传感器，实现对船用喷水推进器的温度信号的测量，该温度传感器插入到船用喷水推进器的管道内与水接触。
4.如权利要求1所述的一种船用喷水推进器故障诊断系统，其特征在于，所述故障诊断模型包括数据分析挖掘模块和故障树模块。
5.如权利要求4所述的一种船用喷水推进器故障诊断系统，其特征在于，所述数据分析挖掘模块针对不同模式下的时域特征参数进行幅域分析、时域分析、频谱分析、频谱分析和/或瞬态分析。
6.如权利要求5所述的一种船用喷水推进器故障诊断系统，其特征在于，所述数据分析挖掘模块采用的幅域分析中的量纲幅域参数包括均值、最大值、最小值、均方根值；
采用时域分析中的时基波形分析、自相关分析、互相关分析；
采用频谱分析中的FFT分析、自功率谱密度分析、互功率谱密度分析、倒频谱分析、细化分析；
采用瞬态分析中的轴心轨迹、波特图和极坐标图。
7.如权利要求4所述的一种船用喷水推进器故障诊断系统，其特征在于，，根据实时监测数据采用故障树模块进行类似故障的判断。
8.如权利要求7所述的一种船用喷水推进器故障诊断系统，其特征在于，所述故障树的建立方法如下：
首先分析判明故障，然后选定故障作为顶端事件，接着确定故障发生的边界条件失效因素及其发生概率，最后建立完整的故障树。
9.如权利要求1所述的一种船用喷水推进器故障诊断系统，其特征在于，所述故障诊断系统还包括数据通讯联网子系统，用于实现设备互通互联，确保格式化数据在各设备间的互通。
10.如权利要求9所述的一种船用喷水推进器故障诊断系统，其特征在于，所述数据通讯联网子系统还用于建立多机组间通信通道，实现多机组间的通讯，以便于上级管理层协同管理。
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