CN114397109A - 一种船舶柴油机的状态监测方法及装置 - Google Patents

一种船舶柴油机的状态监测方法及装置 Download PDF

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韩冰
陈宇航
王炳德
朱宇
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Abstract

本发明涉及船舶设备故障监测技术领域，具体涉及一种船舶柴油机的状态监测方法及装置,包括：步骤S1：采集所述船舶柴油机在当前工况的转速和功率；步骤S2：根据所述转速和功率生成对应于所述当前工况的振动特征值；步骤S3：根据所述振动特征值和一预先生成的振动标准值判断所述船舶柴油机的状态，并输出状态结果。本发明的有益效果在于：通过采集各运动工况下的振动信号以生成振动特征值，进而通过振动特征值和振动标准值实现了在任意工况条件下对船舶柴油机的工作状况的监测，避免了现有技术中针对变工况条件下无法准确监测船舶柴油机状况的问题。

Description

一种船舶柴油机的状态监测方法及装置
技术领域
本发明涉及船舶设备故障监测技术领域，具体涉及一种船舶柴油机的状态监测方法及装置。
背景技术
船舶柴油机，是一种以活塞式内燃机原理运作的动力设备。由于船舶柴油机的热效率高、经济性好、起动容易、对各类船舶有很大适应性，问世以后很快就被用作船舶的主要推进动力。船舶柴油机作为一种往复式运动机械，其内部结构的故障会影响机器的激励特性和传递特性，并在机器表面的振动和噪声信号中表现出来。因此，利用振动信号进行往复机械的状态监测具有速度快、精度高、范围广，信号易于测取，易于实现早期预报和在线监测等优点。
现有技术中，已存在有针对船舶柴油机的振动信号机械故障监测的相关技术方案。但是，在实际实施过程中，发明人发现，现有技术往往存在有以下问题：
1)传统的柴油机振动监测方法通常针对单一工况(额定工况)的运行过程，但在实际工作中柴油机很少运行在同一种工况下，柴油机运行过程中工况总是不稳定的；
2)往复机械的表面振动信号不仅与机器内部部件的磨损间隙有关，还与机器的运行工况、冷却条件、润滑状况有关，在实际运行状态监测中要综合考虑这些影响因素非常困难；
3)柴油机结构、运动状态复杂，型号多样，难以归纳出共性。适用于某型号柴油机的分析方法，对另一型号的柴油机未必可行。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种船舶柴油机的状态监测方法及装置。
具体技术方案如下：
一种船舶柴油机的状态监测方法，包括：
步骤S1：采集所述船舶柴油机在当前工况的转速和功率；
步骤S2：根据所述转速和功率生成对应于所述当前工况的振动特征值；
步骤S3：根据所述振动特征值和一预先生成的振动标准值判断所述船舶柴油机的状态，并输出状态结果。
优选地，所述振动标准值的生成方法包括：
步骤A1：对一标准船舶柴油机进行采样以获得多个样本信号；
步骤A2：获取每个所述样本信号的均方根值；
步骤A3：根据多个所述均方根值生成所述振动标准值。
优选地，所述步骤A2中，所述均方根值的生成方法为：
Figure BDA0003459190080000021
Figure BDA0003459190080000022
其中，Xrms为所述均方根值，Xi为所述样本信号中的第i个采样点，i＝(1，2，…,N),N为采样点数。
优选地，所述步骤S2包括：
根据预先生成的多个现场特征值和所述转速、所述功率生成所述振动特征值；
所述现场特征值的生成方法为：
Figure BDA0003459190080000023
其中，
Figure BDA0003459190080000024
为所述现场特征值，ni为所述现场特征值对应的转速，sj为所述现场特征值对应的功率，Xt为所述现场特征值的振动信号中的第t个采样点，t＝(1，2，…,N),N为采样点数。
优选地，以所述功率为横轴，所述转速为纵轴建立平面直角坐标系，则每个所述现场特征值和所述振动特征值均具有一坐标值，所述振动特征值的生成方法包括：
Figure BDA0003459190080000031
其中，Yrms0(Ni，Sj)为对应于所述转速Ni和所述功率Sj的所述振动特征值，r表示所述现场特征值的序号，r＝(1，2，…,R)；Xrms0(nr,sr)为第r个所述现场特征值，Dt为多个所述现场特征值在所述平面直角坐标系中相对于所述振动特征值的距离的总和，Dr为第r个所述现场特征值在所述平面直角坐标系中相对于所述振动特征值的距离，其计算方法为：
Figure BDA0003459190080000032
其中，Ni为所述振动特征值于所述平面直角坐标系中的横坐标，Sj为所述振动特征值于所述平面直角坐标系中的纵坐标，nr为所述现场特征值于所述平面直角坐标系中的横坐标，sr为所述现场特征值于所述平面直角坐标系中的纵坐标。
优选地，所述步骤S3包括：
步骤S31：获取所述振动特征值与所述振动标准值的机械劣化因子；
步骤S32：根据预先设定的阈值和所述机械劣化因子判断所述船舶柴油机的状态，并输出状态结果。
优选地，所述机械劣化因子的生成方法包括：
Figure BDA0003459190080000033
其中，Q为所述机械劣化因子，Xrms为所述振动标准值，Yrms0为所述振动特征值。
优选地，所述现场特征值为距离所述振动特征值最近的四个所述现场特征值。
优选地，预先设定的所述阈值为两个；
第一个所述阈值为1.8，第二个所述阈值为2.5；
当所述机械劣化因子小于第一个所述阈值时，所述船舶柴油机为正常状态；
当所述机械劣化因子在第一个所述阈值与第二个所述阈值之间时，所述船舶柴油机为故障状态；
当所述机械劣化因子大于第二个所述阈值时，所述船舶柴油机为严重故障状态。
一种船舶柴油机的状态监测装置，包括：
加速度传感器，所述加速度传感器设置在所述船舶柴油机上，所述加速传感器获取所述船舶柴油机的振动信号；
处理器，所述处理器连接所述加速度传感器，所述处理器接收所述振动信号；
存储器，所述存储器内预设有计算机指令，所述处理器连接所述存储器以获取所述计算机指令；
当所述处理器运行所述计算机指令时，执行上述状态监测方法。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：通过采集各运动工况下的振动信号以生成振动特征值，进而通过振动特征值和振动标准值实现了在任意工况条件下对船舶柴油机的工作状况的监测，避免了现有技术中针对变工况条件下无法准确监测船舶柴油机状况的问题。
附图说明
参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
图1为本发明实施例的整体示意图；
图2为本发明实施例中振动标准值生成方法示意图；
图3为本发明实施例中直角坐标系示意图；
图4为本发明实施例中步骤S3子步骤示意图；
图5为本发明实施例中状态监测装置的原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明包括：
一种船舶柴油机的状态监测方法，如图1所示，包括：
步骤S1：采集船舶柴油机在当前工况的转速和功率；
步骤S2：根据转速和功率生成对应于当前工况的振动特征值；
步骤S3：根据振动特征值和一预先生成的振动标准值判断船舶柴油机的状态，并输出状态结果。
具体地，针对现有技术中针对特定工况和型号的船舶柴油机进行故障监测不具有普适性的问题，本发明通过采集不同运行工况下的柴油机各测点的振动样本，计算实船振动标准特征值，进而通过构建振动信号归一化模型，获得柴油机机械劣化因子，就可以进行机器工作状态的分析和判断，无需进行复杂的机械动力学和热力学计算，大大简化了往复机械振动监测评价过程，实现了变工况情况下简便有效的柴油机运行状态评估。
在实施过程中，针对该船舶柴油机应当预先采集有该船舶柴油机在未装船时在标准工况下的振动标准值和该船舶柴油机装机后在不同工况下的现场特征值。其中，振动标准值和现场特征值均为在船舶柴油机上特定测点采集的振动信号的时域特征值。
在一实施例中，针对某型二冲程柴油主机，其预先选定了包含缸盖表面、机身侧面、基座侧面等具有代表性的共20个测点，针对每个测点进行单独的振动标准值和振动特征值的比对，实现了较好的运行状态监测效果。
在一种较优的实施例中，如图2所示，振动标准值的生成方法包括：
步骤A1：对一标准船舶柴油机进行采样以获得多个样本信号；
步骤A2：获取每个样本信号的均方根值；
步骤A3：根据多个均方根值生成振动标准值。
具体地，针对现有技术中无法准确判断船舶柴油机的运转状况的问题，本实施例引入一标准船舶柴油机并通过对样本信号进行均方根、平均处理以获得振动标准值，进而实现了较为准确的船舶柴油机运转状况的判断效果。
在实施过程中，标准船舶柴油机与上述的实际装船的船舶柴油机为同一型号的船舶柴油机，其运转于标准工况下，并根据特定的采样周期进行定期采样以生成样本信号。随后，通过对样本信号进行时域特征提取，并根据总体样本信号计算出时域特征的均方根值，并进一步对均方根值进行平均化处理可以获得该测点的振动标准值。
在一实施例中，样本信号的数量为20个。在标准船舶柴油机于标准工况下平稳运转的情况下，每隔两周时间对柴油机的各测点振动进行测试。根据机器的运行转速n进行20个样本的整个运行周期采样，采样频率fs为20480Hz，每个样本的采样时长为T，T＝60/n(s)，每个样本采集点数N＝T*fs点(Xi，i＝1,2,3，…，N)。
在一种较优的实施例中，步骤A2中，均方根值的生成方法为：
Figure BDA0003459190080000061
Figure BDA0003459190080000062
其中，Xrms为均方根值，Xi为样本信号中的第i个采样点，i＝(1，2，…,N),N为采样点数。
具体地，针对现有技术中无法准确判断船舶柴油机的运转状况的问题，本实施例通过计算样本信号的时域特征的均方根值实现了较为准确的船舶柴油机运转状况的判断效果。
在一种较优的实施例中，步骤S2包括：
根据预先生成的多个现场特征值和转速、功率生成振动特征值；
现场特征值的生成方法为：
Figure BDA0003459190080000063
其中，Xrms0(ni，sj)为现场特征值，ni为现场特征值对应的转速，sj为现场特征值对应的功率，Xt为现场特征值的振动信号中的第t个采样点，t＝(1，2，…,N),N为采样点数。
具体地，关于现有技术中，无法针对变工况条件下的船舶柴油机进行有效监测的问题，本实施例通过在船舶柴油机正常运转时采集不同工况下的现场特征值，进而在长期监测过程中实现了对船舶柴油机的运转状况的监测。
在实施过程中，现场特征值的采集过程包括，对新装船的船舶柴油机选择多个转速及功率，并基于上述生成方法提取其现场特征值，进而形成多个现场特征值以作为监测过程中的基准点。
在一种较优的实施例中，如图3所示，以功率为横轴，转速为纵轴建立平面直角坐标系，则每个现场特征值和振动特征值均具有一坐标值，振动特征值的生成方法包括：
Figure BDA0003459190080000071
其中，Yrms0(Ni，Sj)为对应于转速Ni和功率Sj的振动特征值，r表示现场特征值的序号，r＝(1，2，…,R)；Xrms0(nr,sr)为第r个现场特征值，Dt为多个现场特征值在平面直角坐标系中相对于振动特征值的距离的总和，Dr为第r个现场特征值在平面直角坐标系中相对于振动特征值的距离，其计算方法为：
Figure BDA0003459190080000072
其中，Ni为振动特征值于平面直角坐标系中的横坐标，Sj为振动特征值于平面直角坐标系中的纵坐标，nr为现场特征值于平面直角坐标系中的横坐标，sr为现场特征值于平面直角坐标系中的纵坐标。
具体地，针对现有技术中无法监测船舶柴油机在变工况情况下是否存在故障的问题，本实施例基于预先采集的现场特征值对船舶柴油机在标准工况下的运行参数进行拟合，进而获取到等效于标准工况的振动特征值，便于与振动标准值进行比较以判断运行状况。
在实施过程中，应当预先采集有多个现场特征值，进而在振动特征值的生成过程中选取特定的几个距离目标坐标点最近的振动特征值，以实现较好的拟合效果。Dr为第r个现场特征值在平面直角坐标系中相对于振动特征值的欧式距离，其可以通过简单的平面几何运算获得。以图4中所示的平面直角坐标系为例，坐标(Ni，Sj)与第一个现场特征值(n1,s1)的距离D1的计算方法为：
Figure BDA0003459190080000081
其中，D1为距离，Ni为坐标(Ni，Sj)的横坐标，Sj为坐标(Ni，Sj)的纵坐标，n1为第一个现场特征值(n1,s1)的横坐标，s1为第一个现场特征值(n1,s1)的纵坐标。基于上述方法可以根据多个现场特征值对振动特征值进行插值运算，从而生成等效于标准工况的振动特征值，从而判断出船舶柴油机的当前状况。
在一种较优的实施例中，R的取值为4。
具体地，为了满足对船舶柴油机进行现场监测的需求，本实施例中通过选取4个现场特征值对振动特征值进行插值运算，在实现了较好的运算准确度的同时，缩短了插值运算所需的时间，进而满足了在实施过程中对船舶柴油机的机械状况进行即时判断的需求。
在一种较优的实施例中，如图4所示，步骤S3包括：
步骤S31：获取振动特征值与振动标准值的机械劣化因子；
步骤S32：根据预先设定的阈值和机械劣化因子判断船舶柴油机的状态，并输出状态结果。
具体地，针对现有技术中无法准确判断船舶柴油机的故障的问题，本实施例通过引入表明船舶柴油机运转状况的机械劣化因子进行对船舶柴油机的状态的准确判断，实现了较好的监测效果。
在一种较优的实施例中，机械劣化因子的生成方法包括：
Figure BDA0003459190080000082
其中，Q为机械劣化因子，Xrms为振动标准值，Yrms0为振动特征值。
具体地，针对现有技术中需要考虑多个因素的问题，本实施例中通过对作为最终结果的振动标准值和振动特征值进行直接处理以获取机械劣化因子，避免了在现有技术中的状态监测需要引入多个因素，方法较复杂耗时较长的问题，有效地缩短了判断时间。
在一种较优的实施例中，现场特征值为距离振动特征值最近的四个现场特征值。
在一种较优的实施例中，预先设定的阈值为两个；
第一个阈值为1.8，第二个阈值为2.5；
当机械劣化因子小于第一个阈值时，船舶柴油机为正常状态；
当机械劣化因子在第一个阈值与第二个阈值之间时，船舶柴油机为故障状态；
当机械劣化因子大于第二个阈值时，船舶柴油机为严重故障状态。
具体地，为实现对船舶柴油机运转状况较为直观地显示，本实施例通过预先进行的相关实验设置了对应的阈值。当Q超过1.8时表示设备处于较严重状态，当Q超过2.5时表示设备处于严重状态，相应运行状态信息可分别用绿、黄、红三种颜色表示，进而直观地表示出船舶柴油机当前的运转状况。
一种船舶柴油机的状态监测装置，如图5所示，包括：
加速度传感器1，加速度传感器1设置在船舶柴油机上，加速传感器1获取船舶柴油机的振动信号；
处理器2，处理器2连接加速度传感器1，处理器2接收振动信号；
存储器3，存储器3内预设有计算机指令，处理器2连接存储器3以获取计算机指令；
当处理器运行计算机指令时，执行上述状态监测方法。
具体地，为满足对装机状态下的船舶柴油机的有效监测，本实施例中提供了一种船舶柴油机的状态监测装置，用于设置在船舶上对运转状态下的船舶柴油机采集振动信号、分析并判断船舶柴油机当前的运转状态，进而便于在船舶柴油机装机状态下有效判断出船舶柴油机的当前状况，从而及时提醒轮机人员进行运维保养工作。
在实施过程中，加速度传感器1为现有技术中存在的加速度传感器，其根据预先标定的船舶柴油机中的振动信号采集部位设置在待监测的船舶柴油机的对应位置上，比如缸盖、机身、基座、曲轴轴承座等部位，进而准确采集到船舶柴油机上用于反映运行状态的振动信号。存储器3包含但不限于电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、设备或者装置，或者前述的任意适当组合，如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或者快闪存储器)、光纤、便携式只读存储器(CD-ROM)。处理器2可以被理解为一个或多个应用专用集成电路(ASIC)、DSP、可编程逻辑器件(PLD)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、通用处理器、控制器、微控制器(MCU)、微处理器(Microprocessor)、或者其他电子元件实现，用于执行存储器3中的计算机指令进而实现上述的状态监测方法。
本发明的有益效果在于：通过采集各运动工况下的振动信号以生成振动特征值，进而通过振动特征值和振动标准值实现了在任意工况条件下对船舶柴油机的工作状况的监测，避免了现有技术中针对变工况条件下无法准确监测船舶柴油机状况的问题。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种船舶柴油机的状态监测方法，其特征在于，包括：
步骤S1：采集所述船舶柴油机在当前工况的转速和功率；
步骤S2：根据所述转速和功率生成对应于所述当前工况的振动特征值；
步骤S3：根据所述振动特征值和一预先生成的振动标准值判断所述船舶柴油机的状态，并输出状态结果。
2.根据权利要求1所述的状态监测方法，其特征在于，所述振动标准值的生成方法包括：
步骤A1：对一标准船舶柴油机进行采样以获得多个样本信号；
步骤A2：获取每个所述样本信号的均方根值；
步骤A3：根据多个所述均方根值生成所述振动标准值。
3.根据权利要求2所述的状态监测方法，其特征在于，所述步骤A2中，所述均方根值的生成方法为：
Figure FDA0003459190070000011
其中，Xrms为所述均方根值，Xi为所述样本信号中的第i个采样点，i＝(1，2，…,N),N为采样点数。
4.根据权利要求1所述的状态监测方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
根据预先生成的多个现场特征值和所述转速、所述功率生成所述振动特征值；所述现场特征值的生成方法为：
Figure FDA0003459190070000012
其中，Xrms0(ni，sj)为所述现场特征值，ni为所述现场特征值对应的转速，sj为所述现场特征值对应的功率，Xt为所述现场特征值的振动信号中的第t个采样点，t＝(1，2，…,N),N为采样点数。
5.根据权利要求4所述的状态监测方法，其特征在于，以所述功率为横轴，所述转速为纵轴建立平面直角坐标系，则每个所述现场特征值和所述振动特征值均具有一坐标值，所述振动特征值的生成方法包括：
Figure FDA0003459190070000013
其中，Yrms0(Ni，Sj)为对应于所述转速Ni和所述功率Sj的所述振动特征值，r表示所述现场特征值的序号，r＝(1，2，…,R)；Xrms0(nr,sr)为第r个所述现场特征值，Dt为多个所述现场特征值在所述平面直角坐标系中相对于所述振动特征值的距离的总和，Dr为第r个所述现场特征值在所述平面直角坐标系中相对于所述振动特征值的距离，其计算方法为：
Figure FDA0003459190070000021
其中，Ni为所述振动特征值于所述平面直角坐标系中的横坐标，Sj为所述振动特征值于所述平面直角坐标系中的纵坐标，nr为所述现场特征值于所述平面直角坐标系中的横坐标，sr为所述现场特征值于所述平面直角坐标系中的纵坐标。
6.根据权利要求5所述的状态监测方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S31：获取所述振动特征值与所述振动标准值的机械劣化因子；
步骤S32：根据预先设定的阈值和所述机械劣化因子判断所述船舶柴油机的状态，并输出状态结果。
7.根据权利要求6所述的状态监测方法，其特征在于，所述机械劣化因子的生成方法包括：
Figure FDA0003459190070000022
其中，Q为所述机械劣化因子，Xrms为所述振动标准值，Yrms0为所述振动特征值。
8.根据权利要求5所述的状态监测方法，其特征在于，所述现场特征值为距离所述振动特征值最近的四个所述现场特征值。
9.根据权利要求6所述的状态监测方法，其特征在于，预先设定的所述阈值为两个；
第一个所述阈值为1.8，第二个所述阈值为2.5；
当所述机械劣化因子小于第一个所述阈值时，所述船舶柴油机为正常状态；
当所述机械劣化因子在第一个所述阈值与第二个所述阈值之间时，所述船舶柴油机为故障状态；
当所述机械劣化因子大于第二个所述阈值时，所述船舶柴油机为严重故障状态。
10.一种船舶柴油机的状态监测装置，其特征在于，包括：
加速度传感器，所述加速度传感器设置在所述船舶柴油机上，所述加速传感器获取所述船舶柴油机的振动信号；
处理器，所述处理器连接所述加速度传感器，所述处理器接收所述振动信号；
存储器，所述存储器内预设有计算机指令，所述处理器连接所述存储器以获取所述计算机指令；
当所述处理器运行所述计算机指令时，执行如权利要求1-9任意一项所述状态监测方法。
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