CN207396051U - 基于多传感器技术的船用低速机健康状态评估系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于多传感器技术的船用低速机健康状态评估系统，包括采集模块、信号分析处理模块和健康状态评估模块；采集模块包括轴心轨迹测量单元、振动测量单元、气缸压力测量单元、瞬时转速测量单元、连杆应力场测量单元和信号调理及采集单元；五个测量单元分别安装于船用低速机上相应的测量部位，并与信号调理及采集单元连接；信号调理及采集单元将数据传到工控机中的信号分析处理模块、健康状态评估模块。本实用新型可实现对船用低速机推进轴轴心轨迹、燃烧室内燃烧状态、整机关键部位振动及运动件磨损情况、增压器转子运行状态、各缸做功平衡性、连杆实时应力变化和趋势进行监测，形成一套多传感器技术的健康状态评价系统。

Description

基于多传感器技术的船用低速机健康状态评估系统

技术领域

本实用新型涉及船用低速发动机性能监测和健康状态评估技术领域，具体涉及一种基于多传感器技术的船用低速机健康状态评估系统。

背景技术

随着船舶行业的发展，船舶机舱的各种大型复杂动力系统性能的不断提高以及复杂性的不断增加，系统的可靠性、故障诊断和预测以及维修保障等问题越来越受到人们的重视。2015年12月1日，由中国船级社(CCS)编制的《智能船舶规范》(简称《规范》)在中国国际海事会展期间正式对外发布，且该规范将于2016年3月实施。《规范》是基于CCS近年来的科技研究成果，并充分考虑了国内外有关智能船舶的应用经验和未来船舶智能化的发展方向编制而成。在《规范》体系中，智能机舱是其重要的六大内容之一，它能够综合利用状态监测系统所获得的各种信息和数据，对机舱内机械设备的运行状态、健康状况进行分析和评估，用于机械设备操作决策和维护保养计划的制定。船用低速机是船舶主推进动力装置的重要组成部分，是船舶的动力心脏，对船用低速机健康状况进行分析和评估是实现智能机舱的重要组成部分。

依照传统的测控系统设计方法，采用传统的仪器仪表进行检测，体积庞大，可靠性差，而且各测试系统相互独立，需要人工判别，不能对船用低速机性能状态进行整体监测和评估。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种基于多传感器技术的船用低速机健康状态评估系统，它利用传感和测试技术、信号分析和处理技术，实现船用低速机健康状态的整体监测和评估。

本实用新型为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种基于多传感器技术的船用低速机健康状态评估系统，该评估系统包括采集模块、信号分析处理模块和健康状态评估模块；所述采集模块包括轴心轨迹测量单元、振动测量单元、气缸压力测量单元、瞬时转速测量单元、连杆应力场测量单元和信号调理及采集单元；所述轴心轨迹测量单元、振动测量单元、气缸压力测量单元、瞬时转速测量单元和连杆应力场测量单元分别安装于船用低速机上相应的测量部位，并与所述信号调理及采集单元连接；所述信号调理及采集单元将采集到的数据传到工控机中的信号分析处理模块、健康状态评估模块。

上述方案中，所述信号调理及采集单元包括前置器、电荷放大器、信号调理板、接收调理盒和信号采集卡，所述信号调理及采集单元安装于机旁箱内，所述机旁箱安装于柴油机附近。

上述方案中，所述轴心轨迹测量单元包括两个电涡流位移传感器，所述两个电涡流位移传感器相互垂直地固定在船用低速机推进轴外围，所述两个电涡流位移传感器分别与所述信号调理及采集单元的前置器连接。

上述方案中，所述振动测量单元包括布置于船用低速机各缸缸盖表面的缸盖振动传感器、布置于机架表面并与各缸位置对应的机架振动传感器以及布置于增压器轴承表面的增压器轴承振动传感器，所述缸盖振动传感器、机架振动传感器和增压器轴承振动传感器均为加速度振动传感器，所述缸盖振动传感器、机架振动传感器和增压器轴承振动传感器分别与所述信号调理及采集单元的电荷放大器连接。

上述方案中，所述缸盖振动传感器在船用低速机各缸盖表面各布置一个，所述机架振动传感器在机架表面对应各缸的位置各布置一个，所述增压器轴承振动传感器在增压器轴承外壳上布置一个。

上述方案中，所述气缸压力测量单元包括气缸压力传感器、上止点传感器和曲轴转角传感器，所述气缸压力传感器安装于被测气缸示功阀上，所述上止点传感器和曲轴转角传感器均通过支架安装在飞轮外边缘齿轮径向方向，与齿顶圆间距为0.5～1.2mm；所述气缸压力传感器与电荷放大器连接，所述上止点传感器和曲轴转角传感器分别与信号调理板连接。

上述方案中，所述上止点传感器和曲轴转角传感器同时组成所述瞬时转速测量单元。

上述方案中，所述连杆应力场测量单元包括应变片、发射装置和接收天线；所述应变片安装于任意一缸连杆的应力集中处和截面积较小处；所述发射装置固定安装于连杆上端用于吊装连杆的工艺孔上；所述接收天线安装于机架内对应于此缸的挡板上。

上述方案中，所述应变片有八个，具体安装位置为：连杆小端与杆身过渡圆角处艏和艉方向各一个；杆身中间部位艏、艉、排气端和操作端方向各一个；连杆小端与杆身过渡圆角处靠近连杆大端螺栓排气端和操作端方向各一个。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型的基于多传感器技术的船用低速机健康状态评估系统利用多种传感器信号对船用低速机推进轴轴心轨迹、燃烧室内燃烧状态、整机关键部位振动及运动件磨损情况、增压器转子运行状态、各缸做功平衡性、连杆实时应力变化和趋势进行监测和评估，形成一套多传感器技术的健康状态评价系统，适用于不同缸数、型号和燃料的船用低速机，可为船舶智能机舱的实现提供基础。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型的基于多传感器技术的船用低速机健康状态评估系统在船用低速机上的安装布置图；

图2是图1所示的基于多传感器技术的船用低速机健康状态评估系统的各路传感器与信号调理及采集单元的连接关系示意图；

图3是机舱设备布置示意图；

图4是信号分析处理模块和健康状态评估模块组成示意图。

10、电涡流位移传感器；21、缸盖振动传感器；22、机架振动传感器；23、增压器轴承振动传感器；31、气缸压力传感器；32、上止点传感器；33、曲轴转角传感器；51、应变片；52、发射装置；53、接收天线；61、前置器；62、电荷放大器；63、信号调理板；64、接收调理盒；65、信号采集卡；200、船用低速机；201、推进轴；202、飞轮；203、增压器；204、连杆；205、机旁箱；300、工控机。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，为本实用新型一较佳实施例的基于多传感器技术的船用低速机健康状态评估系统，该评估系统包括采集模块、信号分析处理模块和健康状态评估模块；采集模块包括轴心轨迹测量单元、振动测量单元、气缸压力测量单元、瞬时转速测量单元、连杆应力场测量单元和信号调理及采集单元；轴心轨迹测量单元、振动测量单元、气缸压力测量单元、瞬时转速测量单元和连杆应力场测量单元分别安装于船用低速机200上相应的测量部位，并与信号调理及采集单元连接；信号调理及采集单元将采集到的数据传到工控机300中的信号分析处理模块和健康状态评估模块。信号分析处理模块对各测量单元采集的信号进行分析处理，健康状态评估模块通过对监测信号的特征参数提取，以监测和评估船用低速机200的健康状态。

进一步优化，本实施例中，信号调理及采集单元包括前置器61、电荷放大器62、信号调理板63、接收调理盒64和信号采集卡65，信号调理及采集单元安装于机旁箱205内，机旁箱205安装于柴油机附近。

进一步优化，本实施例中，轴心轨迹测量单元包括两个电涡流位移传感器 10，两个电涡流位移传感器10相互垂直地固定在船用低速机200输出的推进轴201外围，以获取推进轴201的轴心轨迹信号，监测和评估主机推进轴201 的不对中、弯曲或磨损等运行状态。具体地，两个电涡流位移传感器10成90°夹角固定安装在支架上，且两传感器的探头正对着推进轴201径向方向，安装间隙为电涡流位移传感器10测量线性范围的一半。两个传感器的输出信号分别代表两个方向上回转误差运动的分量，将两组位移数据合成便能得到主轴的轴心轨迹。两个电涡流位移传感器10分别通过延伸电缆与信号调理及采集单元的前置器61连接，前置器61需供电。前置器61对两路电涡流位移传感器 10进行调理，使其输出电压信号。

进一步优化，本实施例中，振动测量单元包括布置于船用低速机200各缸缸盖上靠近排气阀处的缸盖振动传感器21、布置于A型机架靠近十字头导轨处并与各缸位置对应的机架振动传感器22，以及布置于增压器203轴承座上的增压器轴承振动传感器23。缸盖振动传感器21、机架振动传感器22和增压器轴承振动传感器23均为加速度振动传感器，所有布置的振动传感器均需通过螺杆与被测部位连接。缸盖振动传感器21获取各缸缸盖振动信号，监测和评估排气阀的漏气程度；机架振动传感器22获取机架各缸部位振动信号，监测和评估主机十字头磨损状态；增压器轴承振动传感器23获取增压器转子振动信号，监测和评估增压器转子平衡状态。缸盖振动传感器21、机架振动传感器22和增压器轴承振动传感器23分别与信号调理及采集单元的电荷放大器 62连接，电荷放大器62对各加速度振动传感器进行放大和调理，使其输出为电压信号。

进一步优化，本实施例中，缸盖振动传感器21在船用低速机200每缸缸盖上各布置一个，机架振动传感器22在机架上对应各缸的位置各布置一个，增压器轴承振动传感器23在增压器203轴承外壳上布置一个。

进一步优化，本实施例中，气缸压力测量单元包括气缸压力传感器31、上止点传感器32和曲轴转角传感器33。气缸压力传感器31安装于被测气缸的示功阀上，气缸压力传感器31的数量为一个，通过不同缸的切换，获取各缸内压力信号，以监测、对比和评估各缸燃烧情况。上止点传感器32和曲轴转角传感器33均通过支架安装在飞轮202外边缘齿轮径向方向，与齿顶圆间距为0.5～1.2mm。上止点传感器32可标定确定各缸气缸压力开始时刻，曲轴转角传感器33可将气缸压力信号的时变信号转换成等曲柄转角信号，便于获取P-φ以及P-V图。在整个气缸压力测试过程中，气缸压力传感器31可按船舶主机的缸号顺序依次离线测量各缸压力，各缸上止点信号的开始时刻可通过对某个气缸进行单缸停油试验，并结合上止点传感器32信号和发动机的发火顺序校准，曲轴转角传感器33可作为触发信号获取等曲柄的气缸压力信号。气缸压力传感器31与电荷放大器62连接，电荷放大器62对该路气缸压力传感器31进行放大和调理，使其输出为电压信号。上止点传感器32和曲轴转角传感器33分别与信号调理板63连接，信号调理板63将上止点和转角信号调理成TTL信号，便于长距离传输。

进一步优化，本实施例中，上止点传感器32和曲轴转角传感器33同时组成瞬时转速测量单元，上止点传感器32和曲轴转角传感器33分别获取上止点和曲轴转角信号，分析得出瞬时转速信号，监测和评估船用低速机各缸做功平衡性。

进一步优化，本实施例中，连杆应力场测量单元包括应变片51、发射装置52和接收天线53。应变片51粘贴在任意一缸连杆204应力集中处和截面积较小处，用来测量连杆204的最大应力。具体地，布置在连杆204的两端与杆身过渡处、杆身中间等共8路信号，分别为：连杆204小端与杆身过渡圆角处艏和艉方向各一个；杆身中间部位艏、艉、排气端和操作端方向各一个；连杆204小端与杆身过渡圆角处靠近连杆204大端螺栓排气端和操作端方向各一个。发射装置52通过减振衬板固定安装于连杆上端用于吊装连杆204的工艺孔上。接受天线53安装于机架内对应于此缸挡板上，接收天线53通过信号线将数据传出至信号调理及采集单元内的接收调理盒64，接收调理盒64对接收天线的数字信号进行D/A转换，使其变成模拟应变信号。具体地，可在机架上钻小孔将信号线从机架内引出至接收调理盒64，信号线可孔之间通过填料函完成密封。船用低速机200的连杆应力场测量利用遥测装置，对连杆204应力集中处的应变信号进行采集，通过发射装置52将采集的数字信号发射给接收天线53，再通过接收调理盒64将其转换成模拟量，供信号采集卡65采集，采集软件结合应变片51和连杆材料特征参数，将应变信号转换成应力信号，从而实时监测连杆部位应力场变化情况，评估连杆204结构强度变化。

如图2所示，信号调理及采集单元的前置器61、电荷放大器62、信号调理板63、接收调理盒64分别对各路信号进行调理，信号采集卡65对所有信号进行同步采集，并将采集的信号通过以太网传入至工控机300中的信号分析处理模块、健康状态评估模块。

如图3-4所示，信号分析处理模块和健康状态评估模块安装在集控室工控机300内，各传感器、信号调理及采集单元机旁箱205放置在机舱内，采集的数据通过以太网与工控机300通讯，监测、分析和评估软件在LabVIEW虚拟仪器的平台上实现的，它包括船用低速机推进轴轴心轨迹监测与分析模块、振动监测与分析模块、示功图监测与分析模块、瞬时转速监测与分析模块和连杆应力场监测与分析模块。通过各类信号的获取、采集和信号分析和处理，分别得出推进轴系轴心轨迹图，排气阀漏气振动功率谱密度特征参数、十字头磨损振动时域和频域特征参数，增压器转子平衡性监测时域特征参数，缸内燃烧 P-φ和P-V示功图及特征压力参数，各缸瞬时转速波动率特征参数，连杆各部位变化趋势图等，通过特征参数和特征图的获取，并通过数据库实现对监测数据的存储、调用等管理，利用船舶管理专业知识，分析船用低速机发动机工作性能、变化趋势和健康状态。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (9)

1.一种基于多传感器技术的船用低速机健康状态评估系统，其特征在于，该评估系统包括采集模块、信号分析处理模块和健康状态评估模块；所述采集模块包括轴心轨迹测量单元、振动测量单元、气缸压力测量单元、瞬时转速测量单元、连杆应力场测量单元和信号调理及采集单元；所述轴心轨迹测量单元、振动测量单元、气缸压力测量单元、瞬时转速测量单元和连杆应力场测量单元分别安装于船用低速机上相应的测量部位，并与所述信号调理及采集单元连接；所述信号调理及采集单元将采集到的数据传到工控机中的信号分析处理模块、健康状态评估模块。

2.根据权利要求1所述的基于多传感器技术的船用低速机健康状态评估系统，其特征在于，所述信号调理及采集单元包括前置器、电荷放大器、信号调理板、接收调理盒和信号采集卡，所述信号调理及采集单元安装于机旁箱内，所述机旁箱安装于柴油机附近。

3.根据权利要求2所述的基于多传感器技术的船用低速机健康状态评估系统，其特征在于，所述轴心轨迹测量单元包括两个电涡流位移传感器，所述两个电涡流位移传感器相互垂直地固定在船用低速机推进轴外围，所述两个电涡流位移传感器分别与所述信号调理及采集单元的前置器连接。

4.根据权利要求2所述的基于多传感器技术的船用低速机健康状态评估系统，其特征在于，所述振动测量单元包括布置于船用低速机各缸缸盖表面的缸盖振动传感器、布置于机架表面并与各缸位置对应的机架振动传感器以及布置于增压器轴承表面的增压器轴承振动传感器，所述缸盖振动传感器、机架振动传感器和增压器轴承振动传感器均为加速度振动传感器，所述缸盖振动传感器、机架振动传感器和增压器轴承振动传感器分别与所述信号调理及采集单元的电荷放大器连接。

5.根据权利要求4所述的基于多传感器技术的船用低速机健康状态评估系统，其特征在于，所述缸盖振动传感器在船用低速机各缸盖表面各布置一个，所述机架振动传感器在机架表面对应各缸的位置各布置一个，所述增压器轴承振动传感器在增压器轴承外壳上布置一个。

6.根据权利要求2所述的基于多传感器技术的船用低速机健康状态评估系统，其特征在于，所述气缸压力测量单元包括气缸压力传感器、上止点传感器和曲轴转角传感器，所述气缸压力传感器安装于被测气缸示功阀上，所述上止点传感器和曲轴转角传感器均通过支架安装在飞轮外边缘齿轮径向方向，与齿顶圆间距为0.5～1.2mm；所述气缸压力传感器与电荷放大器连接，所述上止点传感器和曲轴转角传感器分别与信号调理板连接。

7.根据权利要求6所述的基于多传感器技术的船用低速机健康状态评估系统，其特征在于，所述上止点传感器和曲轴转角传感器同时组成所述瞬时转速测量单元。

8.根据权利要求2所述的基于多传感器技术的船用低速机健康状态评估系统，其特征在于，所述连杆应力场测量单元包括应变片、发射装置和接收天线；所述应变片安装于任意一缸连杆的应力集中处和截面积较小处；所述发射装置固定安装于连杆上端用于吊装连杆的工艺孔上；所述接收天线安装于机架内对应于此缸的挡板上。

9.根据权利要求8所述的基于多传感器技术的船用低速机健康状态评估系统，其特征在于，所述应变片有八个，具体安装位置为：连杆小端与杆身过渡圆角处艏和艉方向各一个；杆身中间部位艏、艉、排气端和操作端方向各一个；连杆小端与杆身过渡圆角处靠近连杆大端螺栓排气端和操作端方向各一个。