舰船设备振动监测阈值设定方法

程 晶，那 建，杨会金

(大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013)

0 引言

随着科学技术的发展，舰船设备的现代化程度和复杂程度也不断提高，增强关键设备的有效性和维修性至关重要。然而随着设备使用时间的延长，机械磨损、腐蚀、老化等原因会造成设备振动出现异常。设备的故障后果、停机损失、维修费用日益被人们重视和关注，迫切需要随时掌握设备的技术状态，以保证其发挥应有的功能和效能。因此有必要实时、动态地监测舰船设备振动，制定异常监测阈值，及时掌握舰船设备及其动力机械设备的振动状况，及时发现异常并报警，采取必要的维护措施确保设备运转正常。

本文简要介绍了出现异常振动信号的特点，根据其特点制定了2种异常阈值设定方法并给出实际算例。

1 异常信号特点

设备振动异常指的是来自监测传感器信号频谱长期持续变化的，而不是由一些活动如开闭阀门或打舵停车等造成的瞬时现象或是由于设备改进导致线谱的消失。简单来说，一般将设备异常分成4类。

1)频率改变

如果原有线谱频率的变化超过某一阈值，那么就是出现了故障噪声。阈值必须足够大，使不稳定的线谱也在阈值内。

2)新线谱

如果出现了新线谱，那么这就是故障噪声。已知线谱的消失并不被认为是出现了故障。

3)窄带功率增加

如果原有线谱功率或振幅的增加量大于某一容许的阈值，那么该噪声就是故障噪声，但功率减少的并非故障噪声。

4)宽带功率增加

如果整个频带内的总功率增加量大于某一容许的阈值，那么就是出现了故障噪声。宽带功率的增加必须考虑，因为由于流体噪声或螺旋桨空泡噪声过大，而大大提高的噪声基准，就是故障噪声。宽带功率减少并非出现故障噪声。

根据故障噪声的特点发现，无论是出现频率改变还是窄带、宽带功率增加故障，总得来说都是表现在能量增加上面 (带宽大小不同而已)。

2 阈值设定方法

阈值的设定方法是基于振动分析设备状态监测和故障诊断中最重要的基础工作.异常阀值定得偏高，机器已经出了毛病还以为一切正常;阀值定得偏低，设备稍有异常就会报警停机，使人虚惊一场，有时甚至会造成误修而劳民伤财。只有正确确定设备振动监测异常阀值，才能对设备状态作出客观的正确的评价，才能使对设备的维修在经济上合算。事实上，整个设备状态监测和故障诊断都是围绕标准、对照判据来进行的。

2.1 置信区间阈值法

舰船设备振动总能量正常状态下在一定范围内波动，其分布具有一定的规律，对其设定异常监测阈值，采用置信区间的概念是一个不错的选择。通过估计能量的分布范围，并得出这个范围包含真值的可信程度，即所谓的置信区间。

置信区间:设总体X的分布函数为F(x;θ)，含有一个未知参数θ，对于给定值α(0＜α＜1)，若由样本X1，X2，…，Xn确定的统计量θ－=θ－(X1，X2，…，Xn)和 θ－=θ+(X1，X2，…，Xn)满足 P{θ－＜θ＜θ+}=1－α，则称区间(θ－，θ+)是θ的置信度为1－α的置信区间，θ－和θ+分别称为置信度为1－α的双侧置信区间的置信下限和置信上限;若统计量θ+=θ+(X1，X2，…，Xn)满足 P{θ＜θ+}=1－α，则称随机区间(－∞，θ+)是θ的置信度为1－α的单侧置信区间，θ+称为置信度为1－α的单侧置信上限;又若统计量θ－=θ－(X1，X2，…，Xn)满足P{θ＞θ－}=1－α，则称随机区间(θ－，+∞)是 θ的置信度为1－α的单侧置信区间，θ－称为置信度为1－α的单侧置信下限，1－α称为置信度。可以看出:置信区间是在对多次正常状态监测的基础上，通过统计分析所建立的一个范围。

对于实际问题中不同的统计参数，所关心的置信区间并不相同，如灯泡的寿命问题，关心的就是置信区间的下限。而本文探讨的关于舰船设备振动异常的能量，需要关心的则是置信区间的上限。

2.2 均值方差标准阈值法

舰船设备振动总能量正常状态下在一定范围内波动，其分布具有一定的规律，对其设定异常监测阈值，采用置信区间的概念是一个不错的选择。通过估计能量的分布范围，并得出这个范围包含真值的可信程度，即所谓的置信区间。

在实际故障诊断现场，如果能同时取得设备正常及异常情况的数据，并用以制定诊断标准，当然是比较理想的，然而在一般情况下，两方面都能取得的情况并不多，这时就要从正常时的数据出发，制定异常诊断标准.通常利用均值和方差数据，其步骤如下:

1)在设备正常，并且处于稳定状态时，对其进行N(N≥2)次以上的振动测定。

2)计算平均值μ和均方差σ。

3)计算异常监测判据统计阈值。

以上用统计方法计算出的为设备的预警量级，依据该量级即可推出报警量级，一般情况报警量级约为预警量级的3倍。报警量级为

当频率达到10 kHz以上时，报警量级为预警量级的6倍。

在制定以上异常监测判据统计阈值时，要考虑统计判据标准与均值的相关性，即the与μ的比率关系，通常当二者的比值大于1.5时，认为异常监测判据统计阈值有效。

3 计算实例

文中选择了2种特征量作为依据进行异常判断，分别是总能量和1/3倍频程带级能量。前者采用置信区间阈值法进行阈值设置，后者用均值方差标准阈值法进行阈值设置。

3.1 总能量监测阈值设置实例

图2给出某船部分设备正常状态下振动总能量概率密度分布曲线及按照置信区间方法设定的异常监测预警阈值。实际监测过程中，总能量低于阈值或由于偶尔的瞬时动作导致的监测数据超出阈值不进行预警或报警，只有当总能量超出阈值一定时间才进行报警.这将有效地降低虚惊概率。

图3和图4选择正常状态下振动监测数据对图2中设定的阈值有效性进行了验证，验证过程中当总能量连续超出阈值1 min选择预警。从图中可以看出，按上述方法设定的阈值并没有产生虚警现象。

图3 设备a和b预警阈值验证情况Fig.3 Validate the early-warning threshold of machinery a and b

3.2 谱监测阈值设置实例

在监测过程中，如果判据特征量选择信号线谱的情况下，用均值方差标准设置阈值更容易。图5是用均值方差标准设置的设备a和b的监测预警阈值 (图中频率和能量数据分别经过归一化处理)。

图4 设备a和b线谱监测预警阈值曲线Fig.4 Threshold curve for line spectrum monitoring of machinery a and b

4 结语

文中针对舰船设备常见故障信号类型提出了置信区间、均值方差2种阈值设置方法。置信区间阈值设置方法可以检测信号宽带能量变化带来的异常。该方法直接使用实时监测到的振动时域信号，不需要通过各种处理及变换，计算量小，不致出现信号畸变和泄漏等缺陷。均值方差阈值设置方法针对信号频率特征，可以检测出由窄带能量增加、频率改变等故障带来的异常现象。利用这2种方法对实际监测数据进行了舰船设备振动总能量和线谱能量异常监测阈值设置，制定的阈值具有较好的包容性。在今后的工作中，振动报警的研究还有许多工作要做，报警阈值要保证精度，就需要不断使用大量的数据更新验证阈值;要降低虚警漏报概率，就需要进行多种判据特征联合应用研究;各种阈值的系数在实际应用中，根据不同的监测设备和采集的大量实测数据也要进行不断的修正和完善。

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