动力装置振动测量结果不一致性分析

孙 涛1, 王晋忠2, 李留成1, 王 勇3



动力装置振动测量结果不一致性分析

孙 涛, 王晋忠, 李留成, 王 勇

(1. 中国船舶重工集团公司第705研究所, 陕西西安, 710075; 2. 海军驻侯马874厂军事代表室, 山西侯马, 043002; 3. 山西平阳重工机械有限责任公司, 山西侯马, 043002)

针对功率试验台2套测振系统振动测量结果长期以来一直存在时大时小差异的问题, 利用置换分析法和1/3倍频程变工况分析法进行了深入分析, 找到了引起振动差异的深层原因, 提出了消除电磁干扰和保证安装位置一致的措施。验证试验表明, 采取措施后, 2套系统振级差值绝对值的最大值由以前约10 dB降低为约1.6 dB。该项研究解决了长期存在的振动测量不一致性问题, 为正确评判动力装置振动和完善振动测量标准提供了试验依据。

动力装置; 振动测量; 置换分析法; 1/3倍频程变工况分析法

0 引言

动力装置的功率试验系统可综合模拟实航时动力装置工作的环境和负载状态, 并测量其运行参数及振动参数, 是在陆上全面检验动力装置性能最有效的试验手段。功率试验以真实燃料为工质, 试验成本高, 而且作为出厂前的交验试验, 一旦某项考核指标不达标, 轻则重做试验, 增加成本, 拖延进度, 重则定性为不合格品, 给工厂造成重大经济损失。

振动是功率试验最重要的考核指标之一, 受工业现场环境及振动传感器工作原理限制, 该参数的测试难度远大于温度、压力、流量等参数的测量。为了保证动力装置振动测试的有效性, 避免振动数据丢失, 功率试验系统的振动测试采用冗余设计, 即用2套测振系统同时测试动力装置振动评估点。某功率试验设备的2套测振系统由于是由不同振动设备公司研制的, 软硬件均不相同, 测试结果长期以来一直存在时大时小的差异,绝大多数情况下都是A测振设备的振级测试结果大于B测试设备。影响振动测量结果一致性的因素主要有硬件故障(包括传感器故障、电缆故障、采集卡故障)、软件问题、测点位置不同及传感器安装方式不同等。近年来, 该功率试验设备用于某新型动力装置的科研试验, 由于新型动力装置振动指标值较小, 2套测振系统的评判结果经常出现矛盾, 由此直接影响到对动力装置振动指标的合格判定。为了保证科研生产的顺利进行, 迫切需要尽快解决该问题。

本文在利用置换分析方法排除了影响振动测量结果一致性的典型因素的基础上，利用1/3倍频程变工况分析方法找到了电磁干扰这一隐蔽度高、影响大的因素。

1 置换分析法

对于软硬件问题, 简单而有效的诊断方法是置换分析法。首先, 将A测振设备采集的一块数据导入到B测振设备, 计算1/3倍频程谱, 并和A测振设备计算出的1/3倍频程谱进行对比, 发现二者几乎完全一致, 由此排除了软件对测试结果的影响; 其次, 利用振动加速度校准仪发出的标准信号, 通过置换加速度计和测试电缆, 依次排除了采集卡、加速度计和测试电缆的问题。

《振动测试技术条件》要求振动评估点为C出口处。为了测量C出口处的振动, 工厂专门加工了如图1所示的制式堵盖, 并在该堵盖上加工了2个测振孔, A测振设备和B测振设备分别测量测振孔1和测振孔2处的振动。测振孔1和测振孔2处的振动传感器安装方式都属于螺钉安装, 首先安装在用于固定制式堵盖的四方螺钉头上, 螺钉再穿过制式堵盖的光孔, 将堵盖固定在发动机舱壳体的C出口孔。显然, A测振设备和B测振设备的测点位置虽然距离很近, 但严格意义上讲不是同一个位置, 该因素对测试结果的影响不能排除。

2 1/3倍频程变工况分析方法

只有在已知所有可能导致顶事件(结果)发生的事件或条件组合的情况下, 置换分析法才能找到导致问题的根本原因。然而, 受认知水平的限制, 确定出导致顶事件(结果)发生的所有事件或条件组合几乎是不可能的。为了避免漏诊, 利用笔者根据功率试验流程特点而研发的1/3倍频程变工况分析方法对近期的数十次功率进行了数据处理, 通过对比分析各次功率试验的1/3倍频程变工况振级曲线, 得到一个重要发现: 2套测振设备的振级测量结果都是I速制基本相同, II速制差别较大, III速制差别最大。此处以第21次和第29次试验的振级曲线和差值曲线为例来图示振级随速制变化的特征(见图2和图3)。显然, 振动信号中包含一种在转速高振动大时贡献不大, 转速低振动小时贡献大的干扰信号。

干扰信号的贡献随着转速而变化的机理是动力装置的振动随着转速的升高而增大, 而测试仪器各自周围的环境干扰不受转速影响, 基本保持不变。在I速制时动力装置的振动远大于环境干扰, 根据振动的叠加原理, 这种情况下合成振动基本等于动力装置的振动, 因此2套设备测得的振动基本相同; 而当转速降至低转速对应的速制, 动力装置的振动降低了, 环境干扰在合成振动中的作用被突显出来, A测试设备环境干扰多, B测试设备的环境干扰少, 所以A测试设备的测试结果就大。

在理论分析的指导下, 将干扰源确定为测试电缆周围, 仔细检查每个可能通过电缆传递干扰的环节, 发现A设备是功率试验台的固定配套设备, 测试电缆经过地沟接到采集卡, 除有振动测试电缆外, 还有各种管路及其他类型传感器的测试电缆; 而B设备是移动式设备, 每次试验时将测试电缆直接铺设在地面上, 通过防爆墙的观察口引入采集卡, 周围没有其他干扰。

3 诊断结论及验证

3.1 诊断结论及改进措施

根据以上分析认为, A测振设备比B测振设备的振级测试结果大的原因如下。

1) A测振设备的测试电缆周围干扰源多, 测试信号中与动力装置无关的噪声能量大;

2) C出口处是非稳定流场区域, 不同位置振动有一定差异。

根据诊断结论, 提出了以下改进措施。

1) 将A测振设备所有的振动测试电缆布置在地沟外, 远离强电源和电线, 该措施旨在避免电磁干扰;

2) 通过“T”字型三通将安装在测振孔1的加速度计的输出电压信号分为两路, 分送至A测振系统和B测振系统, 该措施目的旨在2套系统采集的振动信号来自同一位置;

3) 在C出口堵盖上加工1个螺孔, 将传感器直接通过螺钉安装在滑油堵盖上, 该措施旨在验证C出口周围不同位置的振动是否有差异。

3.2 验证结果

为了充分验证了技术分析的正确性和措施的有效性, 利用相关科研试验中对改进措施进行了4次搭载验证。2套设备的共同测试位置为测振孔1, 以相同工况条件下B设备振级测试结果相对A设备振级测试结果的差值为评估指标。第1次搭载验证试验: 振动测试结果对比见图4, B测振设备相对A测振设备在24个工况的振动差值范围为–0.57~0.41dB。第2次搭载验证试验: 在11个工况的振动差值范围为0.05 ~0.32 dB。第3次搭载验证试验: 在12个工况的振动差值范围为–1.29~0.34 dB。第4次搭载验证试验: 在24个工况的振动差值范围为–0.12~1.6 dB。

第1次试验, 在C出口原来的2个测振孔及新加工的位于正下的测振孔各安装1个振动加速度计, 用B测振设备同时测量这3处的振级, 测试结果对比见图5。总体来看, 在大部分工况C3的振动都最小, C2的振动居中, C1的振动最大, 表明C出口周围不同位置的振动随工况有或大或小的差异。

综上所述, 在测点位置和电磁干扰相同情况下, 2套测振设备的测量结果是一致的, A测振设备在C出口的测试结果相对B测振设备偏大是由测试电缆布置以及传感器的安装导致的。

4 结论

通过4次搭载验证试验对消除电磁干扰和保证安装位置一致的措施进行了较充分的验证, 试验结果表明: 1) 采取措施后, 2套测振系统在C出口的振级测试结果无论随工况的变化趋势还是数值都表明出良好的一致性，由此验证了技术分析的正确性和措施的有效性; 2) 采取措施后, A测振系统的振级测量结果比历史最低值还低4 dB, 并且同一套动力装置重复试验的振动一致性远好于以前, 由此表明, A系统测振电缆原来的布线方式的确会对测试结果造成很大影响; 3) C出口周围不同位置的振动随工况有或大或小的差异, 表明对于复杂振动系统而言不能简单地认为位置相近振动就差别不大。

[1] 查志武, 史小锋, 钱志博. 鱼雷热动力技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2006.

[2] 孙涛, 高爱军, 王祎, 等. 一种多测点变工况倍频程快速处理方法[J]. 鱼雷技术, 2011, 19(6): 455-458.Sun Tao, Gao Ai-jun, Wang Yi, et al. A Fast CPB Processing Method of Off-design Vibration and Noise Data from Mul- tiple Channels[J]. Torpedo Technology, 2011, 19(6): 455-458.

[3] 诺顿 M P. 工程噪声和振动分析基础[M]. 北京: 航空工业出版社, 1993.

(责任编辑: 陈 曦)

Inconsistency Analysis of Vibration Measuring Results for a Power System

SUN Tao, WANG Jin-Zhong, LI Liu-cheng, WANG Yong

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2.Navy Representative Office Stationed in Factory 874, Hou Ma 043002,China; 3. Shanxi Pingyang Machinery Factory, Houma 043002, China)

Two vibration measuring systems attached to a power test stand have output inconsistent measuring results for a long time, so the exchange and the one-third octave analysis method are employed to investigate the inconsistency. Accordingly, countermeasures are offered against the inconsistency by eliminating the electromagnetic interference and guaranteeing the mounting sites of two systems in accordance with one another. Validation experiments show that the maximal absolute difference of vibration levels measured by the two systems reduces from about 10 dB to 1.6 dB. This study may help to correctly evaluate the power system vibration and to perfect the vibration measurement standard.

power system; vibration measurement; exchange method; one-third octave method

TJ630.32;TB523

A

1673-1948(2013)06-0450-04

2013-06-18;

2013-07-25.

孙 涛(1977-), 男, 博士, 高级工程师, 从事振动信号处理、制造工艺过程振动控制、故障诊断与健康监测的研究.