基于LabVIEW的喷水推进泵空化在线监测系统

李江柏，段向阳，2，黄本润，周 平

(1.中国人民解放军92557部队，广东广州，510720;2.海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉，430033)

0 引言

由于喷水推进船具有快速性优、机动性高、操纵性好、抗空化能力强、高速时推进效率高、振动与噪声低等优点，在世界各国的高速客渡船及军用高性能舰船上均有广泛的应用［1-2］。

尽管喷水推进具有抗空化能力强的优点，但在启航、加速、转弯、倒车、拖带、平移和部分泵工作时，喷水推进泵很容易进入空化区。由于喷水推进在国内应用较晚，目前国内还没有建立相应的空化监测装置，有关喷水推进器空化监测的研究还处于探索阶段。牟介刚等人对喷水推进泵的空化噪声源进行了深入分析，指出在喷水推进降噪研究中应重视空化噪声［3］。何杰等对喷水推进泵空化预测原理和方法进行了研究，提出了喷水推进泵空化监测的方法和步骤，为开展相关的研究提供了很好的参考［4］。苏永生、段向阳等人设计了喷水推进器实船空化监测方案，阐述了其空化监测的机理，对喷水推进器空化监测技术进行了研究［5-6］。本文在此基础上对喷水推进泵空化进行实船测量，通过对大量实验数据的分析，确定了适宜于空化在线监测的特征量及其对应的监测报警阈值。

1 空化监测原理和方法

空化发生时，会产生大量的气泡，气泡随着周围流体运动到高压区时会溃灭。空泡的溃灭会产生高频脉冲，辐射空化噪声，引起介质压力波动，并诱发机械结构振动。空化监测的原理就是测量空泡溃灭时产生的冲击波和辐射噪声以及介质的压力脉动和机械结构的振动，从测量信号中提取出表征空化的特征，建立空化特征值与空化强度的对应关系，通过监测信号中各特征值的变化来判断空化的发生和发展，从而达到监测空化的目的。

国内外学者对叶轮机械的空化监测进行了大量研究，提出了很多有效的空化监测方法。常用的空化监测方法有噪声测量法、高速摄影法、超声监测法、压力测量法和振动测量法等［7-10］。

本文在国内首次开展了喷水推进泵实船空化测量实验研究。通过安装在喷水推进泵叶轮进口前的水听器和泵壳上的加速度传感器分别获取空化时的水声信号和空化引起的结构振动信号。通过对测试信号的分析，深入探讨喷水推进泵空化的特点和规律。利用虚拟仪器技术，建立了基于LabVIEW的空化在线监测系统。

2 喷水推进泵空化在线监测系统设计

2.1 空化在线监测系统组成

整个监测系统由传感器，信号调理模块，数据采集模块，便携计算机以及相应的分析处理模块组成，其结构组成如图1所示。

图1 监测系统组成示意图Fig.1 Composition diagram of monitoring system

通过测取喷水推进泵内的水声信号和泵壳体振动信号来确定泵的空化状态，同时测取泵轴转速和航速信号作为参考。水声信号通过RHS-30水听器获取，振动信号通过PCB 608A11加速度传感器测取，转速通过HE-01霍尔转速传感器测取，航速通过422串口从计程仪引入。各传感器主要参数如表1所示。数据采集模块采用了NI的PXI系列板卡，其中PXI-4472用来采集振动和水声信号，PXI-6251用来采集转速信号，PXI-8431/2用来采集航速信号。所有信号同步采集，水声信号和振动信号采样率分别设为102.4 kHz和51.2 kHz。

2.2 空化监测系统的主要功能

利用图形化编程软件LabVIEW构建了空化监测系统平台。该监测系统主要包含以下功能模块:

1)参数设置及数据采集模块

该模块主要功能是设定各传感器对应的物理通道、采样率以及传感器灵敏度等参数，进行各通道信号的采集。

2)在线处理模块

在线处理模块包含航速信号采集与显示单元、转速信号采集与显示单元、水声信号和振动信号采集与显示单元，以及空化报警单元。

①航速信号采集与显示单元

通过NI PXI-8431板卡将包含航速信号的串口信息读入采集系统，编程提取航速信息并显示。

②转速信号采集与显示单元

通过NI PXI-6251板卡采集转速传感器原始方波信号，通过编程提取频率，通过计算转换到相应的转速并实时显示。

③水声信号和振动信号采集与显示单元

通过2块NI PXI-4472板卡分别采集水声信号和振动信号，在时域和频域进行实时显示。

④空化报警单元

分别计算各通道的水声信号和振动信号在特征频带上的声压级和振动加速度级，根据实测据数据分析结果设定对应的阈值，当声压级和振动级超过该阈值时产生持续声光报警。声报警可手动进行消音。

3)数据保存模块

数据保存模块包含参数信息保存和测试数据保存单元。其中参数信息保存单元通过配置文件将试验时间、试验内容、试验工况、传感器参数和采样参数等信息单独保存。测试数据保存单元分别将航速信号、转速信号、水声信号以及振动信号单独保存为excel文件。同时具备空化报警数据自动保存功能，打开该功能按钮后，如果出现空化报警，自动将该报警数据保存下来。同时可根据需要或对可疑数据手动进行保存。

4)离线分析模块

通过该模块可查看保存的数据信息，并可进行相应的离线分析。监测报警系统流程如图2所示。

3 空化在线监测系统在实船上的应用

试验船安装有4台喷水推进泵，分别在每台泵对应位置安装1个水听器、1个加速度传感器和1个转速传感器，对其空化状态进行实时监测，监测界面如图3所示。

图3 喷水推进泵空化监控面板Fig.3 Cavitation monitoring panel for waterjet pump

3.1 传感器的安装

综合考虑传感器安装要求和实船安装环境，将水听器安装在位于喷泵叶轮进口前检查孔的空腔里，水听器通过隔振橡胶固定在空腔内，空腔内注满水，底部用高强型玻璃钢声板将水流隔离。该声板由基体3201#树脂和增强材料高强4枚缎纹纤布生产而成，其力学性能和声学性能均满足GJB-24A-95标准的要求。

3.2 空化监测特征阈值的确定

空化在线监测必须选用合适的空化监测方法、选取适当的测量位置，以及选择有效的空化监测特征。研究表明，空化后声压级或振动级有10～20 dB的跃升。本文采用特征频段的声压级和振动级作为监测特征，为保证空化报警的准确性，必须对报警阈值进行合理的取值。

由于喷水推进船在部分泵工作时容易进入空化区，分析发现在4泵、3泵或单泵正常使用工况下均处于无空化工作区。下面主要对2泵工况进行分析。

通过高阶导数分析发现，水声信号在8～15 kHz和15～25 kHz频段内出现明显峰值，振动信号在3～8 kHz频段内变化明显。由此，选择上述频段作为水声信号和振动信号的空化监测特征频段。图4～图6分别为2泵工况时主机转速从1 650～1 900 rpm变化过程各特征频段声压级和振动级分布规律。

从图4和图5可以看出，随着转速的升高，声压级呈现出先增大、到达极值后又逐渐减小的趋势，与典型的空化声压变化规律相吻合。研究表明，当空化声压级达到极值时，此时空蚀率也达到最强［11］。因此，要想有效防止空化空蚀破坏，必须在声压级达到最大值之前及时发出警报。对比声压级和振动加速度级的变化趋势，结合空化声压曲线变化规律，可以判定2泵工况时空化转速在1 800 rpm左右。相对于无空化转速工况，此时特征频带声压级和振动级均有约10 dB跃升。据此设定空化监测参考阈值如表2所示。

表2 各频带的参考监测阈值Tab.2 Monitoring threshold for each frequency band

根据实船监测数据显示，在4泵各转速下，水声信号在8～15 kHz和15～25 kHz频带声压级最大值分别为145 dB和134 dB左右，振动信号在3～8 kHz频带振动级最大值约为140 dB。3泵和单泵各工况下对应频带的声压级和振动级也基本上没有超过设定的报警阈值。由此可见，设定的报警阈值在一定程度上可以对喷水推进泵的空化进行有效的监测，有一定的工程应用价值。

4 结语

本文在国内首次开展了喷水推进泵实船空化监测实验研究。利用LabVIEW图形化开发平台构建了喷水推进泵空化在线监测系统，利用水声信号和振动信号对应特征频带的声压级和振动级对空化状态进行实时评估，实现了空化的在线监测。通过实测数据分析，确定了特征频带声压级和振动级对应的监测报警阈值。实船试验表明，该在线监测系统能够有效地对喷水推进泵的空化状态进行实时在线监测。

本研究为喷水推进泵空化在线监测仪的研发提供了技术基础，有一定的工程应用价值。为了提高监测系统的可靠性，报警阈值的确定还有待于进一步深入研究。

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