关于船舶推进装置故障诊断技术的研究

张 伟，程 超



关于船舶推进装置故障诊断技术的研究

张 伟，程 超

（武汉船用电力推进装置研究所,武汉 430064）

推进装置在船舶设计中为最重要的部分，它不仅决定着船舶运行速度，还决定着船舶能否实现安全运行。对于船舶的推进装置来说，主要构成部分为主机、轴系以及螺旋桨，在船舶长期运行以后，其推进装置如果不注意维护，经常会发生故障，最先会发生故障的部分就是螺旋桨，进而影响到轴系与主机。为做好船舶推进装置故障诊断分析，本文将从船舶推进装置构成与传动方式入手，研究船舶推进装置故障诊断技术，并提出船舶推进装置的维修解决方案。

船舶 推进装置 故障 诊断技术

0 引言

推进装置是船舶的重要组成部分，也是十分重要的动力系统组成，如果推进装置在使用时发生故障，船舶航行将会受到一定影响，因此，故障诊断技术在船舶推进装置设计中是必不可少的，利用该技术人们不仅可以快速、精确、高效的确定推进装置故障原因所在，还能预见各个部件是否会出现劣化情况，从而最大限度避免了事故进一步扩大，保障了船舶在航行中的安全。所以，有必要对船舶推进装置故障诊断技术展开研究与探讨，并提出了做好故障维修的相应方法，希望能为相关人员带来有效参考和帮助。

1 船舶推进装置构成与传动方式

1.1船舶推进装置构成

船舶要正常运行就离不开推进装置的支持，它是促使船舶运行的重要系统，要做好船舶推进装置故障诊断与检修，首先应先了解其推进装置的主要构成要素，通常情况下，船舶推进装置的构成要素主要有主机、轴系、螺旋桨以及传动设备（如图1所示）[1]。

1.2船舶传动方式

常用的船舶传动方式主要有以下几种：

第一，直接传动。这种传动方式不需要得到变速装置的支持，其作用是将输出动力传送到推进器中，这样就产生了推进力。直接传动无论是整体结构，还是维护都相对简单，且具有良好的经济效益，但将其应用到船舶运行中，速度相对较慢。

第二，间接传动。这种传动方式的动力输出属于间接过程，它存在于船舶主机与推进器之间，主要指存在两者间的加速装置。

第三，Z型传动（如下图2所示）。这种传动方式不仅具有良好的操作性，还可以有效减少部分结构设计，尤其是船尾设计相关简单，可以最大程度的减少船舶在运行中所受到的阻力，但这种传动方式也存在一定不足，即传递功率相对较小，不适宜在大型船舶中应用[2]。

第四，电力传动。电力传动是主机驱动着主发电机，并把发出电传到主配电板，再由主配电板供电给主电动机，从而驱动螺旋桨运转的一种传动方式。主要用于破冰船、拖船、游船等。

除以上四种传动方式外，还有调距桨装置、吊舱式推进器以及喷水推进器传动装置等，这里就不再一一赘述。

注：1-主机；2-联轴器；3-离合器；4-传动轴；5滑动轴承；6-弹性联轴节；7-滚动轴承；8-上水平轴；9-上部螺旋锥齿轮；10-涡轮蜗杆装置；11-齿式联轴器；12-垂直轴；13-螺旋桨；14-下部螺旋锥齿轮；15-下水平轴；16-旋转套筒；17-支架。

2 船舶推进装置故障诊断技术

2.1基于信号处理的故障诊断技术

对于基于信号处理的故障诊断技术来说，主要是在信号模型基础上发展起来的，它的实现需要得到多种方法的支持。在信号处理故障诊断技术中，应用最多的是频谱分析技术，之所以采用这种故障诊断方法，与其具有良好的信号直观性有一定关系，它可以快速准确的分析出其中存在的故障。在信号处理故障分析中，也经常应用的分析方法还有时域分析，而频域分析不仅可以做出精准评价，还能找出故障所在位置[3]。在频谱分析中应用最多的分析方法就是快速傅里叶法，它具有良好的周期性与对称性，可以有效减少再次计算的出现，同时，它可以将多个长序列划分为若干短序列，这样不仅可以有效减少序列长度，还能最大程度的减少计算过程。

在利用快速傅里叶法实现故障诊断的过程中，可以将长序列()根据奇偶的不同划分为两个序列，每个序列的长度为/2，这样就获得公式：()=(2)+(2+1)=1()+2()，其中(=0到(/2)-1)。

这样就可以快速确定故障所在位置。同时，随着快速傅里叶法的应用，有效减少了数字信号处理中大量运算量，更有效减少了中央处理器的资源占用情况发生。

2.2基于解析模型的故障诊断技术

基于解析模型的故障诊断技术可以分为三种诊断技术，分别为参数估计、状态估计以及等价空间估计。通过研究发现，状态估计和等价空间是等价关系，而与参数估计之间是相互补充的关系。对于基于解析模型来说，需要得到相关数学模型的支持，通常情况下，非线性系统无法顺利完成数学模型构建，这在一定程度上影响了状态观测器的设计[4]。总的来说，等价空间估计只能被应用到线性系统中，而参数估计则比较适用于非线性系统。所以，在利用基于解析模型了解故障诊断基本情况的过程中应注意与系统实际情况的联系，只有这样才能找出存在于船舶推进装置中的各种故障。

2.3基于知识的故障诊断技术

基于知识的故障诊断技术将专家诊断知识融入其中，具有良好应用前景，能够在非线性系统中发挥应有作用。

基于知识常用诊断技术方法有以下几种：

第一，故障树推理法，它与故障树分析十分相似，属于相对传统的诊断技术。如果船舶推进装置发生故障，就可以先确定故障类型，划分好顶级故障，这样就能快速确定故障所在位置，找出促使故障发生的因素[5]。

第二，神经网络法，它主要指人工神经网络，将其应用到故障诊断中可以快速找出存在于船舶推进装置中的各种故障，并为相关工作人员提供有效参考。

第三，专家系统法，利用专家系统法主要是利用在线专家系统完成诊断，在该技术的作用下不仅可以有效减少维护修理费用，还能最大程度的强化船舶营运效率。此外，智能故障诊断系统也是一种十分常见的用于船舶推进装置故障诊断的技术，利用它不仅可以缩减修理成本，还能减少突发事件的产生，因此应重视智能故障诊断系统的研究与应用。

3 船舶推进装置的维修解决方案

在确定存在于船舶推进装置中的故障以后，还要做好船舶维修工作，具体来讲可以采用以下几种方法实现维修：

3.1维修模型的利用

在船舶推进装置维修的过程中，应选择合适的维修模型，可以采用定期模型与定龄模型两种模型，所有的船舶推进装置各个零件都需要在运行一定时间以后进行维修，这就需要应用到定期维修模型，其目的是实现预防维修。定期模型如下图3所示。

当船舶推进装置在运行时有个部件发生故障，就需要及时进行故障处理，然后再重新计算装置运行时间，如果在既定时间内没有发生任何故障，就可以按照定龄模型进行维修，这也是做好船舶推进装置故障分析与检测的有效方式[6]。

3.2推进装置状态评估

在推进装置状态评估中，首先应明确设备实际状态，根据推进系统实际情况做好设备故障诊断，通常情况下，对于推进装置状态的评估可以根据其健康状态做好评价。其次，明确灰色聚类函数范围，即函数值应处于0-1之间，如果函数值为1，那么就意味着系统出现了白化的情况，如果函数值为0，那么就意味着系统出现了黑化的情况。同时在对推进装置进行健康评估的过程中还要将专家打分法应用其中，以便了解推进装置实际健康情况，并选择合适的解决办法[7]。再者，确定决策指标，在评估船舶推进装置健康情况时，需要得到大量数据的支持，这样就形成了状态信息，如果某些状态信息存在冗余，就要将这些信息去除，并加强与实际经验的联系，只有这样才能确定维修决策指标。最后，明确评估步骤，在这一过程中应先确定好评估设备决策指标，做好数据格式处理，并按照一定的计算方式完成决策评估。

4 结语

通过以上研究得知，如果船舶推进装置发生故障，船舶运行会严重受到影响。本文分析了船舶推进装置主要构成要素，同时分析了传动方式，并从多方面研究了船舶推进装置故障诊断技术，然后提出了做好故障维修的方法，希望能为相关人员带来有效参考，进而给船舶故障诊断与维修工作有所帮助。

[1] 严新平, 李志雄, 张月雷, 袁成清, 彭中笑. 船舶柴油机摩擦磨损监测与故障诊断关键技术研究进展[J]. 中国机械工程, 2013,10:1413-1419.

[2] 严新平,李志雄,刘正林,杨平,朱汉华,杨忠民. 大型船舶推进系统与船体耦合动力学研究综述[J]. 船舶力学, 2013,04:439-449.

[3] 李中亮. 船舶推进装置的维修决策方案[J]. 中国水运(下半月), 2016,(02):116-117.

[4] 罗黎. 神经网络在船舶电力推进系统故障诊断中的应用[J]. 舰船科学技术, 2016,(12):97-99.

[5] 刘峻华,孟清正,杨涛,张聘亭. 船舶动力装置可组态智能故障诊断系统设计[J]. 中国舰船研究,2011,(02):77-80.

[6] 范佳勇. 关于船舶主机常见故障诊断的探讨[J]. 通讯世界, 2015,(06):237-238.

[7] 陈郭, 张刚, 佘道明. 基于T-S模糊模型的船舶推进系统故障诊断研究[J]. 船舶工程, 2015,(07):59-63.

Fault Diagnosis Technology for Ship's Propulsion Device

Zhang Wei, Cheng Chao

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

U664.3

A

1003-4862（2017）05-0040-03

2016-10-15

张伟（1986-），男，本科，工程师。研究方向：船舶电气工程。