大型装备海洋运输过程中的振动及倾角监测方法研究

黄锐彬 蔡春波 程琍斌

摘 要：大型装备在海上运输过程中，由于海上风浪涌的干扰和驾驶操作等因素的影响，船体产生摇晃。随船运输的设备随船体的晃动，其结构会产生一定的振动、倾斜等情况。通过传感监测手段采集海上运输过程中设备的动态信号数据，获得设备在船运过程中的实时状态数据，对海洋运输过程设备结构安全状态分析评估具有重要意义。本文通过海上升压站远海运输过程中的监测技术需求，研究了基于振动和倾角传感器信号采集为主的动态信号监测技术，并在此基础上开发了针对大型装备远海运输中的特点和技术要求的信号监测系统。

关键词：海洋运输;监测技术;振动监测

中图分类号：U698           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）01-0087-03

1引言

一般來说，大重型装备的海上运输往往容易遇到风浪涌的干扰，装备受海洋运输环境变化和驾驶操作等原因的影响，随船体产生振动和摇晃[1]。如果振动频率或摇晃造成的设备倾斜超过设备设计标准，一方面可能对设备结构造成一定损伤，使得设备后续使用安全性存在隐患;另一方面，船体晃动过大存在设备倾覆的危险。目前，关于大型装备海洋运输过程中由于海况变化导致的结构摇晃，或主要结构件在特定条件下因船体摇摆产生的振动加速度对结构的影响等等这些方面的数据采集和分析还是空白。这些问题的解决，其前提条件就是首先要得到在海洋运输中装备结构关键部位振动、晃动等的实时变化信号。为此，本文提出了一种适于海洋运输环境的大型装备状态监测系统，以海上风电场升压站海上运输过程监测数据需求为应用案例，研究了基于振动和倾角传感器信号采集为主的动态信号监测技术，并在此基础上开发了针对大型装备远海运输中的特点和技术要求的信号监测系统[2-3]。该系统通过对大型装备在船舶运输过程的振动和倾角等动态信号进行在线实时的采集和存储，并在实验室条件下进行数据处理、分析与计算，最终形成数据分析报告，为大型装备海上运输环境中的装备结构安全评估提供数据支撑，实现了远海运输环境中设备结构状态的实时跟踪。

2信号传感及其采集分析系统的建立

海上风电场升压站上部组块外轮廓长度约58.35m，宽约52.15m，高约17.58m为了有效分析海上升压站在海洋运输时由于风浪及船体摇晃而产生的结构振动和倾斜数据，需建立相应的信号传感和数据采集系统，实现对升压站结构关键部位振动加速度和倾角等动态信号的采集，围绕结构主要测点各个方向振动加速度和倾斜角度分析，主要传感信号的设置总达 20个通道，满足技术分析的要求。

2.1振动传感器选择与布置方案

海上升压站在运输过程中由于船体的运动结构会产生三个方向的振动，因此，需要选择传感器可同时采集3个方向振动数据。同时，船体运输过程中设备结构随船体晃动引起的振动频率较低，需选择采样频率低的传感器。为了更好的采集分析设备振动信号，系统选择了适于低量程范围且稳定性好的三向电容式加速度传感器进行振动信号采集，考虑升压站结构特点，在其四个桩腿根部各布置1个三向加速度传感器，通道编号如下：

位置1测点编号：J1X，J1Y，J1Z;

位置2测点编号：J2X，J2Y，J2Z;

位置3测点编号：J3X，J3Y，J3Z;

位置3测点编号：J4X，J4Y，J4Z。

其中测点编号中 J1～J4 表示测点位置， X、Y 和 Z表示振动方向。加速度传感器如图1所示。

2.2角度传感器选择与布置方案

在升压站运输环境技术要求中，需要了解结构倾斜情况，因此，需要对升压站倾斜情况进行监测，结构晃动程度主要通过结构倾斜角度进行评价，为此本项目采用倾角传感器监测结构倾斜程度。考虑升压站结构特点，选择在四个桩腿根部与加速度传感器同步布置倾角传感器，通道编号如下：

位置1测点编号：Q1X，Q1Y;

位置2测点编号：Q2X，Q2Y;

位置3测点编号：Q3X，Q3Y;

位置3测点编号：Q4X，Q4Y。

其中测点编号中 Q1～Q4 表示测点位置， X、Y分别表示结构的纵摇和横摇角度。倾角传感器如图2所示。

以上四个位置分别安装三向加速度传感器（共 9 个加速度振动信号）和倾角传感器（共8个角度信号），用以监控和采集整个海运过程中，这四个位置三个方向加速度值和两个方向角度值，并对测点数据进行存储和记录。上述升压站加速度传感器和倾角传感器布置如图3所示，测点与动态信号采集通道配置见表1所列。

3采集通道的设计与配置

信号监测系统是一套安装在现场的精密的动态信号测试分析系统，该系统的现场应用环境恶劣。所以，为了实现传感器信号的有效传输和控制，提高模拟信号在传输中的抗干扰能力，达到状态分析所要求的信号滤波、放大、转换等调理功能，本项目设计的远海运输环境下升压站结构状态监测传感器接线原理如图4所示。

在 4个振动测点位置（J1～J4）中，每个测点由一个3向加速度传感器组成。每个加速度传感器通过相应的信号线连接，输出电压信号，并通过五芯屏蔽线，使信号远距离传输至动态信号采集仪，当电压信号传送至动态信号采集仪时，其五芯屏蔽线根据表1的测点编号与采集仪的对应通道编号连接。

在4个倾角测点位置（Q1～Q4）中，每个测点由一个2向倾角传感器组成。每个倾角传感器通过相应的信号线连接，输出电压信号，并通过四芯屏蔽线，使信号远距离传输至动态信号采集仪，当电压信号传送至动态信号采集仪时，其四芯屏蔽线根据表1的测点编号与采集仪的对应通道编号连接。

4 监测数据分析

采集通道及传感器安装调试完成后，在通电状态下，监测系统便可实时采集升压站在船运过程中的振动和倾角数据，考虑海上升压站运输过程处低频振动状态，因此，监测系统采样频率设置为1HZ。以某海上升压站海上运输数据监测为例，分析了海上升压站运输过程中关键部位的振动和倾斜情况。以下是测点1连续采集约26小时的监测数据分析情况。

由上述波形图分析可以看出，运输过程中测点1最大加速度为0.23m/s2，最大倾斜角度均小于0.3°。数据表明，该升压站在海上运输过程中均处于较平稳状态。

5 结语

本文以海上升压站远海运输为研究案例，在分析海运环境和升压站结构监测参数等技术要求基础上，研究了海运环境下设备结构安全影响因素和监测信号特点及技术要求，提出了一种船运过程中设备结构的振动和晃动数据监测方法和系统，实现了海洋运输环境下装备结构振动和倾斜角度的实时数据获取，从而分析在船运过程中升压站结构的状态变化趋势，实现了对升压站结构安全状态的分析。该技术适用于大型装备或钢结构在海洋运输环境中船运状态的跟踪和分析。

参考文献：

[1]王凯，王腾飞，吴兵，严新平.船舶导航与海洋运输安全的发展动态与展望——TansNav 2017国际会议综述[J].交通信息与安全，2017，35（04）：1-11.

[2]刘述芳，徐永能，乔侨.大型装备健康诊断和智能维护管理系统概述[J].兵器装备工程学报，2017，38（12）：297-300+304.

[3]曹建福，金枫.大型装备状态监测无线传感器网络的研究[J].传感技术学报，2011，24（04）：570-575.