机电设备全寿命周期振动环境应力剖面分析

王 琳，徐晓通，葛传宝，冯 飞，刘长利

（1.上海船舶设备研究所，上海 200031；2.华东理工大学 机械与动力工程学院，上海 200237）

0 引言

本文通过开展船用机电设备在海洋环境条件下承受的关键环境应力分析与研究，搜集设备振动环境应力数据进行分析，形成船用机电设备全寿命期振动环境应力剖面，填补我国在此领域的空白，为以后开展我国船用机电设备全寿命期环境适应性试验技术的相关研究打下基础，从而弥补设备传统环境试验技术的不足，解决船用机电设备全寿命期的环境适应性问题。这将对我国海军装备全寿命期的环境适应性和耐环境能力的改进具有巨大的推动作用，确保船用机电设备在整个服役期内的战备完好性和完成任务的成功性。本文将以电控箱和阀门作为机电的船用设备进行研究。

1 船用机电设备环境应力分析

1.1 环境应力种类

船用的机电设备是船用相当重要的组成部分，在运行的过程中一旦出现故障，很有可能造成船用部分功能的丧失，甚至影响到船用的正常工作。环境因素是影响船用设备正常运行的主要原因，因此为了保证船用上机电设备的正常运行，对其工作的环境条件进行了调查，大致有以下几种：气候环境，如温度、湿度、气压、辐射、风、浪、盐雾和霉菌等；机械环境，如冲击、振动、摇摆、离心、碰撞和疲劳等[1]。

1.2 振动环境应力影响

环境应力的种类虽多，但其对机电设备的影响程度是不同的。其中，本文取其中最重要、影响最大的环境因素——振动环境应力进行分析。船用上的振动主要是由自然环境（海浪、风）激励和强迫激励（螺旋桨轴转速、往复机械和其他装备的运行）引起的。综合考虑下，船用上设备工作环境的振动条件，可按频率1 Hz～16 Hz，振幅±1 mm；频率16 Hz～60 Hz，加速度不小于7 m/s2来要求。上限频率视主机推进转速和螺旋桨叶片数而定。振动除了能引起船用设备的疲劳破坏，对设备产生的最大危害是能引起共振现象。由于大多数设备的阻尼都很小，当振动源的频率在设备的共振频率附近时，会引起设备的很大响应，造成设备内部构件的松脱，接线振断，甚至有短路现象，使设备无法正常运行[2]。

2 机电设备振动应力数据统计分析

2.1 振动环境应力数据的预处理

工程师在船用上所采集的各种设备的环境应力数据并不能直接用于统计分析。在对振动环境应力进行数据统计分析时需要对数据进行预处理。

针对搜集机电船用机电设备的海洋环境条件下的振动应力数据进行初步的预处理：将数据中错误的值和奇异值进行删减和修正。考虑到振动环境应力原始数据量巨大，简单剔除错误数据导致大量数据缺失，为此采用分段处理的办法：用UEStudio分析文件，逐个读取数据，将数据分割成txt文件，对于每个txt文件逐行阅读，判断格式是否为YY-MM-DD HH-MM-SS 或P-xxx.xx R-xxx.xx，若是，便将该行写入一个新的txt文件；否则不写入。根据不同环境应力数据特征，针对保存的每个txt文件进行数据比较，通过编制软件比对相邻点之间值的差异。有些参数如果数据变化不大，进行下一条检测；如果差异太大，考虑应力数据特性，对数据进行鉴定，谈后采取保留、删减或是修正措施[2]。

2.2 振动环境应力的统计分析

在3个机电设备的周围环境中各取3个点（共9个点）所测量的9组振动环境应力数据经过预处理之后，还要进行进一步的归纳处理，才能用于数据统计分析。将处理之后的环境应力数据进行统计分析，并进一步获取数据统计图来展现船用机电设备在一定的时间内所承受环境应力数值和比例。

采用50通道的振动应力测量系统，录取了各个机电设备50个图谱。在经过预处理之后，还要进行以下几步数据处理。

1）数据编辑的再度确认。装备动力学环境中的动态测量数据具有随机性且具有周期性，某些剧烈或瞬变激励可能导致奇异数据。运用随机性检验对实测振动数据进行编辑确认，确定实测数据的分布形式及敏感应力，剔除奇异数据。

2）平稳性检验。不同状态下测量获得的振动数据是一个非平稳随机序列，但在某个特定状态下或较短时段又具有平稳性。采用轮次法对测量数据的平稳性进行检验[3]。

3）周期性检验。根据自相关函数的周期性是否存在着衰减以及衰减的快慢估计信号带宽，检验随机信号是宽带还是窄带信号[4]。如随机信号中包含周期成份，则自相关函数中包含不随时间衰减的周期性成份，反之亦然。随机信号x(t)的均方值是其自相关函数在t1=t2=t3时的特例。

4）正态性检验。对于存在弱干扰的随机信号，为了工程上处理的方便，将干扰近似为正态随机过程，采用模拟正态概率纸方法对测量数据的正态性进行检验[5]。

5）快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）谱分析。所测得的时域图谱，通过FFT谱分析可直接得到随机信号的频域分布，见图1。利用复指数函数的周期性、对称性及中间运算结果对任意连续时域信号进行抽样和截断，得到其离散型频谱，该频谱的包络线即连续信号频谱的估计值[6]。

图1 频域图谱

6）功率谱分析。能谱反映随机信号x(t)的能量分布，是其FFT频谱平方的积分求和，见图2。

图2 功率谱

7）求功率谱密度（Power Spectral Density，PSD）图谱。时间历程T内，随机信号x(t)在某频段内的平均功率和单位带宽Δf内的平均功率即自功率谱密度函数分别为式（1）和式（2）[7]。

功率谱密度函数与自相关函数互为正、逆FFT变换，其中，x2(t)表示时间历程x(t)的平均能量即平均功率。功率谱密度PSD图谱见图3。

图3 功率谱密度

8）统计各次测量各通道各谱线的PSD，形成统计表，为之后的振动应力剖面的形成做基础数据。

3 船用机电设备振动环境应力剖面分析

实测数据通常是在多通道和多个状态下测得的，在对振动数据进行归纳分析之前，首先要对所有通道和所有状态下的数据进行统计参数假设检验，获取特征样本。预处理和统计归纳分析之后得到特征样本的随机振动规范[8]。本文的振动数据归纳方法按照GJB/Z 126—99《振动、冲击环境测量数据归纳方法》推荐的统计容差法。统计容差法将振动数据归纳方法由传统的极值包络方法上升到基于统计概念的归纳处理方法。其方法和流程见图4[9]。

图4 随机振动测量数据归纳及剖面生成图

测量数据有多种状态时，应对同一区域内不同状态的振动数据进行参数假设检验，判断不同状态是否属于同一总体，归并属于同一总体的状态，最终形成特征样本。设同一数据区域内不同状态下振动数据的功率谱密度为Gk（f,s,t）(f=1,2,···,F,s=1, 2, ···,S,t=1, 2, ···,T)，F为数据区域数，S为状态数，T为状态样本容量。

对Gk（f,s,t）进行均方根（Root Mean Square，RMS）计算，得到RMS(f, s, t)(f=1, 2, ···,F；s=1,2, ···,S；t=1, 2, ···,T)对各个状态进行集合判断，将属于同一总体的状态进行合并，最终形成特征样本集G˜k(f, p, q) (f=1, 2, ···,F,p=1, 2, ···,P,q=1,2, ···,Qp)，F为数据区域数，P为合并后的状态数，Qp为合并后的状态样本容量。以特征样本集作Gk（f,s,t）为确定振动试验条件的基础[10]。

在船用电控箱设备中，数据通道1、通道2、通道3归并为数据区域A，分别选取数据区域A中4种状态振动环境条件为：5.2×105g2/Hz、1.59×104g2/Hz、3.13×104g2/Hz和6.94×104g2/Hz。船用阀门设备，其数据通道4、5、6归并为数据区域B，分别选取数据区域A中4种状态振动环境条件为：3.8×105g2/Hz、1.09×104g2/Hz、4.38×104g2/Hz和8.54×104g2/Hz；再根据船用各个航行状态在机电设备平均任务时间内所占的比例（任务剖面）确定各个量值的时间，编制出剖面时序表，根据剖面时序表即可绘制出振动试验剖面，电控箱振动应力剖面见图5，阀门振动应力剖面见图6[11]。

图5 电控箱振动应力剖面

图6 阀门振动应力剖面

4 结论

本文首先指出了船用机电设备易受到的环境应力作用的种类以及其影响最大的振动环境应力对船用设备寿命的不利影响，然后展开了振动环境应力的研究，针对所搜集的数据进行初步处理分析，以阀门、电控箱、泵为例，根据获取的海洋环境条件下的船用机电设备振动环境应力PSD统计数据图，形成了不同设备的振动环境应力剖面图。