本發(fā)明涉及設(shè)備監(jiān)測(cè)，尤其涉及一種船舶動(dòng)力設(shè)備智能監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、船舶動(dòng)力系統(tǒng)通常由主機(jī)、齒輪箱與推進(jìn)軸系等核心設(shè)備構(gòu)成，其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到整艘船舶的推進(jìn)效率與航行安全。在長(zhǎng)時(shí)間航行及復(fù)雜海況環(huán)境下，設(shè)備間耦合節(jié)點(diǎn)（如聯(lián)軸器、法蘭連接等）極易因磨損、松動(dòng)、軸偏、熱膨脹等因素出現(xiàn)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象，若不能及時(shí)監(jiān)測(cè)識(shí)別，往往會(huì)演化為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性故障，甚至導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)或推進(jìn)失效。
2、當(dāng)前船舶常用的監(jiān)測(cè)技術(shù)主要集中于單點(diǎn)式振動(dòng)閾值報(bào)警或溫度超限檢測(cè)。這類方法依賴預(yù)設(shè)固定閾值，無法識(shí)別多源擾動(dòng)下的細(xì)微偏差，且在聯(lián)動(dòng)故障、非線性磨損、結(jié)構(gòu)松動(dòng)早期階段，信號(hào)特征往往未能達(dá)到報(bào)警觸發(fā)條件，導(dǎo)致漏報(bào)頻繁。此外，傳統(tǒng)方法對(duì)設(shè)備之間的動(dòng)力學(xué)耦合關(guān)系考慮不足，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)與齒輪箱、齒輪箱與推進(jìn)軸系等部位之間協(xié)同狀態(tài)的綜合評(píng)估，也缺乏有效機(jī)制對(duì)非穩(wěn)定工況下的高頻擾動(dòng)和背景噪聲進(jìn)行動(dòng)態(tài)適應(yīng)性處理。
3、齒輪箱傳動(dòng)效率在高溫下存在顯著下降趨勢(shì)，但現(xiàn)有模型通常采用固定效率值，無法真實(shí)反映油溫波動(dòng)下的能量傳遞情況；再如，軸系的熱脹冷縮效應(yīng)常引發(fā)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速偏移，而固定容差模型難以適應(yīng)動(dòng)態(tài)溫差條件下的誤差修正需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明提供了一種船舶動(dòng)力設(shè)備智能監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)，融合動(dòng)態(tài)物理約束建模、殘差分析與自適應(yīng)判斷機(jī)制的智能監(jiān)測(cè)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)船舶動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的精確評(píng)估和對(duì)耦合節(jié)點(diǎn)微故障的早期識(shí)別，從而提升船舶運(yùn)行安全性和維護(hù)效率。
2、一種船舶動(dòng)力設(shè)備智能監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟：
3、s1，通過安裝在主機(jī)、齒輪箱、推進(jìn)軸系的振動(dòng)傳感器、溫度傳感器及電流傳感器，同步采集設(shè)備運(yùn)行時(shí)序數(shù)據(jù)；
4、s2，基于船舶動(dòng)力傳遞拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，生成設(shè)備間的動(dòng)態(tài)物理約束模型，動(dòng)態(tài)物理約束模型包括：
5、建立主機(jī)輸出扭矩與齒輪箱輸入扭矩的能量守恒約束關(guān)系；
6、以及齒輪箱輸出轉(zhuǎn)速與推進(jìn)軸系轉(zhuǎn)速的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束關(guān)系，生成設(shè)備間的動(dòng)態(tài)物理約束模型；
7、s3，將s1采集的設(shè)備運(yùn)行時(shí)序數(shù)據(jù)輸入s2的動(dòng)態(tài)物理約束模型，計(jì)算主機(jī)-齒輪箱扭矩傳遞殘差及齒輪箱-軸系轉(zhuǎn)速匹配殘差序列，當(dāng)任一殘差序列的過零率突變次數(shù)在預(yù)設(shè)時(shí)間窗口內(nèi)超過預(yù)設(shè)的突變次數(shù)閾值，則觸發(fā)預(yù)警機(jī)制。
8、可選的，所述s1具體包括：
9、主機(jī)監(jiān)測(cè)單元部署：在主機(jī)飛輪端徑向軸承布置振動(dòng)傳感器，在燃油高壓油管外壁安裝溫度傳感器，在發(fā)電機(jī)輸出端配置電流傳感器；
10、齒輪箱監(jiān)測(cè)單元部署：在齒輪箱輸入/輸出端軸承座正交方向安裝振動(dòng)傳感器，在潤(rùn)滑油回油管路安裝溫度傳感器；
11、軸系監(jiān)測(cè)單元部署：在推進(jìn)軸系前、中、后軸承座布置軸向振動(dòng)傳感器，在艉軸密封裝置安裝溫度傳感器。
12、可選的，所述s1還包括時(shí)域同步機(jī)制，各傳感器通過硬接線連接至數(shù)據(jù)采集卡的同步觸發(fā)端口，由主機(jī)飛輪端的鍵相傳感器生成每轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)作為全局采樣基準(zhǔn)，強(qiáng)制所有傳感器在脈沖上升沿啟動(dòng)采樣。
13、可選的，所述振動(dòng)傳感器按第一采樣率生成加速度序列，溫度傳感器按第二采樣率生成溫度曲線，電流傳感器按第三采樣率生成電流波形，所有數(shù)據(jù)按全局采樣基準(zhǔn)插值生成時(shí)間對(duì)齊的運(yùn)行時(shí)序數(shù)據(jù)矩陣。
14、可選的，所述能量守恒約束關(guān)系的建立包括建立主機(jī)與齒輪箱之間的能量傳遞關(guān)系，具體包括：
15、引入齒輪箱的時(shí)變傳動(dòng)效率：基于齒輪箱的傳動(dòng)效率隨油溫變化而變化，通過引入潤(rùn)滑油溫度的影響來動(dòng)態(tài)調(diào)整傳動(dòng)效率，通過建立溫度和效率之間的二次關(guān)系，根據(jù)實(shí)際油溫對(duì)傳動(dòng)效率進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。
16、可選的，所述能量守恒約束關(guān)系還包括引入扭矩?fù)p耗補(bǔ)償：基于齒輪箱在傳遞扭矩的過程中的能量損失，引入扭矩?fù)p耗補(bǔ)償項(xiàng)，通過監(jiān)測(cè)齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)并計(jì)算其包絡(luò)的均方根值，結(jié)合油液中的金屬顆粒濃度，計(jì)算并補(bǔ)償損耗。
17、可選的，所述運(yùn)動(dòng)學(xué)約束關(guān)系描述齒輪箱輸出轉(zhuǎn)速與推進(jìn)軸系轉(zhuǎn)速之間的相互關(guān)系，具體包括：
18、彈性扭振傳遞時(shí)延的計(jì)算：基于齒輪箱輸出轉(zhuǎn)速和推進(jìn)軸系轉(zhuǎn)速之間的傳遞時(shí)延，傳遞時(shí)延的計(jì)算考慮軸系的長(zhǎng)度和材料特性，反映扭轉(zhuǎn)信號(hào)在軸系中傳遞的速度；
19、轉(zhuǎn)速匹配容差的動(dòng)態(tài)調(diào)整：基于推進(jìn)軸系的溫度梯度變化，導(dǎo)致推進(jìn)軸系的熱膨脹，引入轉(zhuǎn)速匹配容差，轉(zhuǎn)速匹配容差用于調(diào)整齒輪箱輸出轉(zhuǎn)速與推進(jìn)軸系轉(zhuǎn)速之間的匹配誤差。
20、可選的，所述s3具體包括：
21、s31，實(shí)時(shí)殘差計(jì)算：
22、主機(jī)-齒輪箱扭矩傳遞殘差：基于傳動(dòng)效率與損耗補(bǔ)償，計(jì)算主機(jī)輸出的扭矩與齒輪箱輸入的扭矩之間的差異；
23、齒輪箱-推進(jìn)軸系轉(zhuǎn)速匹配殘差：基于彈性扭振傳遞時(shí)延及轉(zhuǎn)速匹配容差，計(jì)算齒輪箱輸出轉(zhuǎn)速與推進(jìn)軸系轉(zhuǎn)速之間的匹配誤差；
24、s32，基于小波包分解，對(duì)殘差序列進(jìn)行降噪預(yù)處理；
25、s33，設(shè)計(jì)雙門限過零分析機(jī)制，計(jì)算基準(zhǔn)過零率和設(shè)置突變閾值，檢測(cè)殘差序列中是否存在過零率的突變，其中：
26、第一門限用于計(jì)算基準(zhǔn)過零率；
27、第二門限用于設(shè)置檢測(cè)突變的突變閾值；
28、當(dāng)連續(xù)多個(gè)采樣點(diǎn)的過零率變化超過突變閾值時(shí)，判定為過零率突變事件。
29、可選的，所述s3還包括對(duì)不同類型的殘差序列設(shè)置過零率的突變次數(shù)閾值；
30、扭矩傳遞殘差類型設(shè)置第一突變次數(shù)閾值，對(duì)應(yīng)故障節(jié)點(diǎn)為主機(jī)-齒輪箱聯(lián)軸器；
31、轉(zhuǎn)速匹配殘差類型設(shè)置第二突變次數(shù)閾值，對(duì)應(yīng)故障節(jié)點(diǎn)為齒輪箱輸出軸-艉軸法蘭；
32、當(dāng)任一殘差序列在時(shí)間窗口內(nèi)超過對(duì)應(yīng)突變次數(shù)閾值時(shí)，觸發(fā)三級(jí)報(bào)警：
33、一級(jí)：突變次數(shù)超突變次數(shù)閾值過半，預(yù)警信號(hào)提示潛在故障，發(fā)出預(yù)警信號(hào)；
34、二級(jí)：持續(xù)超突變次數(shù)閾值達(dá)2個(gè)時(shí)間窗口，發(fā)出降功率指令；
35、三級(jí)：突變次數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，緊急停機(jī)。
36、一種船舶動(dòng)力設(shè)備智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)上述的一種監(jiān)測(cè)方法，包括以下模塊：
37、數(shù)據(jù)采集單元，用于在主機(jī)、齒輪箱和推進(jìn)軸系上布設(shè)振動(dòng)傳感器、溫度傳感器和電流傳感器，以同步采集設(shè)備運(yùn)行的時(shí)序數(shù)據(jù)；
38、動(dòng)態(tài)建模單元，用于基于船舶動(dòng)力傳遞拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立動(dòng)態(tài)物理約束模型，所述模型包括主機(jī)輸出扭矩與齒輪箱輸入扭矩之間的能量守恒約束關(guān)系，以及齒輪箱輸出轉(zhuǎn)速與推進(jìn)軸系轉(zhuǎn)速之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束關(guān)系；
39、殘差分析單元，用于將所述數(shù)據(jù)采集單元獲取的時(shí)序數(shù)據(jù)輸入所述動(dòng)態(tài)物理約束模型，計(jì)算主機(jī)-齒輪箱扭矩傳遞殘差序列與齒輪箱-推進(jìn)軸系轉(zhuǎn)速匹配殘差序列；
40、異常檢測(cè)單元，用于在預(yù)設(shè)時(shí)間窗口內(nèi)統(tǒng)計(jì)殘差序列的過零率突變次數(shù)，當(dāng)任一殘差序列的突變次數(shù)超過對(duì)應(yīng)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，觸發(fā)預(yù)警機(jī)制。
41、本發(fā)明的有益效果：
42、本發(fā)明，構(gòu)建了涵蓋主機(jī)、齒輪箱與推進(jìn)軸系的動(dòng)態(tài)物理約束模型，通過能量守恒與運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系的耦合建模，形成了全鏈條傳動(dòng)路徑上的扭矩與轉(zhuǎn)速殘差計(jì)算機(jī)制，在此基礎(chǔ)上，提出了雙類型殘差（扭矩傳遞殘差與轉(zhuǎn)速匹配殘差）及其實(shí)時(shí)跟蹤方法，能夠量化動(dòng)力設(shè)備之間的協(xié)同傳動(dòng)偏差，當(dāng)殘差異常被連續(xù)捕捉且頻繁發(fā)生過零率突變時(shí)，可有效定位主機(jī)-齒輪箱聯(lián)軸器、齒輪箱輸出軸-艉軸法蘭等關(guān)鍵耦合節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)松動(dòng)、嚙合異常、螺栓疲勞斷裂等隱性故障。相較傳統(tǒng)單點(diǎn)振動(dòng)閾值法無法覆蓋多節(jié)點(diǎn)協(xié)同故障的局限，本發(fā)明提高了跨設(shè)備耦合故障的識(shí)別率與覆蓋范圍。
43、本發(fā)明，在殘差模型中引入基于油溫的時(shí)變傳動(dòng)效率函數(shù)、基于振動(dòng)包絡(luò)與油液金屬顆粒濃度的扭矩?fù)p耗補(bǔ)償模型，以及基于溫度梯度動(dòng)態(tài)調(diào)整的轉(zhuǎn)速匹配容差機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)齒輪箱潤(rùn)滑狀態(tài)劣化、軸系熱膨脹、機(jī)械磨損等非結(jié)構(gòu)性擾動(dòng)因素的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。尤其針對(duì)船舶長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行及多吃水工況下，設(shè)備熱負(fù)載、材料應(yīng)力狀態(tài)不斷變化，傳統(tǒng)靜態(tài)效率或固化參數(shù)模型難以準(zhǔn)確反映實(shí)際狀態(tài)，而本發(fā)明的多參數(shù)動(dòng)態(tài)建模策略可持續(xù)校準(zhǔn)誤差，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在復(fù)雜運(yùn)行條件下保持高精度和穩(wěn)定性，提升了模型的環(huán)境適應(yīng)性與異常容忍能力。
44、本發(fā)明，提出結(jié)合吃水深度自適應(yīng)的小波降噪預(yù)處理機(jī)制，有效對(duì)抗船舶運(yùn)行中因波浪激蕩、槳激脈沖等帶來的背景噪聲干擾，同時(shí)，提出雙門限過零率突變檢測(cè)方法，利用“趨勢(shì)突變”而非“振幅絕對(duì)值”作為故障特征，能夠敏感捕捉毫秒級(jí)的微小偏差信號(hào)，如聯(lián)軸器瞬時(shí)打滑、軸承游隙突變等早期失效征兆，并通過突變次數(shù)閾值引導(dǎo)的三級(jí)報(bào)警邏輯，實(shí)現(xiàn)從預(yù)警、功率抑制到緊急停機(jī)的遞進(jìn)響應(yīng)策略。