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基于LabVIEW的喷水推进泵空化在线监测系统

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  • 发布时间:2017-01-06
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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 。

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人分析,指出在喷水推进降噪研究中应重视空化噪声 。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 。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 。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。

l 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≌泡的溃灭会产生收稿 日期 :2012-05-2O;修回日期:2012-07-31基金项目:国家 自然科学基金资助项 目(51009144)作者简介:李江柏(1986~),男,助理工程师 ,主要研究方向为机电设备状态监测与故障诊断。

· 74· 舰 船 科 学 技 术 第 35卷高频脉冲,辐射空化噪声,引起介质压力波动,并诱发机械结构振动 ≌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 。

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日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,信号调理拈,数据采集拈,便携计算机以及相应的分析处理拈组成 ,其结构组成如图 1所示 。

水听器 1NI PXI-472k 匾 惹囊- 信 1NI PXI-472k 便 号 携竺兰 调 计麓理 PXI-6251k 算 机I航速信号 qNIPXI-843 厩 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-0l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。数据采集拈采用了 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。

表 1 各传 感器 主要参数Tab.1 Main parameters of the sensors传感器类型 型号 主要参数水听器 RHS-30 萎蓑姜蒙惹 PCB 608Al 灵簇转速传感器 HE-O1 0工作- 20 kHz ,计程仪 Ⅲ-swA R S -42 2A2.2 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 以下功能拈 :1)参数设置及数据采集拈该拈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)在线处理拈在线处理拈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人采集系统,编程提冉速信息并显示。

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)数据保存拈数据保存拈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· 76· 舰 船 科 学 技 术 第 35卷从 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 。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l5~25 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-定程度上可以对喷水推进泵的空化进行有效的监测,有-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-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-步深入研究。

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