王光同 黃映云 劉亞峰 張瑞波

(海軍工程大學(xué))

1 引言

振動問題普遍存在于工業(yè)生產(chǎn)和工程的各個領(lǐng)域，在柴油機(jī)的運(yùn)行過程中，振動問題不僅會降低柴油機(jī)的性能，還可能會造成一些惡性事故。隨著使用年限的增加，某型柴油發(fā)電機(jī)組的振動問題也越來越突出，個別柴油機(jī)振動異常強(qiáng)烈，已嚴(yán)重影響了正常工作，以1號柴油機(jī)組為例，主要問題體現(xiàn)在該柴油機(jī)組多次振斷 (裂)管路，甚至將機(jī)腳螺栓振斷。由于柴油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，振源多，主要包括壓力、進(jìn)排氣門開啟和落座沖擊、活塞對缸壁的撞擊等，它們將激起柴油機(jī)系統(tǒng)在各自的固有頻率上作弱阻尼衰減振動〔1〕。某一零件出現(xiàn)故障常常被其它零部件運(yùn)行中的振動信號和大量的隨機(jī)噪聲所淹沒，所以依靠單一方法很難查找到振動異常的真正原因，為此我們結(jié)合柴油機(jī)檢測常用方法，并利用振動信號分析法〔2〕對該1號柴油機(jī)組進(jìn)行多方面的測試，同時對正常工作狀態(tài)的2號柴油機(jī)組進(jìn)行測試作為對比。

2 故障檢測

該型柴油發(fā)電機(jī)隨著使用年限增加，振動問題日漸突出，針對其暴露的問題，研究人員主要從排溫及爆壓、瞬時轉(zhuǎn)速、振動烈度、機(jī)體振動、調(diào)速器振動、靜態(tài)管路模態(tài)等方面進(jìn)行檢測與分析。

2.1 排溫及爆壓測試分析

使用機(jī)組自帶各缸排溫巡檢監(jiān)控表和爆壓檢查表對兩臺機(jī)組的排氣溫度以及燃燒壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行測試和分析，判定柴油發(fā)電機(jī)組的工作性能及各缸工作均勻性。根據(jù)測量數(shù)據(jù)可知，各機(jī)組氣缸排氣溫度均小于技術(shù)指標(biāo)，滿足技術(shù)要求;除空車及低負(fù)荷外，在接近額定負(fù)荷工況下，各氣缸排氣溫差均在正常范圍內(nèi)。爆壓測試數(shù)據(jù)表明，1號機(jī)組爆壓均勻性較差，2號機(jī)組在正常范圍內(nèi)，爆壓均勻性差可能與供油不均、油頭滴油、供油定時不合適有關(guān)，后期排查時應(yīng)對燃油系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)校驗(yàn)，從測量結(jié)果來看各缸排溫及爆壓的均勻性與機(jī)組振動關(guān)系不十分明顯。

2.2 瞬時轉(zhuǎn)速測試分析

曲軸瞬時轉(zhuǎn)速信號中蘊(yùn)含著豐富的柴油機(jī)工作狀態(tài)信息，影響柴油機(jī)工作過程的許多重要參數(shù)都可以通過瞬時轉(zhuǎn)速反映出來，是柴油機(jī)狀態(tài)監(jiān)測的主要技術(shù)指標(biāo)〔3〕，分析瞬時轉(zhuǎn)速的波動可以得到其運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)故障的信息。測試通過手持式采集器采集信號，從專用分析軟件進(jìn)行分析得出的瞬時轉(zhuǎn)速波動幅值可以看出兩機(jī)組的轉(zhuǎn)速波動都很小，表明其工作的平順性較好，各缸工作的不均勻性不是引起機(jī)組振動過大的主要原因。

由瞬時轉(zhuǎn)速的主要頻率階次成分分布和瞬時轉(zhuǎn)速頻譜分析圖可以看出，振動最小的2號機(jī)組其頻譜呈規(guī)則的隨轉(zhuǎn)速階次的增高而逐漸減小的趨勢，1號機(jī)組第一階頻率處的幅值與其它階相比比較突出，因此該機(jī)組軸系有可能與機(jī)組振動過大有關(guān)。

2.3 振動烈度測試分析

振動烈度的測試共布置測點(diǎn)7個，主要分布在機(jī)體右側(cè)面，每個測點(diǎn)進(jìn)行三個方向測試，根據(jù)測試結(jié)果可知，1號機(jī)組振動烈度評級為振C級，2號機(jī)組處于B級。作為對比分析的2號機(jī)組不僅振動烈度最小，各測點(diǎn)的頻譜結(jié)構(gòu)中線譜特征不突出，且無固定頻率結(jié)構(gòu)成分，在大負(fù)荷下振動烈度低于12mm/s，而1號機(jī)組其振動烈度最大，在大負(fù)荷下振動烈度超過25mm/s，柴油機(jī)上部測點(diǎn)振動明顯大于下部，且在機(jī)組橫軸線方向垂直的水平方向上異常大，速度有效值最大超過35 mm/s。測點(diǎn)頻率線譜特征突出，各測點(diǎn)各方向頻率突出成分接近。

2.4 柴油機(jī)機(jī)體振動測試分析

由振動烈度的測試可以看出1號機(jī)組異常振動比較嚴(yán)重，為找出振動異常的準(zhǔn)確位置，在測試振動烈度七個測點(diǎn)的基礎(chǔ)上再增加三個測點(diǎn)，分別是機(jī)體自由端齒輪傳動及軸系減振器右側(cè)、齒輪傳動左側(cè)和軸系減振器左側(cè)。通過上述測點(diǎn)振動加速度的測量結(jié)果可以看出，作為振動正常的機(jī)組，2號機(jī)組各測點(diǎn)沒有明顯的與轉(zhuǎn)速倍頻相關(guān)的線譜頻率成分出現(xiàn)，而1號機(jī)組在各運(yùn)行轉(zhuǎn)速、工況下均出現(xiàn)明顯的與轉(zhuǎn)速倍頻相關(guān)的線譜成分。

2.5 調(diào)速器振動測試分析

由于1號機(jī)組調(diào)速器目測振動幅值較大，對其進(jìn)行了振動測量。根據(jù)測試譜圖可以看出，1號機(jī)組振動明顯劇烈，加速度總值超過80m/s2，對其穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生一定影響 (見圖1)，作為對比，2號機(jī)組譜圖中基本沒有低頻線譜存在。

圖1 1號機(jī)組額定轉(zhuǎn)速時調(diào)速器振動加速度

2.6 柴油機(jī)管路靜態(tài)測試分析

本測試的目的是測量柴油機(jī)主要管路及振動較大管路的共振頻率、彈性軟管的傳遞特性，以摸排管路是否與柴油機(jī)運(yùn)行發(fā)生共振、管路最低共振頻率、以及彈性軟管的振動衰減等情況。采用靜態(tài)錘擊法進(jìn)行測試，即機(jī)組處于完全停機(jī) (靜止)狀態(tài)，用ICP力錘激勵管路，用加速度傳感器測量管路的響應(yīng)，同時記錄激勵力和加速度信號，分析力與加速度響應(yīng)的傳遞特性和加速度響應(yīng)特性。測點(diǎn)布置在柴油機(jī)主要管路，儀器采用ICP力錘、測試分析儀及加速度傳感器，分析頻率1kHz。力錘信號觸發(fā)，4次平均。測試結(jié)果顯示1號機(jī)組滑油管通閥管路支撐太弱，且第1階、第2階位于額定轉(zhuǎn)速倍頻附近，極易引發(fā)強(qiáng)共振，1號機(jī)組調(diào)速器結(jié)構(gòu)靜態(tài)測試頻譜顯示其首階模態(tài)頻率在額定轉(zhuǎn)速倍頻附近。由于前述兩部位位于柴油機(jī)自由端中、上部，頻率接近，實(shí)測振動表現(xiàn)強(qiáng)烈，因此必須加以重視。

3 綜合分析

根據(jù)排溫及爆壓、瞬時轉(zhuǎn)速、振動烈度、機(jī)體振動、調(diào)速器振動、靜態(tài)管路模態(tài)等測試結(jié)果進(jìn)行分析，以及與參照對象的比對，可以綜合判斷，1號機(jī)組柴油機(jī)振動異常的主要原因是與曲軸相關(guān)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動部件異常導(dǎo)致，初步判斷為柴油機(jī)曲軸軸瓦異常、曲軸減振器銷柱磨損過大。

4 故障排查

針對上述測試結(jié)果，具體的排查工程主要包括以下幾個方面:

(1)檢查擺式減振器擺銷與襯套的尺寸及配合間隙、磨損情況。

同樣是指數(shù)函數(shù)的概念理解而設(shè)計(jì)的問題，問題的難度稍有不同，即使同一個問題，要求也具有層次性，滿足不同學(xué)生學(xué)習(xí)和發(fā)展的需要，從而提高問題的有效性，也提高課堂的有效性.

拆檢發(fā)現(xiàn)擺式減振器一處襯套與擺銷配合處出現(xiàn)明顯磨損。同時發(fā)現(xiàn)其中一個擺塊上2只襯套橢圓度超差。通過換新、調(diào)整安裝角度等辦法對此進(jìn)行了修復(fù)。

(2)擺式減振器相對擺塊進(jìn)行稱重調(diào)整及外形尺寸復(fù)核。

擺式減振器相對擺塊進(jìn)行稱重檢查，外形尺寸復(fù)核未見異常。但是有三對相對擺塊重量差達(dá)到100克以上，可見擺式減振器相對擺塊重量超差嚴(yán)重。對此，采取了重新選換蓋板或在蓋板相應(yīng)位置去除部分重量等措施進(jìn)行了修復(fù)。

(3)檢查曲軸各平衡塊、軸承座的緊固情況本項(xiàng)檢查未見異常。

(4)檢查全部主軸承情況。

檢查發(fā)現(xiàn)，第2道主軸承上、下軸瓦有3道超過修理標(biāo)準(zhǔn)的明顯劃痕、第6道主軸承下軸瓦有5mm長的裂紋。對此工程上采取了更換左柴油機(jī)損壞的第2道上、下軸瓦和第6道下軸瓦，對劃痕較多的第2、4、6道主軸頸采用砂布和滑油拋光銳邊處理等措施。

5 排查前后對比

根據(jù)機(jī)組異常振動的不同原因和工程實(shí)施內(nèi)容，工程實(shí)施完工后對機(jī)組進(jìn)行了測量評價，以判斷其異常振動的排查效果。

(1)爆壓及排溫

經(jīng)測量，排查后各缸爆壓及排溫均在正常范圍，其中各缸排溫溫差不超過25℃，爆壓相差不超過1MPa。

(2)振動烈度

排查前為容忍工作狀態(tài);排查后為正常工作狀態(tài)，排查后柴油機(jī)振動狀態(tài)有很大改善，與其它機(jī)組相比，已達(dá)到較好工作狀態(tài)。排查前測點(diǎn)速度超過35mm/s，特別是在機(jī)體飛輪端頂部和集體自由端頂部振動很大，經(jīng)過排查后振動烈度達(dá)到A級。

(3)機(jī)體振動加速度

排查前后柴油機(jī)機(jī)體振動加速度測試數(shù)據(jù)表明，排查后機(jī)體振動加速度明顯減小，除機(jī)體自由端頂部測點(diǎn)以外，其它都小于11m/s2，總體呈現(xiàn)正常振動狀態(tài)。

6 結(jié)論

1號機(jī)組排查后柴油機(jī)振動狀態(tài)改善明顯，振動烈度由容忍工作狀態(tài)改善為正常工作狀態(tài)，振動加速度也下降明顯，已達(dá)到較好工作狀態(tài)，因此，基于振動信號分析法并且結(jié)合柴油機(jī)常規(guī)技術(shù)指標(biāo)的測量，對柴油機(jī)的故障診斷和排查具有實(shí)用價值。

〔1〕柯維，張永祥，郭彬.柴油機(jī)振動信號二階循環(huán)平穩(wěn)特性分析〔J〕.武漢理工大學(xué)學(xué)報 (交通科學(xué)與工程版)，2012，36(2):328－331.

〔2〕李敏通.柴油機(jī)振動信號特征提取與故障診斷方法研究〔D〕.陜西:楊凌，2012.

〔3〕劉鵬.TBD620柴油機(jī)動力傳遞機(jī)構(gòu)與配氣機(jī)構(gòu)耦合動力學(xué)特性研究〔D〕.武漢:海軍工程大學(xué)，2011.