羅自來 甄雙榮

（中國人民解放軍92557部隊(duì) 廣州510700）

引 言

隨著科技迅速發(fā)展，機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化程度不斷提高，其結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，但潛在的故障源和發(fā)生故障的方式也相應(yīng)增加。一旦設(shè)備某部位發(fā)生故障，就有可能破壞整臺(tái)設(shè)備，甚至影響整個(gè)船舶的安全，所以船舶維護(hù)管理的重要課題之一就是如何確保船舶設(shè)備的安全運(yùn)行［1］。監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)能夠及時(shí)有效地評(píng)估設(shè)備狀態(tài)，盡早預(yù)測(cè)故障，從而提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性和安全性。其中振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)以其準(zhǔn)確率高、診斷方便快捷以及便于在線監(jiān)測(cè)等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到人們普遍關(guān)注，在機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)體系中居主導(dǎo)地位，并廣泛應(yīng)用于船舶設(shè)備的監(jiān)測(cè)診斷中［2］。

1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷概述

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷是指通過獲取機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中的狀態(tài)信息，然后對(duì)這些信息進(jìn)行分析和處理，結(jié)合監(jiān)測(cè)對(duì)象的歷史狀態(tài)和相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來定性或定量地識(shí)別設(shè)備的狀態(tài)；進(jìn)而對(duì)設(shè)備剩余壽命作出預(yù)測(cè)，并確定相關(guān)維修對(duì)策的技術(shù)［3］。其具體實(shí)施過程如圖1所示。其目的就是盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的潛在故障，從而提高設(shè)備利用率。

圖1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷流程圖

在對(duì)設(shè)備的監(jiān)測(cè)診斷過程中，最常用的就是振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，它主要包括波形分析法和頻譜分析法。

由于傳感器輸出的振動(dòng)信號(hào)一般都是時(shí)間-波形信號(hào)，未經(jīng)處理，所包含的故障信息最豐富，所以波形分析法是最直接的方法。對(duì)于波形特征明顯的較簡(jiǎn)單故障，一般可使用波形分析法對(duì)設(shè)備性能狀況進(jìn)行初步檢驗(yàn)判斷，但用時(shí)間-波形分析故障原因?qū)Ψ治稣叩慕?jīng)驗(yàn)要求比較高；頻譜分析法是目前振動(dòng)分析法中最常用的方法，它能將各種頻率成分的信號(hào)分解開來，便于振源的快速識(shí)別。

2 常見故障特征分析

2.1 轉(zhuǎn)子不對(duì)中

轉(zhuǎn)子不對(duì)中是機(jī)械設(shè)備常見故障之一，它是導(dǎo)致設(shè)備過早損壞和增大能耗的重要因素，也是軸承故障的主要原因。主要有軸承不對(duì)中和聯(lián)軸器不對(duì)中，其中頻譜分析法和相位分析法是診斷設(shè)備是否存在不對(duì)中故障的常用方法。［4］

當(dāng)設(shè)備有不對(duì)中故障時(shí)，其軸向和徑向振動(dòng)在1倍頻、2倍頻和3倍頻幅值較大，尤其是2倍頻分量與正常時(shí)相比較突出，還可能引起大量的高次諧波，使振動(dòng)頻譜與松動(dòng)或間隙過大故障類似，關(guān)鍵區(qū)別在于不對(duì)中時(shí)軸向2倍頻幅值較大，并且由于聯(lián)軸節(jié)兩側(cè)軸承油膜壓力變化方向相反，一個(gè)油膜壓力變大，另一個(gè)則變小，使聯(lián)軸器兩側(cè)徑向和軸向相位差基本上接近180°，不對(duì)中故障越嚴(yán)重，其相位差越接近180°，而且大部分情況下，軸承座兩側(cè)垂直方向相位差和水平方向相位差相差約為180°，而在不平衡故障時(shí)，其相差約為0°。由于不平衡、松動(dòng)和軸彎曲等故障都會(huì)影響1倍頻振動(dòng)幅值，因此監(jiān)測(cè)2倍到4倍頻的高次諧波的變化將更有利于發(fā)現(xiàn)不對(duì)中故障；此外其振動(dòng)幅值的大小隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化而變化；而且隨著不對(duì)中程度的加劇，振動(dòng)幅值將逐漸增大。

2.2 機(jī)械松動(dòng)

機(jī)械松動(dòng)是指由于安裝不良、長(zhǎng)期磨損、基座損壞或零部件破壞等原因造成的機(jī)械結(jié)合面間的間隙變大或聯(lián)接剛度降低而導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)過大的一種故障。松動(dòng)主要有基礎(chǔ)松動(dòng)、支座松動(dòng)以及部件間的配合松動(dòng)等。

通過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)分析并結(jié)合前人的分析［5］，機(jī)械松動(dòng)波形和頻譜的主要特征有：當(dāng)機(jī)械設(shè)備有松動(dòng)故障特征時(shí)，垂向振動(dòng)通常較大，軸向振動(dòng)較小或正常，頻譜中往往有較大的1倍頻分量，還常伴有分?jǐn)?shù)倍頻分量和2倍、3倍頻分量；時(shí)域波形一般較亂，有明顯的不穩(wěn)定非周期信號(hào)，而且振動(dòng)幅值和相位不穩(wěn)定，幅值大小與負(fù)荷關(guān)系顯著：當(dāng)負(fù)荷低時(shí)，振動(dòng)不明顯，隨著負(fù)荷的加大，幅值增大的幅度顯著，此外還具有明顯的方向性。此外，將多次監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)做成數(shù)據(jù)圖表，更易得出設(shè)備松動(dòng)結(jié)論。

3 監(jiān)測(cè)實(shí)例分析

3.1 不對(duì)中故障分析

對(duì)某船柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)其振動(dòng)較大。該機(jī)組采用剛性連接，測(cè)點(diǎn)布置在機(jī)組自由端軸承座上，采用VIBXpert型數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行信號(hào)采集。機(jī)組轉(zhuǎn)速1 500 r/min，在額定工況下，采樣頻率為1 024 Hz，采集的三向振動(dòng)波形信號(hào)及頻譜如圖2-圖4所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)垂直徑向波形及頻譜圖

圖3 測(cè)點(diǎn)水平徑向波形及頻譜圖

圖4 測(cè)點(diǎn)軸向波形及頻譜圖

從上述圖中可得知：機(jī)組振動(dòng)的2倍頻幅值均較大，還伴有一倍和多倍等高頻成分。由于柴油機(jī)為復(fù)雜機(jī)械，其振源較豐富，因此其振動(dòng)頻率會(huì)比較復(fù)雜，而且它會(huì)通過聯(lián)軸器將振動(dòng)信號(hào)傳遞到發(fā)電機(jī)端。但從上述振動(dòng)頻譜圖中可看出，所有波形信號(hào)均比較干凈，主要是機(jī)組轉(zhuǎn)子的倍頻信號(hào)，主要頻率為50 Hz，因此只需考慮柴油機(jī)能對(duì)這個(gè)頻率產(chǎn)生影響的因素。就四缸四沖程柴油機(jī)來說，干擾主要來源是二次不平衡簡(jiǎn)諧傾覆力矩和垂向二次不平衡的往復(fù)慣性力。二次往復(fù)慣性力二次簡(jiǎn)諧力矩（式中ω為二次擾動(dòng)圓頻率，單位rad/s），其值可用公式ω= 2Ω求的，式中Ω為曲軸旋轉(zhuǎn)角速度，可用公式（式中n為轉(zhuǎn)速，單位r/min）求得Ω的值為50π rad/s。

通過計(jì)算可知，上述兩個(gè)因素的影響頻率均為50 Hz，因此在垂直徑向的二倍頻與其他方向相比較大。采集到主要波形的周期約為20 ms，對(duì)應(yīng)頻譜為2倍轉(zhuǎn)頻，根據(jù)其三向頻譜特征，初步懷疑為轉(zhuǎn)子對(duì)中不良，為更準(zhǔn)確地判斷機(jī)組狀態(tài)，我們采取增加機(jī)組負(fù)荷的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采集其垂直徑向波形信號(hào)及頻譜如圖5所示。

圖5 加載后測(cè)點(diǎn)垂直徑向波形及頻譜

從頻譜圖可知：2倍頻振動(dòng)幅值相比正常工況下的幅值明顯上升，振動(dòng)對(duì)負(fù)荷變化較為敏感，波形也近似為正弦信號(hào)的疊加，波形振動(dòng)幅值也有所增大，主要波形的周期仍然是20 ms，對(duì)應(yīng)50 Hz。將機(jī)組轉(zhuǎn)速下降至1 000 r/min，其振動(dòng)波形及頻譜如圖6所示。

圖6 降速后測(cè)點(diǎn)徑向波形信號(hào)及頻譜

從頻譜圖中可發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)的2倍頻振動(dòng)幅值顯著下降，但波形仍近似為正弦信號(hào)的疊加，主要波形的周期約為30 ms，對(duì)應(yīng)頻譜的頻率為33.3 Hz，基本上接近頻譜圖中的2倍頻33.45 Hz。綜合上述信息分析，可認(rèn)為機(jī)組存在轉(zhuǎn)子不對(duì)中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致聯(lián)軸器發(fā)生故障。停機(jī)后對(duì)機(jī)組聯(lián)軸器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)其連接螺栓已嚴(yán)重變形，檢查轉(zhuǎn)子對(duì)中情況，發(fā)現(xiàn)其不對(duì)中量嚴(yán)重超標(biāo)。在對(duì)機(jī)組重新對(duì)中后，采集的波形信號(hào)和頻譜如下頁圖7所示。

從圖7中可發(fā)現(xiàn)，對(duì)中后轉(zhuǎn)子2倍頻振動(dòng)幅值顯著減小，波形也近似為準(zhǔn)周期信號(hào)，可明顯感覺振動(dòng)和聲音都有所降低，說明采取對(duì)中處理后取得了良好的效果。

圖7 對(duì)中后測(cè)點(diǎn)垂直徑向波形信號(hào)及頻譜

3.2 松動(dòng)故障分析

對(duì)某臺(tái)轉(zhuǎn)速為1 470 r/min的立式海水冷卻泵電機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集的波形信號(hào)及頻譜如圖8和圖9所示。

圖8 測(cè)點(diǎn)徑向波形信號(hào)及頻譜

圖9 測(cè)點(diǎn)軸向波形信號(hào)及頻譜

從頻譜圖中可看出：轉(zhuǎn)子徑向和軸向工頻振動(dòng)幅值均較大，其2倍頻和多倍頻等高頻成分也較突出，且徑向振動(dòng)幅值大于軸向振動(dòng)幅值，初步認(rèn)為電機(jī)有松動(dòng)故障。從波形中可看出有周期約40 ms的沖擊脈沖信號(hào)，頻率為25 Hz，接近電機(jī)轉(zhuǎn)子工頻，時(shí)域波形存在不對(duì)稱現(xiàn)象，初步診斷為電機(jī)軸承配合松動(dòng)。對(duì)該電機(jī)進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)輸出端軸承保持架磨損嚴(yán)重，并且外圈上已出現(xiàn)劃痕。由于保持架孔磨損后徑向間隙變大，滾珠和保持架徑向游動(dòng)，撞擊外圈，進(jìn)一步加劇保持架的磨損，于是采取更換軸承的方式修理，修理后其波形信號(hào)及頻譜如下頁圖10所示。

圖10 修理后測(cè)點(diǎn)徑向波形信號(hào)及頻譜

從圖10可知，修理后其一倍頻和多倍頻分量幅值大大減小，波形正常，沒有出現(xiàn)明顯沖擊信號(hào)，機(jī)組運(yùn)行情況基本正常。

4 結(jié) 語

在對(duì)船用機(jī)電設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷時(shí)，首先要了解該設(shè)備振動(dòng)波形信號(hào)中的相關(guān)信息，弄清它們之間的聯(lián)系，故障特征就會(huì)比較清晰；然后抓住幅值較高的譜線，分析產(chǎn)生這些頻率成分的可能因素。然而，在單次測(cè)量時(shí)往往難以對(duì)故障做出較有把握的判斷，所以在分析和判斷過程中，要注意振動(dòng)幅值的大小和發(fā)展趨勢(shì)，才能得出比較準(zhǔn)確的診斷結(jié)論。