冀 洵，何清林，晏 陽

(1.中國船舶集團(tuán)有限公司，北京 100097；2.上海船用柴油機(jī)研究所，上海 201108)

0 引 言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)動時所產(chǎn)生的振動信號包含了豐富的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，對這類振動信號進(jìn)行采樣與分析是一種常用的設(shè)備故障診斷與監(jiān)測手段。信號或動態(tài)數(shù)據(jù)的處理與分析，是設(shè)備故障診斷的前提和基礎(chǔ)[1]。柴油機(jī)振動信號是周期性的非平穩(wěn)信號，進(jìn)行傅里葉變換，可以得到振動頻域信號。不同的頻率成分反映系統(tǒng)內(nèi)不同的振源，可以識別出柴油機(jī)的工作狀態(tài)是否健康，通過頻譜分析可以確定主要頻率成分及其幅值大小，從而找到振源，采取相應(yīng)的措施[2]。

本文針對某型柴油機(jī)泵組振動故障，首先進(jìn)行振動測試，利用振動信號頻譜分析的方法，識別到故障特征頻率；其次通過峰值保持法（Peak-Hold）測試柴油機(jī)安裝底座固有頻率，對響應(yīng)信號進(jìn)行頻譜分析，識別底座固有頻率，定位到故障部位[3]。最后，進(jìn)行針對性改進(jìn)，振動故障得到解決。

1 泵組基本信息

該型柴油機(jī)泵組為應(yīng)急冷卻泵組，額定工況下保持出水壓力1.35 MPa，轉(zhuǎn)速1 500 r/min。該泵組由柴油機(jī)、液壓離合器、水泵組成，柴油機(jī)輸出端飛輪通過彈性聯(lián)軸器與液壓離合器輸入端連接，離合器輸出端與水泵輸入端通過中間支撐軸承連接。

該泵組柴油機(jī)剛性安裝在一個整體底座上，底座剛性固定在基礎(chǔ)上（地面），水泵及液壓離合器剛性固定在基礎(chǔ)平臺上，如圖1所示，泵組基本信息見表1。

圖1 泵組布置簡圖Fig.1 Pump set layout

表1 泵組信息Tab.1 Pump set information

2 現(xiàn)場振動測試

2.1 測試設(shè)備及測點(diǎn)布置

測試系統(tǒng)由三向加速度傳感器、LMS動態(tài)信號采集分析儀和筆記本電腦組成。加速度傳感器通過磁鐵安裝在柴油機(jī)各測點(diǎn)，泵組額定工況下采集振動時域信號，通過軟件對時域信號進(jìn)行快速傅里葉變換FFT，得到振動頻域信號以及振動烈度。

振動烈度測點(diǎn)共6個，其中機(jī)腳處4個，機(jī)體上2個。測試過程中，測量X，Y，Z三個方向的振動烈度。

2.2 測試數(shù)據(jù)分析

通過柴油機(jī)振動測試，測試結(jié)果反映出柴油機(jī)整體振動較劇烈，振動烈度有效值高達(dá)40.46 mm/s（見表2），遠(yuǎn)超GB/T 7184-2008的C級要求（小于28.2 mm/s），此狀態(tài)繼續(xù)工作會對柴油機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p壞。

表2 振動測試數(shù)據(jù)（mm/s）Tab.2 Vibration measurement data

分析頻譜數(shù)據(jù)，X向振動最大，Y向次之，Z向振動最小。各測點(diǎn)X向和Y向頻譜數(shù)據(jù)中振動能量最大的頻率均為25 Hz，如圖2和圖3所示。柴油機(jī)基頻為25 Hz，說明柴油機(jī)發(fā)生了基頻振動異常故障。

圖2 X向振動頻譜圖Fig.2 X-direction vibration spectrum

圖3 Y向振動頻譜圖Fig.3 Y-direction vibration spectrum

2.3 基頻振動異常分析

往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)出現(xiàn)基頻振動異常故障，往往存在幾種故障原因：1）對中不滿足要求，存在角度不對中、平行不對中或綜合不對中；2）機(jī)器的機(jī)腳緊固螺栓出現(xiàn)松動；3）安裝底座剛度不足，發(fā)生共振[4]。

針對以上3種可能，逐一進(jìn)行確認(rèn)。

1）通過現(xiàn)場測量柴油機(jī)對中，端面及圓周數(shù)據(jù)均在規(guī)范要求內(nèi)，無異常。

2）通過復(fù)查柴油機(jī)機(jī)腳螺栓，未出現(xiàn)松動現(xiàn)象。

3）驗(yàn)證底座是否存在共振。

歐陽光耀[3]提出安裝基礎(chǔ)的強(qiáng)度，對柴油機(jī)各方向的振動烈度有較大的影響，給出了分析思路和方法。

2.4 底座固有頻率測試

底座固有頻率測試采用峰值保持法（Peak-Hold），使用木樁敲擊底座，并在底座上放置加速度傳感器采集響應(yīng)信號。木樁激勵力屬于低頻激勵，當(dāng)激勵力頻率與底座的固有頻率相同時，底座發(fā)生共振，響應(yīng)頻譜中會出現(xiàn)明顯的幅值，該幅值下對應(yīng)的頻率為結(jié)構(gòu)的固有頻率[5]。

通過分析底座響應(yīng)頻譜圖（見圖4～圖7），識別到底座的X向和Y向，每次激勵發(fā)生后在25 Hz處都會出現(xiàn)較大的幅值。

圖4 X向背景噪聲Fig.4 X-direction background noise

圖5 激勵后X向響應(yīng)Fig.5 X-direction response after actuate

圖6 Y向背景噪聲Fig.6 Y-direction background noise

圖7 激勵后Y向響應(yīng)Fig.7 Y-direction response after actuate

底座固有頻率測試分析結(jié)果表明：

1）25 Hz是底座X向和Y向的一個固有頻率；

2）底座固有頻率與柴油機(jī)工作轉(zhuǎn)頻相同，發(fā)生共振；

3）針對此故障，在底座X向和Y向焊加強(qiáng)筋板，增強(qiáng)X向和Y向的剛度，提高固有頻率。

2.5 底座加強(qiáng)后振動復(fù)測

按照上文2.1相同設(shè)置及測點(diǎn)布置，對柴油機(jī)進(jìn)行振動復(fù)測，數(shù)據(jù)見表3。

表3 底座加強(qiáng)后振動測試數(shù)據(jù)（mm/s）Tab.3 Vibration measurement data of base support after strengthening

底座加強(qiáng)后，柴油機(jī)振動得到有效改善，整機(jī)振動烈度有效值為23.33 mm/s，滿足GB/T 7184-2008的C級要求。

如圖8和圖9所示，振動頻譜圖中25 Hz處振動幅值降低明顯，無異常，底座共振現(xiàn)象已消除。說明通過對底座針對性的改進(jìn)，底座的固有頻率發(fā)生改變，避免了在柴油機(jī)正常轉(zhuǎn)頻激勵下的共振現(xiàn)象[5]。

圖8 底座加強(qiáng)前后X向25 Hz（基頻）振動對比Fig.8 X direction 25 Hz ( fundamental frequency ) vibration contrast base before and after strengthening

圖9 底座加強(qiáng)前后Y向25 Hz（基頻）振動對比Fig.9 Y direction 25 Hz ( fundamental frequency ) vibration contrast base before and after strengthening

3 故障原因總結(jié)

柴油機(jī)在工作過程中，將會產(chǎn)生與工作轉(zhuǎn)頻（即基頻）相同的激勵力并傳遞到安裝底座上[2]。如果底座結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，強(qiáng)度足夠，基頻振動在頻譜圖上便是一個很小的數(shù)值；如果底座強(qiáng)度不足，在低頻區(qū)出現(xiàn)固有頻率，可能與轉(zhuǎn)頻接近而發(fā)生共振，造成危害[7-8]。

本文研究對象出現(xiàn)基頻振動異常問題，最終確認(rèn)底座固有頻率與柴油機(jī)工作轉(zhuǎn)頻一致，此時因?yàn)榧盍︻l率與底座固有頻率相同，發(fā)生共振，產(chǎn)生強(qiáng)大的振動能量，所以頻譜圖中基頻出現(xiàn)異常的振動，導(dǎo)致柴油機(jī)整體振動劇烈。通過提高底座整體剛度，底座固有頻率增大，共振現(xiàn)象消除，振動得到改善，滿足驗(yàn)收要求。

4 結(jié) 語

1）柴油機(jī)出現(xiàn)異常振動時，運(yùn)用頻譜分析的方法，能快速識別特征頻率，確認(rèn)故障特征。

2）底座強(qiáng)度弱，容易導(dǎo)致柴油機(jī)振動過大，對柴油機(jī)的振動烈度影響明顯。

3）柴油機(jī)底座發(fā)生共振現(xiàn)象，底座的剛度不足是原因之一，通過提高剛度，起到增大底座固有頻率的效果，可以消除共振。