孫宇鵬，薛小明，徐煜

（1.91184部隊(duì)，山東 青島 266000；2.92896部隊(duì)；3.遼南船廠，遼寧 大連 116041）

船舶電機(jī)是重要的船舶動(dòng)力及輔助設(shè)備，電機(jī)的正常工作是船舶正常航行的重要保障。電機(jī)在使用過程中無論是正常的工作狀態(tài)還是發(fā)生故障時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。振動(dòng)作為電機(jī)的固有特性，是反映電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的重要信號，從電機(jī)振動(dòng)特性入手去分析電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，為快速診斷電機(jī)故障提供了有效手段。頻譜分析技術(shù)可以根據(jù)電機(jī)振動(dòng)特征確定故障位置，達(dá)到快速診斷定位的目的。

1 振動(dòng)頻譜分析識別技術(shù)

振動(dòng)頻譜分析是對采集的時(shí)域信號進(jìn)行Fourier變換將其轉(zhuǎn)化為頻域信號，F(xiàn)ourier變換是一種常用的信號分析與處理方法，電機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生平穩(wěn)信號可以利用Fourier變換和分析。頻譜分析法就是通過Fourier變換將時(shí)域信號x（t）變換為頻域信號X（f），反應(yīng)出振動(dòng)的頻譜特征，時(shí)域信號x（t）的傅氏變換為：

式中，X（f）為頻域信號，X（t）為時(shí)域信號，f為頻率。

正常情況下，在采集設(shè)備振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)按要求選擇合適的測量儀器和測量位置。測量時(shí)應(yīng)設(shè)置頻譜的頻帶寬，一般是在2kHz左右，根據(jù)電轉(zhuǎn)速適當(dāng)調(diào)整。數(shù)據(jù)采集儀應(yīng)具備10～1000Hz的通頻響應(yīng)范圍，在測量轉(zhuǎn)速接近或低于600r/min的機(jī)器時(shí)通頻響應(yīng)范圍下限應(yīng)小超過2Hz。測點(diǎn)應(yīng)位于每個(gè)軸承蓋或軸承座二個(gè)相互正交的徑向位置。當(dāng)電機(jī)水平安裝時(shí)，應(yīng)放在垂直和水平方向；當(dāng)垂直或傾斜安裝時(shí)，應(yīng)選擇可以得到最大的振動(dòng)測量值位置作為測點(diǎn)。測量過程應(yīng)采取有效途徑盡量提高靈敏度，減少環(huán)境因素對測量的影響。

2 船舶電機(jī)典型故障頻率及特征

（1）定子電磁振動(dòng)。當(dāng)電機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，在磁場環(huán)境的作用下，定子受到一個(gè)周期性旋轉(zhuǎn)力的作用，而發(fā)生周期性的變形并產(chǎn)生振動(dòng)。定子電磁振動(dòng)故障主要原因有：定子三相磁場不對稱、定子的鐵心和定子的線圈松動(dòng)、電動(dòng)機(jī)座固定螺栓松動(dòng)。定子電磁振動(dòng)的頻率為電源頻率的2倍，斷電后振動(dòng)即消失。

（2）靜、動(dòng)態(tài)氣隙不均勻。氣隙不均勻可導(dǎo)致噪聲、振動(dòng)等故障，分為靜態(tài)不均勻和動(dòng)態(tài)的不均勻；它們引起的電磁振動(dòng)特征不完全相同，靜態(tài)氣隙不均勻產(chǎn)電磁振動(dòng)頻率是電源頻率f0的2倍，即f=2f0；氣隙動(dòng)態(tài)不均勻產(chǎn)生電磁振動(dòng)頻率伴有2f0和轉(zhuǎn)子工作頻率fr，使電機(jī)產(chǎn)生與脈動(dòng)節(jié)拍相同的電磁噪聲。

（3）轉(zhuǎn)子不平衡。電機(jī)轉(zhuǎn)子失衡原因有下列幾種：轉(zhuǎn)子組件脫落、位移，轉(zhuǎn)子因絕緣收縮發(fā)生的線圈位移、松動(dòng)，聯(lián)軸節(jié)不平衡，轉(zhuǎn)子表面和冷卻風(fēng)扇存在積垢等，高速電動(dòng)機(jī)對以上因素對最為敏感。轉(zhuǎn)子不平衡時(shí)振動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)速頻率相等、振動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速增高而增大，和電機(jī)是否負(fù)載無關(guān)，振動(dòng)幅值徑向遠(yuǎn)大于軸向。

（4）轉(zhuǎn)子軸彎曲。轉(zhuǎn)子軸彎曲是由于原始制造存在偏差、保存不當(dāng)、環(huán)境熱不穩(wěn)定等原因產(chǎn)生。主導(dǎo)頻譜為fr，并常伴有2fr及高次諧波，振動(dòng)值徑向和橫向都較大。

（5）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸裂紋。因?yàn)檩S肩部位應(yīng)力集中，軸肩與振型節(jié)點(diǎn)重合，容易造成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸裂紋。主導(dǎo)頻譜為2fr、3fr 等高次諧波，常伴有fr徑向振動(dòng)，相位變化不規(guī)則。

（6）滾動(dòng)軸承。滾動(dòng)軸承其滾動(dòng)元件的幾何尺寸決定了其特征頻率，滾動(dòng)軸承規(guī)格不同，其特征頻率不同。當(dāng)滾動(dòng)軸承加工和裝配不良、負(fù)載過重、潤滑不良等因素造成軸承出現(xiàn)故障時(shí)，可以測量出其不同部位損壞的特征頻率。

（7）軸承不對中。主導(dǎo)頻譜為1fr，2fr常伴有3fr；振動(dòng)方向表現(xiàn)為徑向與軸向；軸承與聯(lián)軸器相臨部位振動(dòng)大；振動(dòng)隨負(fù)荷增加而增大。徑熱膨脹量不足，存在較大對中值誤差；基礎(chǔ)沉降不勻，對中質(zhì)量較差；環(huán)境溫度變化大、機(jī)器熱變形不同等。

（8）機(jī)殼扭曲。結(jié)構(gòu)不合理或制造時(shí)應(yīng)力消除不夠；機(jī)殼熱膨脹限制不當(dāng)；基礎(chǔ)底板地腳不平等。主導(dǎo)頻譜為2f0，常伴有fr緊固地腳螺栓振動(dòng)變大，松開降低，以水平向表現(xiàn)較明顯。

3 頻譜分析法的應(yīng)用

在工廠對某艇的修理過程中，針對艇上的電機(jī)進(jìn)行了修后振動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)，在試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)其中某型號的一臺(tái)冷媒水泵電機(jī)的振動(dòng)超標(biāo)。其機(jī)腳加速度振級明顯超出正常值，如果僅分析電機(jī)振動(dòng)的時(shí)域信號無法判斷電機(jī)故障位置。且由于工期要求很緊，沒有足夠的時(shí)間對電機(jī)進(jìn)行分解檢驗(yàn)。需要快速判斷并排除故障點(diǎn)。于是，利用測量系統(tǒng)中的振動(dòng)頻譜分析功能，對采集的電機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行Fourier變換，得到頻率-幅值曲線。圖1為電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)振動(dòng)頻譜圖。

圖1 電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)振動(dòng)頻譜圖

測量電機(jī)轉(zhuǎn)速為2980r/min,從振動(dòng)頻譜圖可以明顯看到，在6倍電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)基頻、8倍電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)基頻、9倍電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)基頻位置振動(dòng)幅值異常。而在2倍頻左右的幅值明顯很低，可以排除定子機(jī)座的電磁振動(dòng)引起的振動(dòng)和由定子與轉(zhuǎn)子氣隙不均引起的振動(dòng)，而且也沒有出現(xiàn)高頻的軸承故障頻率特征，可以初步判定，是轉(zhuǎn)子故障。

判斷出故障可能原因后，對電機(jī)進(jìn)行拆卸修理，著重對電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢查。檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡超差，且已不能修復(fù)。對新更換的轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，為避免拆卸對軸承造成的損傷，同時(shí)更換了轉(zhuǎn)子兩端的軸承。安裝調(diào)試后，再次對該冷媒水泵電機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)振動(dòng)頻譜圖見圖2。電機(jī)的6倍頻、8倍頻、9倍頻上異常已被消除，測試得到的機(jī)腳加速度振級也符合修理要求。

圖2 故障排除后的電機(jī)頻譜圖

通過故障排除前后的頻譜圖對比，可以判斷本次修理的電機(jī)故障是由轉(zhuǎn)子故障引起的，在今后對該型號冷媒水泵的修理中，轉(zhuǎn)子應(yīng)進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，動(dòng)平衡試驗(yàn)合格后，才可安裝調(diào)試。

4 結(jié)語

電機(jī)作為主要的船舶電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備，因復(fù)雜的工作環(huán)境因素，發(fā)生各種各樣的振動(dòng)故障不可避免，一些顯現(xiàn)常見故障可以憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，而對于一些比較隱蔽的故障則可以通過測量儀器，采集分析其振動(dòng)特征進(jìn)行診斷。振動(dòng)頻譜分析技術(shù)在電機(jī)振動(dòng)故障診斷中具有獨(dú)特性，能夠快速有效地診斷定位故障，從而節(jié)省修理時(shí)間，提高工作效率。