陳 昕，吳善躍，王嘉志，錢 灃

（1.中國人民解放軍92957部隊(duì)，浙江舟山 316000；2.中國人民解放軍91937部隊(duì)，浙江舟山 316000）

0 引言

液壓控制系統(tǒng)具有功率大、響應(yīng)快、控制精度高等特點(diǎn)，在大中型船舶上大都采用液壓裝置作為舵機(jī)的動力源。液壓泵組作為液壓舵機(jī)的核心設(shè)備，主要由電機(jī)、液壓泵和聯(lián)軸器組成，其作用是輸出高壓油至操舵裝置，驅(qū)動舵葉對外做功。電機(jī)通過聯(lián)軸器向液壓泵傳遞扭矩，如果聯(lián)軸器出現(xiàn)松動或失效，將會引發(fā)泵組的異常振動，嚴(yán)重時會影響船舶的安全航行[1]。

本文通過對某船舵機(jī)液壓泵組彈性套柱銷聯(lián)軸器故障的分析，探究故障信號特征與故障機(jī)理間的關(guān)系，總結(jié)故障分析規(guī)律，可為船舶旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷提供參考。

1 監(jiān)測對象與修理前監(jiān)測

某船舵機(jī)液壓主泵由電機(jī)、液壓泵和聯(lián)軸器組成，其中聯(lián)軸器采用彈性套柱銷連接，起傳遞扭矩和減緩沖擊的作用。

據(jù)船員反映，該船舵機(jī)右主泵振動較大，并伴有異常噪聲。為方便對比，技術(shù)人員對型號相同的左、右主泵都進(jìn)行了振動監(jiān)測，測點(diǎn)布置在電機(jī)自由端、輸出端和泵部的輸入端、自由端，每個測點(diǎn)分別測量水平徑向（H）、垂直徑向（V）和軸向（A）的振動（圖1）。

圖1 舵機(jī)液壓泵組結(jié)構(gòu)及測點(diǎn)

表1 給出了泵組各測點(diǎn)方向的振動速度有效值及泵組的整機(jī)振動烈度。由表1 可知，右主泵振動烈度（7.28 mm/s）明顯大于左主泵（3.28 mm/s），參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16301—2008《船舶機(jī)艙輔機(jī)振動烈度的測量和評價》，右主泵振動評級達(dá)到C 級，左主泵為B 級。進(jìn)一步比較表中各數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)右主泵振動較大的值主要集中在電機(jī)輸出端，該測點(diǎn)水平徑向、垂直徑向和軸向振動速度有效值分別為左主泵對應(yīng)測點(diǎn)方向的6.6 倍、3.2 倍、4.4 倍。

表1 修理前各測點(diǎn)振動速度有效值

圖2 為右主泵輸出端3個方向的振動時域圖和頻譜圖。分析圖2 可發(fā)現(xiàn)：①加速度時域波形具有明顯的脈沖信號，脈沖間隔為0.039 8 s，對應(yīng)于1倍軸頻25 Hz；②速度頻譜圖中，1 倍軸頻振動分量幅值較大，并出現(xiàn)明顯的高次諧波分量；③PeakVue 頻譜圖中存在明顯的1 倍軸頻及高次諧波分量。

圖2 修理前右主泵輸出端振動圖譜

2 維修情況與修理后監(jiān)測

維修人員對泵組拆檢時，發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器下方有掉落的橡膠碎片，將聯(lián)軸器拆解后發(fā)現(xiàn)彈性套柱銷外層包裹的橡膠已經(jīng)嚴(yán)重剝落，有的柱銷甚至能看到內(nèi)部的金屬成分（圖3）。更換彈性套柱銷后，對右主泵進(jìn)行復(fù)測，當(dāng)量振動烈度為2.15 mm/s，相比修理前明顯降低（表2）。修理后右主泵輸出端3 個方向的振動時域圖和頻譜圖如圖4 所示，時域圖上的脈沖信號已經(jīng)消失，頻譜圖中雖仍能看到1 倍頻及其高次諧波分量，但其幅值已大為減少；PeakVue 圖譜雖然仍有梳狀譜線，但加速度幅值比修理前小了1 個量級；由于液壓泵為斜盤式軸向柱塞泵，運(yùn)行過程中本身存在柱塞的往復(fù)運(yùn)動，由此帶來的沖擊導(dǎo)致圖4 b）的PeakVue 圖譜中仍存在梳狀譜線，同時頻譜圖上出現(xiàn)幅值較低的多次諧波分量[2-3]。

圖3 聯(lián)軸器拆檢實(shí)物

表2 修理后舵機(jī)右主泵各測點(diǎn)振動速度有效值

圖4 修理后右主泵輸出端振動圖譜

3 聯(lián)軸器故障原因與特征

彈性套柱銷聯(lián)軸器的柱銷外部包裹有彈性橡膠材料，能夠補(bǔ)償兩軸的相對位移，并且具有吸收振動和緩和沖擊的作用。彈性套柱銷聯(lián)軸器在傳遞扭矩的過程中，柱銷外層的橡膠受到長期的交變載荷作用，容易產(chǎn)生疲勞失效；橡膠材料如果使用過久沒有及時更換也會老化。橡膠材料失效、老化剝落后，柱銷連接部位產(chǎn)生比較大的間隙，聯(lián)軸器在傳遞扭矩的過程中會導(dǎo)致較嚴(yán)重的振動，并且伴有沖擊現(xiàn)象。從圖2 中時域圖的沖擊信號和PeakVue 圖譜存在的梳狀譜線可以看出明顯的沖擊特征，且沖擊頻率為1 倍軸頻。

聯(lián)軸器松動與常見的松動故障特征有所區(qū)別。旋轉(zhuǎn)機(jī)械常見的松動故障有以下3 種：①由結(jié)構(gòu)松動，機(jī)械支座剛度減弱，或基礎(chǔ)、墊片損壞引起；②底腳螺栓松動；③轉(zhuǎn)子支撐部位松動。這3 類松動都會在頻譜上出現(xiàn)明顯的1 倍軸頻分量，其中第1 類和第2 類松動表現(xiàn)為垂向振幅明顯大于水平振幅。但從表1 可知，右主泵輸出端的水平振幅大于其他兩個方向的振幅，這是聯(lián)軸器松動與第1 類和第2 類松動最明顯的區(qū)別。第3 類松動的頻譜特征是出現(xiàn)軸頻及其多次諧波，在振動比較嚴(yán)重時會有1/2、1/3 倍軸頻及其多次諧波出現(xiàn)。從圖2 a）可見，在振幅已經(jīng)達(dá)到10 mm/s 左右的情況下，頻譜圖上仍未見到分?jǐn)?shù)倍頻的分量，因此聯(lián)軸器松動的故障特征也不同于第3 類松動[4]。

在設(shè)備監(jiān)測與故障診斷實(shí)踐中，聯(lián)軸器最常見的故障是不對中，而不對中最明顯的特征是頻譜圖上會出現(xiàn)幅值較大的2倍軸頻譜線[5]。本例中聯(lián)軸器僅因?yàn)閺椥蕴字N外層包裹的橡膠失效剝落而產(chǎn)生松動故障，并不存在對中不良的問題，因此各測點(diǎn)方向頻譜圖上的2 倍軸頻譜線均不突出。監(jiān)測診斷人員遇到此類故障時，很容易由于頻譜圖上未體現(xiàn)出不對中的特征而忽視了聯(lián)軸器的松動問題。

4 總結(jié)

舵機(jī)液壓泵組聯(lián)軸器松動故障的主要特征為泵組振動加劇并伴有異常噪聲，電機(jī)輸出端振動幅值明顯高于其他測點(diǎn)，時域圖上出現(xiàn)頻率為1 倍軸頻的沖擊信號，頻譜圖以1 倍軸頻為主并伴有高次諧波分量，PeakVue 頻譜圖表現(xiàn)為間距為1 倍軸頻的梳狀圖譜。在設(shè)備監(jiān)測與故障診斷實(shí)踐中，應(yīng)注意區(qū)分聯(lián)軸器松動故障與3 種常見的旋轉(zhuǎn)機(jī)械松動故障和聯(lián)軸器不對中故障的不同特征。由于液壓泵為斜盤式軸向柱塞泵，運(yùn)行過程中本身存在柱塞的往復(fù)運(yùn)動，因此正常狀態(tài)的泵組在工作時PeakVue圖譜上也會體現(xiàn)沖擊特征，并且頻譜圖上仍存在幅值較低的多倍軸頻諧波分量。