船舶機(jī)艙旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)測(cè)試與分析

胡以懷，蔣佳煒，方云虎，張 陳，芮曉松

（1. 上海海事大學(xué)，上海 201306；2. 中航鼎衡造船有限公司，江蘇 江都 225217）

0 引 言

船舶機(jī)電系統(tǒng)是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，除了船用柴油機(jī)和往復(fù)式空壓機(jī)之外，大部分設(shè)備都是旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如推進(jìn)軸系、主機(jī)增壓器、分油機(jī)、各式泵浦、輔助鼓風(fēng)機(jī)和機(jī)艙風(fēng)機(jī)等。實(shí)踐證明，各種機(jī)械振動(dòng)的變化對(duì)機(jī)器故障的敏感性遠(yuǎn)高于溫度和壓力等參數(shù)，特別適于對(duì)各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械和柴油機(jī)關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件的故障進(jìn)行診斷。振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析技術(shù)已在石油、化工、電力和冶金等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1]，但在船舶機(jī)艙機(jī)電設(shè)備診斷中應(yīng)用較少[2-3]。采用振動(dòng)檢測(cè)方法對(duì)船舶旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、維修決策支持和安全管理，對(duì)于充分發(fā)揮船舶已有設(shè)備的使用功能，減少人為操作失誤和設(shè)備重大故障，提高船舶動(dòng)力裝置的安全運(yùn)行性能，減少經(jīng)濟(jì)損失和海洋環(huán)境污染而言，具有很大的實(shí)用價(jià)值[4]。

本文采用北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所開發(fā)的ICP型加速度計(jì)和DASP-10振動(dòng)檢測(cè)儀，對(duì)船舶機(jī)艙內(nèi)的主要旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試和分析，獲得一些重要的特征信息，為振動(dòng)測(cè)試技術(shù)在船舶機(jī)艙設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷中應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。該ICP型加速度計(jì)是一種內(nèi)置電荷放大器的加速度振動(dòng)傳感器，線性頻響范圍為20Hz～20.0kHz，電壓靈敏度約為10.0mV/(m/s2)。DASP-10振動(dòng)檢測(cè)儀是一套便攜式大容量四通道數(shù)據(jù)采集器，集信號(hào)觸發(fā)、濾波、AD（Analog-to-Digital）轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)示波、時(shí)域分析、頻譜分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能于一體，可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)分析和數(shù)據(jù)傳送。

1 分油機(jī)振動(dòng)測(cè)試

首先對(duì)ALFA LAVA的滑油分油機(jī)外殼的前側(cè)和右側(cè)徑向測(cè)點(diǎn)和輸油泵徑向測(cè)點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，分油機(jī)前側(cè)的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置見圖1，采樣頻率為2048Hz。該分油機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速為9 512 r/min，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)測(cè)試與分析結(jié)果見圖2。

圖1 分油機(jī)前側(cè)的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

圖2 滑油分油機(jī)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)測(cè)試分析結(jié)果

可見，不同測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)盡管振動(dòng)幅值略有不同，但基頻（158.5Hz）的振動(dòng)都占主要成分。為提高采樣的頻率分辨率，取1024Hz采樣頻率對(duì)另一臺(tái)ALFA LAVA滑油分油機(jī)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)分油機(jī)表面的振動(dòng)信號(hào)仍包含明顯的基頻振動(dòng)特征。監(jiān)測(cè)分油機(jī)振動(dòng)的這個(gè)基頻特征，可了解分油機(jī)立軸磨損或分離碟盤不平衡等故障。若頻譜圖中只有1個(gè)主要的基頻線譜，且振幅隨轉(zhuǎn)速升高很快，則分油機(jī)可能出現(xiàn)了排渣不凈、分離碟盤質(zhì)量不平衡和立軸失衡等機(jī)械不平衡故障；若頻譜圖中有3～4個(gè)線譜，且第1個(gè)線譜對(duì)應(yīng)于基頻，則分油機(jī)可能出現(xiàn)了螺栓松動(dòng)、法蘭松動(dòng)、底座松動(dòng)和緊固件與機(jī)蓋或配水盤擦碰等機(jī)械松動(dòng)故障；若頻譜圖中最大的線譜頻率是4倍或4倍以上基頻，則很可能是分油機(jī)立軸出現(xiàn)了磨損故障。

2 泵浦振動(dòng)測(cè)試

對(duì)機(jī)艙 2#立式淡水泵表面不同測(cè)點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，采樣頻率為2048Hz。在水泵外部右側(cè)上部、右側(cè)下部和前側(cè)上部徑向分別布置 3只加速度傳感器，在前側(cè)下部布置1只速度傳感器。前側(cè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置見圖3，測(cè)試與分析結(jié)果見圖4。

除了3#測(cè)點(diǎn)因傳感器安裝不牢固之外，其他測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)都表現(xiàn)出簡諧振動(dòng)的特征，都有不同的特征頻率，這是進(jìn)行泵浦狀態(tài)監(jiān)測(cè)的主要特征參數(shù)。此后對(duì)機(jī)艙1#、2#和3#等另外3組冷卻水泵進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。

圖3 立式淡水泵組前側(cè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

圖4 冷卻水泵測(cè)試與分析結(jié)果

分析可知：泵浦外殼的徑向振動(dòng)都表現(xiàn)出與基頻（25Hz）成整數(shù)倍關(guān)系的振動(dòng)特征，反映出了旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)特點(diǎn)，這些特征頻率都可作為機(jī)艙泵浦的振動(dòng)監(jiān)測(cè)依據(jù)。若頻譜圖中只有1個(gè)主要的基頻線譜，且振幅隨轉(zhuǎn)速升高很快，則泵浦可能出現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心、軸頸偏心和轉(zhuǎn)子與定子摩擦等機(jī)械不平衡故障；若頻譜圖中有3～4個(gè)線譜，且第1個(gè)線譜對(duì)應(yīng)于基頻，則泵浦可能出現(xiàn)了安裝螺栓松動(dòng)、底座松動(dòng)和基礎(chǔ)不平等機(jī)械松動(dòng)故障，通常伴有不平衡或不對(duì)中現(xiàn)象；若頻譜圖中最大的線譜頻率是4倍或4倍以上基頻，則很可能是軸承出現(xiàn)了磨損故障；若頻譜圖中的線譜是1～2倍基頻×電機(jī)磁極對(duì)的關(guān)系，切斷電源后振動(dòng)消失，則很可能是出現(xiàn)了電氣故障。

3 增壓器振動(dòng)測(cè)試

對(duì)MAN B&W 6S35ME-B船舶主機(jī)增壓器3個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2是2個(gè)徑向測(cè)點(diǎn)（見圖5），測(cè)點(diǎn)3是一個(gè)軸向測(cè)點(diǎn)，采樣頻率為5120Hz，增壓器運(yùn)行轉(zhuǎn)速為18000r/min，測(cè)試與分析結(jié)果見圖6。盡管3個(gè)測(cè)點(diǎn)的振幅不同，但頻率特征非常相似，都表現(xiàn)為簡諧振動(dòng)，基頻為300Hz。若頻譜圖中只有1個(gè)主要的基頻線譜，且振幅隨轉(zhuǎn)速升高很快，則表明增壓器出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子失衡、葉輪與外殼碰擦、渦輪或葉輪變形、渦輪或葉輪變形斷裂、透平局部積灰和葉片脫落等機(jī)械不平衡故障[5]；若頻譜圖中最大的線譜頻率是4倍或4倍以上基頻，則很可能是增壓器轉(zhuǎn)子軸承出現(xiàn)了磨損故障；若頻譜圖中有0.5倍頻線譜或多倍頻線譜，且增壓器有明顯的嘯叫，則可能出現(xiàn)了壓氣機(jī)喘振故障。

圖5 主機(jī)增壓器徑向測(cè)點(diǎn)布置

另外，對(duì)主機(jī)的輔助鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，結(jié)果見圖 7。該鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速為 2945r/min，基頻為49Hz，可從圖7中明顯看出基頻和2倍頻的振動(dòng)特征。

圖6 增壓器3個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)測(cè)試與分析結(jié)果

圖7 輔助鼓風(fēng)機(jī)的振動(dòng)測(cè)試與分析結(jié)果

4 中間軸承振動(dòng)測(cè)試

對(duì)主機(jī)推進(jìn)軸系中間軸承進(jìn)行垂直方向和水平方向的振動(dòng)測(cè)試，測(cè)點(diǎn)布置見圖8，測(cè)試結(jié)果見圖9。由圖9可知，2個(gè)方向的振幅和頻率特征非常相似，都存在41Hz的基頻成分。中間軸承的振動(dòng)基頻除了與轉(zhuǎn)速有關(guān)以外，還與主機(jī)的缸數(shù)和螺旋槳葉片數(shù)有關(guān)。若頻譜圖中有1倍基頻的線譜，有時(shí)有2倍或3倍基頻的線譜，且軸向振動(dòng)較大，則很可能是軸系出現(xiàn)了聯(lián)軸節(jié)或軸承不對(duì)中、軸彎曲故障；若頻譜圖中最大的線譜頻率是4倍或4倍以上基頻，則很可能是中間軸承出現(xiàn)了磨損故障。另外，主機(jī)機(jī)架的振動(dòng)還有少量高頻成分，這除了與柴油主機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)以外，還與基礎(chǔ)振動(dòng)有關(guān)。

圖8 中間軸承測(cè)點(diǎn)布置

圖9 中間軸承垂直方向和水平方向的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié) 語

本文對(duì)船舶機(jī)艙內(nèi)的分油機(jī)、泵浦、渦輪增壓器、應(yīng)急鼓風(fēng)機(jī)和中間軸承等典型旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試和分析。結(jié)果表明，船舶機(jī)艙內(nèi)的這些旋轉(zhuǎn)機(jī)械具有與基頻成整數(shù)倍關(guān)系的頻率特征，可作為振動(dòng)監(jiān)測(cè)的主要特征參數(shù)。雖然船舶航行時(shí)機(jī)艙有一定的基礎(chǔ)振動(dòng)，但陸上旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法同樣適用于船舶機(jī)艙內(nèi)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，這為船舶設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷提供了一種非常實(shí)用的監(jiān)測(cè)手段。