振動監(jiān)測診斷技術在設備管理中的應用與研究

許 斌

(中國人民解放軍海軍91315部隊，遼寧 大連 116041)

一、振動信號分析的基本方法及特點

1.振動信號分析的基本方法

機械振動信號分析的基本方法主要有振動幅值分析法、振動相關分析法、振動頻域分析法、振動時序分析法及振動特征分析法。

2.振動信號分析的特點

(1)振動幅值分析法：應用于幅值分析的參數有均值、均方根值、峰值等。

(2)振動相關分析法：相關分析主要是應用相關系數與相關函數來實現，即通過相關函數來研究兩個信號之間的相關性和依賴性。

(3)振動頻域分析法：頻域分析的基礎是頻譜分析，即分析動態(tài)信號幅值、相位、功率和能量隨頻率的變化關系。頻譜分析主要包括功能譜密度函數分析、細化譜分析、倒頻譜分析、沖擊響應譜分析、全息譜分析等。

(4)振動時序分析法：是對時序的觀測數據進行統(tǒng)計學處理與分析的一種方法，是數據的統(tǒng)計處理與系統(tǒng)分析相結合的一種方法。時序分析的手段就是建立時序模型。

(5)振動特征分析法：主要是在轉速變化或穩(wěn)定時，對旋轉機械的各部位振動值進行特征描述。

二、監(jiān)測診斷某船主機齒輪箱振動異常故障

1.故障特征

齒輪箱主要由齒輪、軸、離合器、軸承、輔助設備和箱體等構成。據統(tǒng)計，齒輪、軸、滾動軸承和輔助設備的故障占齒輪箱故障的90%以上。根據振動信號的特點，一般常見的典型故障形式有：齒形誤差、斷齒、軸不平衡、軸承故障、輔助設備的故障等。出現故障時的主要特征如下。

(1)齒形有誤差時，頻譜圖中齒輪嚙合頻率兩側出現的邊帶數增多，而且2倍和3倍嚙合頻率幅值通常很高。

(2)存在斷齒時，頻譜圖中齒輪固有頻率的幅值比1倍轉速頻率的幅值高10倍以上。

(3)存在軸不平衡時，頻譜圖中1倍轉速頻率幅值很高。

(4)滾動軸承存在故障時，存在強烈的振動沖擊脈沖。

(5)軸承配合松動時，頻譜圖中會出現2倍、3倍、4倍嚙合頻率的幅值。

(6)輔助設備存在故障時，頻譜圖中相對應特征頻率位置會出現幅值增加和邊頻帶。

2.故障分析

某船試航時，使用UT3204振動信號分析系統(tǒng)對左、右柴油機齒輪箱進行監(jiān)測，檢測結果如圖1、2所示，工況為輸入軸轉速810r/min。該型齒輪箱傳動比為3.583 3，一級主齒輪齒數為48齒，一級從動齒輪齒數為48齒，二級主齒輪齒數為24齒，二級從動齒輪齒數為86齒。

圖1 左齒輪箱二級主動齒輪橫向、縱向振動圖譜

圖2 右齒輪箱二級主動齒輪橫向、縱向振動圖譜

從振動頻譜圖可以看出右齒輪箱二級齒輪嚙合頻率325Hz及其2倍、3倍、4倍頻振動幅值逐漸增大，比照故障特征頻率，可以初步判定為軸承配合輕微松動；右齒輪箱在相同工況的振動頻譜圖中4 075～5 825Hz區(qū)間出現異常的振動。根據齒輪箱潤滑油泵滾動軸承型號計算出其滾動體故障特征頻率為4 460Hz，初步判定為油泵軸承存在故障隱患。經拆卸，發(fā)現二級主動齒輪軸承安裝間隙偏大、油泵軸承滾珠有2個已磨損。修復后，齒輪箱運行正常。

三、監(jiān)測診斷某柴油發(fā)電機組振動異常故障

某船機電設備1臺單列四缸四沖程柴油發(fā)電機組啟動后噪聲和振動比機艙內其他同型柴油發(fā)電機組大。已知發(fā)電機組轉速為1 500r/min，在額定工況下，采集發(fā)電機自由端垂直徑向、水平徑向和軸向3個方向的振動波形和頻譜信號，并對振動信號進行比較分析，采樣頻率為1 024Hz。采集的部分時域波形信號及其頻譜圖形如圖3、4、5所示。

圖3 發(fā)電機自由端垂直徑向振動頻譜波形圖

圖4 發(fā)電機自由端水平徑向振動頻譜波形圖

圖5 發(fā)電機自由端軸向振動頻譜波形圖

振動頻譜圖顯示發(fā)電機組徑向和軸向的2倍頻對應的振動幅值都非常突出，尤其以垂直徑向的2倍頻振幅最為明顯，而且存在有1倍頻和多倍頻等高頻成分。對于四缸四沖程柴油機，擾動力的主要來源是二次不平衡簡諧傾覆力矩和垂向二次不平衡往復慣性力。計算得到二次不平衡簡諧傾覆力矩和垂向二次不平衡往復慣性力的頻率為50Hz。由于存在柴油機50Hz頻率的影響，所以在垂直徑向方向上的頻譜2倍頻比其他方向上的2倍頻都要突出。波形信號具有明顯的周期性，近似為類正弦信號的疊加，沒有大的加速度沖擊現象。測量得到主要波形的周期為20ms，所對應頻譜的頻率50Hz。綜合采集到的信息分析，診斷此柴油發(fā)電機組存在的故障為轉子對中不良，致使聯(lián)軸器發(fā)生故障。停機后對機組聯(lián)軸器檢查發(fā)現聯(lián)軸器的連接螺栓已斷掉2只，其他螺栓也已經嚴重變形。檢查轉子對中情況發(fā)現不對中量嚴重超標。根據診斷意見及檢查結果，重新對柴油機和發(fā)電機找正對中，故障得到排除。

四、監(jiān)測診斷某電動機啟動噪聲過大故障

在對某船機電設備進行監(jiān)測過程中發(fā)現有1臺電動機啟動噪聲較大。發(fā)電機組轉速為1 485r/min，在額定工況下，采集發(fā)電機自由端垂直徑向、水平徑向和軸向的振動波形和頻譜信號，并進行比較分析，采樣頻率為1 024Hz。采集的部分時域波形信號及其頻譜圖形如圖6、7、8所示。

圖6 電動機輸出端垂直徑向振動頻譜波形圖

圖7 電動機輸出端水平徑向振動頻譜波形圖

圖8 電動機輸出端軸向振動頻譜波形圖

頻譜圖顯示電動機轉子徑向和軸向的工頻振動幅值比較突出，而且存在比較突出的2倍頻、3倍頻等高頻成分，徑向振動幅值大于軸向振動幅值。

為進一步分析故障原因，增加負荷后發(fā)現振動幅值明顯上升。波形顯示有40.13ms的沖擊脈沖，頻率為電動機轉子的工頻24.91Hz，徑向波形存在不對稱現象。

初步診斷主要故障為電動機輸出端軸承配合松動，對該軸承進行檢查，發(fā)現保持架孔磨大，存在跑外圈現象，外圈上已經有劃痕出現，內圈也存在有松動現象。由于滾動軸承徑向間隙變大，造成滾珠公轉速度存在差異，導致保持架孔磨損，使保持架產生徑向游動撞擊外圈，進一步加劇保持架磨損。

更換軸承后故障得以排除。