某型柴油機(jī)振動(dòng)異常檢測(cè)與排查

王光同 黃映云 劉亞峰 張瑞波

(海軍工程大學(xué))

1 引言

振動(dòng)問(wèn)題普遍存在于工業(yè)生產(chǎn)和工程的各個(gè)領(lǐng)域，在柴油機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，振動(dòng)問(wèn)題不僅會(huì)降低柴油機(jī)的性能，還可能會(huì)造成一些惡性事故。隨著使用年限的增加，某型柴油發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)問(wèn)題也越來(lái)越突出，個(gè)別柴油機(jī)振動(dòng)異常強(qiáng)烈，已嚴(yán)重影響了正常工作，以1號(hào)柴油機(jī)組為例，主要問(wèn)題體現(xiàn)在該柴油機(jī)組多次振斷 (裂)管路，甚至將機(jī)腳螺栓振斷。由于柴油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，振源多，主要包括壓力、進(jìn)排氣門開(kāi)啟和落座沖擊、活塞對(duì)缸壁的撞擊等，它們將激起柴油機(jī)系統(tǒng)在各自的固有頻率上作弱阻尼衰減振動(dòng)〔1〕。某一零件出現(xiàn)故障常常被其它零部件運(yùn)行中的振動(dòng)信號(hào)和大量的隨機(jī)噪聲所淹沒(méi)，所以依靠單一方法很難查找到振動(dòng)異常的真正原因，為此我們結(jié)合柴油機(jī)檢測(cè)常用方法，并利用振動(dòng)信號(hào)分析法〔2〕對(duì)該1號(hào)柴油機(jī)組進(jìn)行多方面的測(cè)試，同時(shí)對(duì)正常工作狀態(tài)的2號(hào)柴油機(jī)組進(jìn)行測(cè)試作為對(duì)比。

2 故障檢測(cè)

該型柴油發(fā)電機(jī)隨著使用年限增加，振動(dòng)問(wèn)題日漸突出，針對(duì)其暴露的問(wèn)題，研究人員主要從排溫及爆壓、瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)烈度、機(jī)體振動(dòng)、調(diào)速器振動(dòng)、靜態(tài)管路模態(tài)等方面進(jìn)行檢測(cè)與分析。

2.1 排溫及爆壓測(cè)試分析

使用機(jī)組自帶各缸排溫巡檢監(jiān)控表和爆壓檢查表對(duì)兩臺(tái)機(jī)組的排氣溫度以及燃燒壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試和分析，判定柴油發(fā)電機(jī)組的工作性能及各缸工作均勻性。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)可知，各機(jī)組氣缸排氣溫度均小于技術(shù)指標(biāo)，滿足技術(shù)要求;除空車及低負(fù)荷外，在接近額定負(fù)荷工況下，各氣缸排氣溫差均在正常范圍內(nèi)。爆壓測(cè)試數(shù)據(jù)表明，1號(hào)機(jī)組爆壓均勻性較差，2號(hào)機(jī)組在正常范圍內(nèi)，爆壓均勻性差可能與供油不均、油頭滴油、供油定時(shí)不合適有關(guān)，后期排查時(shí)應(yīng)對(duì)燃油系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)校驗(yàn)，從測(cè)量結(jié)果來(lái)看各缸排溫及爆壓的均勻性與機(jī)組振動(dòng)關(guān)系不十分明顯。

2.2 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)試分析

曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)中蘊(yùn)含著豐富的柴油機(jī)工作狀態(tài)信息，影響柴油機(jī)工作過(guò)程的許多重要參數(shù)都可以通過(guò)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速反映出來(lái)，是柴油機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)指標(biāo)〔3〕，分析瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)可以得到其運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)故障的信息。測(cè)試通過(guò)手持式采集器采集信號(hào)，從專用分析軟件進(jìn)行分析得出的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅值可以看出兩機(jī)組的轉(zhuǎn)速波動(dòng)都很小，表明其工作的平順性較好，各缸工作的不均勻性不是引起機(jī)組振動(dòng)過(guò)大的主要原因。

由瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的主要頻率階次成分分布和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速頻譜分析圖可以看出，振動(dòng)最小的2號(hào)機(jī)組其頻譜呈規(guī)則的隨轉(zhuǎn)速階次的增高而逐漸減小的趨勢(shì)，1號(hào)機(jī)組第一階頻率處的幅值與其它階相比比較突出，因此該機(jī)組軸系有可能與機(jī)組振動(dòng)過(guò)大有關(guān)。

2.3 振動(dòng)烈度測(cè)試分析

振動(dòng)烈度的測(cè)試共布置測(cè)點(diǎn)7個(gè)，主要分布在機(jī)體右側(cè)面，每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行三個(gè)方向測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，1號(hào)機(jī)組振動(dòng)烈度評(píng)級(jí)為振C級(jí)，2號(hào)機(jī)組處于B級(jí)。作為對(duì)比分析的2號(hào)機(jī)組不僅振動(dòng)烈度最小，各測(cè)點(diǎn)的頻譜結(jié)構(gòu)中線譜特征不突出，且無(wú)固定頻率結(jié)構(gòu)成分，在大負(fù)荷下振動(dòng)烈度低于12mm/s，而1號(hào)機(jī)組其振動(dòng)烈度最大，在大負(fù)荷下振動(dòng)烈度超過(guò)25mm/s，柴油機(jī)上部測(cè)點(diǎn)振動(dòng)明顯大于下部，且在機(jī)組橫軸線方向垂直的水平方向上異常大，速度有效值最大超過(guò)35 mm/s。測(cè)點(diǎn)頻率線譜特征突出，各測(cè)點(diǎn)各方向頻率突出成分接近。

2.4 柴油機(jī)機(jī)體振動(dòng)測(cè)試分析

由振動(dòng)烈度的測(cè)試可以看出1號(hào)機(jī)組異常振動(dòng)比較嚴(yán)重，為找出振動(dòng)異常的準(zhǔn)確位置，在測(cè)試振動(dòng)烈度七個(gè)測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上再增加三個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別是機(jī)體自由端齒輪傳動(dòng)及軸系減振器右側(cè)、齒輪傳動(dòng)左側(cè)和軸系減振器左側(cè)。通過(guò)上述測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度的測(cè)量結(jié)果可以看出，作為振動(dòng)正常的機(jī)組，2號(hào)機(jī)組各測(cè)點(diǎn)沒(méi)有明顯的與轉(zhuǎn)速倍頻相關(guān)的線譜頻率成分出現(xiàn)，而1號(hào)機(jī)組在各運(yùn)行轉(zhuǎn)速、工況下均出現(xiàn)明顯的與轉(zhuǎn)速倍頻相關(guān)的線譜成分。

2.5 調(diào)速器振動(dòng)測(cè)試分析

由于1號(hào)機(jī)組調(diào)速器目測(cè)振動(dòng)幅值較大，對(duì)其進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)量。根據(jù)測(cè)試譜圖可以看出，1號(hào)機(jī)組振動(dòng)明顯劇烈，加速度總值超過(guò)80m/s2，對(duì)其穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生一定影響 (見(jiàn)圖1)，作為對(duì)比，2號(hào)機(jī)組譜圖中基本沒(méi)有低頻線譜存在。

圖1 1號(hào)機(jī)組額定轉(zhuǎn)速時(shí)調(diào)速器振動(dòng)加速度

2.6 柴油機(jī)管路靜態(tài)測(cè)試分析

本測(cè)試的目的是測(cè)量柴油機(jī)主要管路及振動(dòng)較大管路的共振頻率、彈性軟管的傳遞特性，以摸排管路是否與柴油機(jī)運(yùn)行發(fā)生共振、管路最低共振頻率、以及彈性軟管的振動(dòng)衰減等情況。采用靜態(tài)錘擊法進(jìn)行測(cè)試，即機(jī)組處于完全停機(jī) (靜止)狀態(tài)，用ICP力錘激勵(lì)管路，用加速度傳感器測(cè)量管路的響應(yīng)，同時(shí)記錄激勵(lì)力和加速度信號(hào)，分析力與加速度響應(yīng)的傳遞特性和加速度響應(yīng)特性。測(cè)點(diǎn)布置在柴油機(jī)主要管路，儀器采用ICP力錘、測(cè)試分析儀及加速度傳感器，分析頻率1kHz。力錘信號(hào)觸發(fā)，4次平均。測(cè)試結(jié)果顯示1號(hào)機(jī)組滑油管通閥管路支撐太弱，且第1階、第2階位于額定轉(zhuǎn)速倍頻附近，極易引發(fā)強(qiáng)共振，1號(hào)機(jī)組調(diào)速器結(jié)構(gòu)靜態(tài)測(cè)試頻譜顯示其首階模態(tài)頻率在額定轉(zhuǎn)速倍頻附近。由于前述兩部位位于柴油機(jī)自由端中、上部，頻率接近，實(shí)測(cè)振動(dòng)表現(xiàn)強(qiáng)烈，因此必須加以重視。

3 綜合分析

根據(jù)排溫及爆壓、瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)烈度、機(jī)體振動(dòng)、調(diào)速器振動(dòng)、靜態(tài)管路模態(tài)等測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，以及與參照對(duì)象的比對(duì)，可以綜合判斷，1號(hào)機(jī)組柴油機(jī)振動(dòng)異常的主要原因是與曲軸相關(guān)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件異常導(dǎo)致，初步判斷為柴油機(jī)曲軸軸瓦異常、曲軸減振器銷柱磨損過(guò)大。

4 故障排查

針對(duì)上述測(cè)試結(jié)果，具體的排查工程主要包括以下幾個(gè)方面:

(1)檢查擺式減振器擺銷與襯套的尺寸及配合間隙、磨損情況。

同樣是指數(shù)函數(shù)的概念理解而設(shè)計(jì)的問(wèn)題，問(wèn)題的難度稍有不同，即使同一個(gè)問(wèn)題，要求也具有層次性，滿足不同學(xué)生學(xué)習(xí)和發(fā)展的需要，從而提高問(wèn)題的有效性，也提高課堂的有效性.

拆檢發(fā)現(xiàn)擺式減振器一處襯套與擺銷配合處出現(xiàn)明顯磨損。同時(shí)發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)擺塊上2只襯套橢圓度超差。通過(guò)換新、調(diào)整安裝角度等辦法對(duì)此進(jìn)行了修復(fù)。

(2)擺式減振器相對(duì)擺塊進(jìn)行稱重調(diào)整及外形尺寸復(fù)核。

擺式減振器相對(duì)擺塊進(jìn)行稱重檢查，外形尺寸復(fù)核未見(jiàn)異常。但是有三對(duì)相對(duì)擺塊重量差達(dá)到100克以上，可見(jiàn)擺式減振器相對(duì)擺塊重量超差嚴(yán)重。對(duì)此，采取了重新選換蓋板或在蓋板相應(yīng)位置去除部分重量等措施進(jìn)行了修復(fù)。

(3)檢查曲軸各平衡塊、軸承座的緊固情況本項(xiàng)檢查未見(jiàn)異常。

(4)檢查全部主軸承情況。

檢查發(fā)現(xiàn)，第2道主軸承上、下軸瓦有3道超過(guò)修理標(biāo)準(zhǔn)的明顯劃痕、第6道主軸承下軸瓦有5mm長(zhǎng)的裂紋。對(duì)此工程上采取了更換左柴油機(jī)損壞的第2道上、下軸瓦和第6道下軸瓦，對(duì)劃痕較多的第2、4、6道主軸頸采用砂布和滑油拋光銳邊處理等措施。

5 排查前后對(duì)比

根據(jù)機(jī)組異常振動(dòng)的不同原因和工程實(shí)施內(nèi)容，工程實(shí)施完工后對(duì)機(jī)組進(jìn)行了測(cè)量評(píng)價(jià)，以判斷其異常振動(dòng)的排查效果。

(1)爆壓及排溫

經(jīng)測(cè)量，排查后各缸爆壓及排溫均在正常范圍，其中各缸排溫溫差不超過(guò)25℃，爆壓相差不超過(guò)1MPa。

(2)振動(dòng)烈度

排查前為容忍工作狀態(tài);排查后為正常工作狀態(tài)，排查后柴油機(jī)振動(dòng)狀態(tài)有很大改善，與其它機(jī)組相比，已達(dá)到較好工作狀態(tài)。排查前測(cè)點(diǎn)速度超過(guò)35mm/s，特別是在機(jī)體飛輪端頂部和集體自由端頂部振動(dòng)很大，經(jīng)過(guò)排查后振動(dòng)烈度達(dá)到A級(jí)。

(3)機(jī)體振動(dòng)加速度

排查前后柴油機(jī)機(jī)體振動(dòng)加速度測(cè)試數(shù)據(jù)表明，排查后機(jī)體振動(dòng)加速度明顯減小，除機(jī)體自由端頂部測(cè)點(diǎn)以外，其它都小于11m/s2，總體呈現(xiàn)正常振動(dòng)狀態(tài)。

6 結(jié)論

1號(hào)機(jī)組排查后柴油機(jī)振動(dòng)狀態(tài)改善明顯，振動(dòng)烈度由容忍工作狀態(tài)改善為正常工作狀態(tài)，振動(dòng)加速度也下降明顯，已達(dá)到較好工作狀態(tài)，因此，基于振動(dòng)信號(hào)分析法并且結(jié)合柴油機(jī)常規(guī)技術(shù)指標(biāo)的測(cè)量，對(duì)柴油機(jī)的故障診斷和排查具有實(shí)用價(jià)值。

〔1〕柯維，張永祥，郭彬.柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)二階循環(huán)平穩(wěn)特性分析〔J〕.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào) (交通科學(xué)與工程版)，2012，36(2):328－331.

〔2〕李敏通.柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)特征提取與故障診斷方法研究〔D〕.陜西:楊凌，2012.

〔3〕劉鵬.TBD620柴油機(jī)動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)與配氣機(jī)構(gòu)耦合動(dòng)力學(xué)特性研究〔D〕.武漢:海軍工程大學(xué)，2011.