基于振動分析的船舶旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷研究

朱 煜，熊小虎

(1.南通中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司,江蘇 南通 226006；2.江蘇大洋海洋裝備有限公司，江蘇 泰州 225300)

基于振動分析的船舶旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷研究

朱 煜1，熊小虎2

(1.南通中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司,江蘇 南通 226006；2.江蘇大洋海洋裝備有限公司，江蘇 泰州 225300)

利用德國VIBXPERT-II振動檢測分析儀對正常狀態(tài)和不同故障狀態(tài)下離心泵機(jī)組的軸向和徑向振動情況進(jìn)行試驗測量和數(shù)據(jù)分析，獲得了正常狀態(tài)和故障狀態(tài)的時域圖和頻譜圖，驗證了基于振動分析方法的有效性。該方法為船舶旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷提供了一個思路，對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的主動維修具有一定的指導(dǎo)意義。

振動分析；旋轉(zhuǎn)機(jī)械；離心泵；故障診斷

0 引言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械是指通過內(nèi)部零部件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動完成相關(guān)功能的機(jī)器設(shè)備[1]，是船舶機(jī)械的重要組成部分。典型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械有汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、離心式壓縮機(jī)、離心泵等。船舶旋轉(zhuǎn)機(jī)械能否經(jīng)常性處于良好狀態(tài)，對船舶的正常操縱及船員的正常工作、生活有著重要的影響。

船舶旋轉(zhuǎn)機(jī)械的典型故障包括不平衡、轉(zhuǎn)子彎曲、大徑向載荷與彎曲、摩擦松動、裂紋和喘振等[2]。

目前，國內(nèi)外專家研究出多種故障診斷的方法[3-4]，如基于溫度、壓力、振動和油樣分析等故障診斷方法，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方面做了大量工作，總結(jié)了旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障機(jī)理，可作為設(shè)備監(jiān)測和故障診斷的重要依據(jù)。

本文采用振動分析的方法，在分析船舶旋轉(zhuǎn)機(jī)械的典型故障及其機(jī)理的基礎(chǔ)上，選擇典型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械——離心泵作為研究對象，設(shè)計離心泵的振動測試平臺，將離心泵機(jī)組在正常狀態(tài)下的振動測試數(shù)據(jù)和3種故障狀態(tài)下的測試數(shù)據(jù)分別進(jìn)行比對，分析在不同的故障狀態(tài)下，離心泵軸向和徑向的振動情況會有何種變化。這為下一步研制船舶離心泵故障診斷裝置奠定基礎(chǔ)，同時可推廣至齒輪泵、通風(fēng)機(jī)、汽輪機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械。

1 試驗設(shè)計

1.1 測試設(shè)備

1.1.1 離心泵機(jī)組及測試平臺

離心泵機(jī)組采用SY50-32-160 BS型單級單吸式離心泵，泵與電動機(jī)裝于同一底座上，共同安裝于測試臺上，如圖1所示。

圖1 離心泵機(jī)組及測試平臺

1.1.2 振動檢測分析儀

項目中使用的振動檢測分析儀為德國VIBXPERT-Ⅱ振動分析儀。VIBXPERT-II振動分析儀采用最新一代的處理器技術(shù)，主頻達(dá)到806 MHz，路徑式數(shù)據(jù)采集，振動診斷，單平面或雙平面現(xiàn)場動平衡，使用機(jī)器模版進(jìn)行驗收測試、故障排除、多功能儀、數(shù)據(jù)記錄、目測檢查和打印測試報告。VIBXPERT-Ⅱ振動分析儀可以分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械的各種常見故障，如不平衡、不對中、軸彎曲、松動、齒輪嚙合、斷齒、氣蝕、地基問題、軸承問題等；可測試機(jī)械的振動(速度、加速度、位移)、 電流、 電壓(AC/DC)、沖擊脈沖(滾動軸承狀況)、 溫度、轉(zhuǎn)速等。

1.2 振動測試位置設(shè)計

利用振動檢測分析儀對離心泵機(jī)組正常及3種故障狀態(tài)下的振動參數(shù)進(jìn)行檢測，包括振動速度、振動加速度、振幅。振動測試主要測試其軸向和徑向2個方位的振動情況。測試時，設(shè)軸向測點(diǎn)為測點(diǎn)1，徑向測點(diǎn)為測點(diǎn)2，其檢測位置分別見圖2和圖3。

圖2 軸向檢測位置(測點(diǎn)1)

圖3 徑向檢測位置(測點(diǎn)2)

1.3 實測過程

1.3.1 啟動泵組并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集

啟動離心泵機(jī)組，對離心泵正常工作狀態(tài)下的振動信號進(jìn)行檢測和數(shù)據(jù)采集。

1.3.2 設(shè)置故障

結(jié)合實驗室現(xiàn)有條件，在離心泵典型振動故障問題中，提取可進(jìn)行實驗測試的3種故障類型進(jìn)行模擬實驗。設(shè)置的故障如下。

(1)機(jī)組與平臺之間的地腳螺栓松動。 (2)電動機(jī)軸與泵軸不對中。

(3)葉輪被氣蝕損壞。

1.3.3 測試故障狀態(tài)下振動情況

(1)將離心泵與泵組平臺之間的固定螺栓擰松，啟動離心泵機(jī)組，對離心泵振動信號進(jìn)行檢測和數(shù)據(jù)采集。

(2)對離心泵泵軸和電動機(jī)軸進(jìn)行不對中處理，啟動離心泵機(jī)組，對離心泵振動信號進(jìn)行檢測和數(shù)據(jù)采集。

(3)將離心泵機(jī)組拆解開，對離心泵葉輪進(jìn)行人為損壞，損壞模式參照氣蝕損害。啟動離心泵機(jī)組，對離心泵振動信號進(jìn)行檢測和數(shù)據(jù)采集。

2 結(jié)果分析

2.1 正常水泵運(yùn)行的振動信號

選取正常離心泵穩(wěn)定運(yùn)行振動信號繪制出2個測點(diǎn)的X、Y方向的振動信號波形圖，分別如圖4、圖5所示。由圖4可以看出，由于測點(diǎn)1臨近泵固定點(diǎn)，振動幅度更小，更平穩(wěn)。

2.1.1 測點(diǎn)1的振動信號

測點(diǎn)1的測試結(jié)果如圖4所示。圖中，a1～a3分別繪制了振動信號的加速度、速度和位移的時域圖；b1～b3以頻率為橫坐標(biāo)，分別繪制了振動信號的加速度、速度和位移的頻譜圖。

2.1.2 測點(diǎn)2的振動信號

測點(diǎn)2的測試結(jié)果如圖5所示。圖中，c1～c3以時間為橫坐標(biāo)，分別繪制了振動信號的加速度、速度和位移的時域圖；d1～d3以頻率為橫坐標(biāo)，分別繪制了振動信號的加速度、速度和位移的頻譜圖。

圖4 正常狀態(tài)下離心泵的振動圖(測點(diǎn)1)

2.2 地腳松動故障的振動信號

選取地腳松動離心泵振動信號繪制出測點(diǎn)1的振動信號波形圖，如圖6所示。圖中，e1～e3以時間為橫坐標(biāo)，分別繪制了加速度、速度和位移的時域圖；f1～f3以頻率為橫坐標(biāo)，分別繪制了加速度、速度和位移的頻譜圖。

與正常狀態(tài)下的振動信號(圖4)對比，圖a1和圖e1比較，加速度幅值增加了約50%；在95 Hz的振動顯著加劇，說明地腳松動對中間頻的振動影響較大。這是由于振動幅值由激振力和機(jī)械阻抗共同決定的，松動使連接剛度下降。地腳松動狀態(tài)下連接松動故障的振動特如下。

(1)軸心軌跡混亂，重心飄移。

(2)松動方向的振幅大。

圖5 正常狀態(tài)下離心泵的振動圖(測點(diǎn)2)

圖6 地腳松動故障下離心泵的振動圖(測點(diǎn)1)

2.3 葉輪氣蝕狀態(tài)下故障的振動信號

選取葉輪氣蝕狀態(tài)下離心泵振動信號繪制出測點(diǎn)1的振動信號波形圖，如圖7所示。圖中，g1～g3以時間為橫坐標(biāo)，分別繪制了加速度、速度和位移的時域圖；h1～h3以頻率為橫坐標(biāo)，分別繪制了加速度、速度和位移的頻譜圖。

與圖4對比可知，葉輪氣蝕狀態(tài)下的振動信號與正常狀態(tài)的振動信號差異較大。時域信號上，加速度和速度的幅值為正常狀態(tài)下的2倍左右；頻域信號上，振動信號主要存在50、100、150、200 Hz等頻率，并且對應(yīng)的幅值變大。同時，圖b1和圖h1比較，195 Hz時的振動顯著加劇，說明葉輪氣蝕對高頻的振動影響較大。這是由于氣蝕的發(fā)生和發(fā)展，伴隨著氣流激振力外部刺激的增強(qiáng)，造成多倍頻對應(yīng)的幅值增大。同時從實驗現(xiàn)場噪聲也明顯感受到氣蝕故障的發(fā)生和發(fā)展，觀測者在試驗現(xiàn)場可以聽到轟鳴的噪聲和明顯的振感。

2.4 軸線不對中故障的振動信號

選取軸線不對中故障離心泵振動信號繪制出測點(diǎn)2的振動信號波形圖，如圖8所示。圖中，i1～i3以時間為橫坐標(biāo)，分別繪制了加速度、速度和位移的時域圖；j1～j3以頻率為橫坐標(biāo)，分別繪制了振動信號的加速度、速度和位移的頻譜圖。

圖j1和圖b1對比發(fā)現(xiàn)，在頻域信號上振動幅值在50、100、150、200 Hz等頻率對應(yīng)的幅值急劇增加，約為正常狀態(tài)加速度值的4倍。這是由于兩半聯(lián)軸節(jié)存在不對中，因而產(chǎn)生了附加的彎曲力。由于轉(zhuǎn)動，這個附加彎曲力的方向和作用點(diǎn)也被強(qiáng)迫發(fā)生改變，從而激發(fā)出轉(zhuǎn)頻的2倍、4倍等偶數(shù)倍頻的振動。與正常狀態(tài)下的振動信號(圖5)對比可知，時域波形在2倍頻的峰值顯著增大；頻譜特征主要表現(xiàn)為徑向2倍頻、4倍頻振動成分。

圖7 葉輪氣蝕狀態(tài)下離心泵的振動圖(測點(diǎn)1)

圖8 軸線不對中狀態(tài)下離心泵的振動圖(測點(diǎn)2)

3 結(jié)語

在實驗室現(xiàn)有條件下，對離心泵振動測試機(jī)組設(shè)置了3種典型振動故障，包括：地腳螺栓松動、泵軸不對中、模擬葉輪氣蝕損壞。利用振動檢測分析儀對離心泵正常狀態(tài)下的檢測點(diǎn)1和檢測點(diǎn)2進(jìn)行了振動速度、加速度和位移量的檢測，獲得了對應(yīng)的振動速度、加速度及位移量時域圖和頻譜圖；之后分別對3種故障狀態(tài)下檢測點(diǎn)1和檢測點(diǎn)2的振動速度、加速度和位移量進(jìn)行了檢測，分別得到對應(yīng)的時域圖和頻譜圖。將正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下同一檢測點(diǎn)的對應(yīng)時域圖或頻譜圖進(jìn)行比對發(fā)現(xiàn)：不同故障類型狀態(tài)下，其時域圖和頻譜圖的表現(xiàn)形式各有差異，通過分析這些差異特點(diǎn)，可推斷出離心泵的故障類型。這說明基于振動監(jiān)測分析技術(shù)應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷上是可行的。同時建議下一步在振動分析試驗的基礎(chǔ)上，研制便攜式船舶旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷裝置。該故障診斷裝置在振動采集分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家分析系統(tǒng)，給出故障的類型、部位等信息，這對船舶旋轉(zhuǎn)機(jī)械的主動維修具有重要的意義。

[1] 楊建剛.旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動分析與工程應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社，2007.

[2] 楊世錫，尚小林，柳亦兵，等.大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷研究進(jìn)展[J].振動測試與診斷，2015(2)：1-8.

[3] 譚巨興，張清華，王欽若，等.旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備智能故障診斷方法的研究[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2016(1)：36-38.

[4] 向玲，唐貴基，胡愛軍.旋轉(zhuǎn)機(jī)械非平穩(wěn)振動信號的時頻分析比較[J].振動與沖擊，2015,29(2):42-45.

2016-06-23

朱煜(1983—)，男，助理工程師，從事船舶建造及修理工作；熊小虎(1981—)，男，助理工程師，從事船舶與海洋工程總體設(shè)計。

U672.7

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