柴油機(jī)泵組振動(dòng)故障分析

冀 洵，何清林，晏 陽(yáng)

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司，北京 100097；2.上海船用柴油機(jī)研究所，上海 201108)

0 引 言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)包含了豐富的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，對(duì)這類振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣與分析是一種常用的設(shè)備故障診斷與監(jiān)測(cè)手段。信號(hào)或動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的處理與分析，是設(shè)備故障診斷的前提和基礎(chǔ)[1]。柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)是周期性的非平穩(wěn)信號(hào)，進(jìn)行傅里葉變換，可以得到振動(dòng)頻域信號(hào)。不同的頻率成分反映系統(tǒng)內(nèi)不同的振源，可以識(shí)別出柴油機(jī)的工作狀態(tài)是否健康，通過(guò)頻譜分析可以確定主要頻率成分及其幅值大小，從而找到振源，采取相應(yīng)的措施[2]。

本文針對(duì)某型柴油機(jī)泵組振動(dòng)故障，首先進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，利用振動(dòng)信號(hào)頻譜分析的方法，識(shí)別到故障特征頻率；其次通過(guò)峰值保持法（Peak-Hold）測(cè)試柴油機(jī)安裝底座固有頻率，對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，識(shí)別底座固有頻率，定位到故障部位[3]。最后，進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)，振動(dòng)故障得到解決。

1 泵組基本信息

該型柴油機(jī)泵組為應(yīng)急冷卻泵組，額定工況下保持出水壓力1.35 MPa，轉(zhuǎn)速1 500 r/min。該泵組由柴油機(jī)、液壓離合器、水泵組成，柴油機(jī)輸出端飛輪通過(guò)彈性聯(lián)軸器與液壓離合器輸入端連接，離合器輸出端與水泵輸入端通過(guò)中間支撐軸承連接。

該泵組柴油機(jī)剛性安裝在一個(gè)整體底座上，底座剛性固定在基礎(chǔ)上（地面），水泵及液壓離合器剛性固定在基礎(chǔ)平臺(tái)上，如圖1所示，泵組基本信息見(jiàn)表1。

圖1 泵組布置簡(jiǎn)圖Fig.1 Pump set layout

表1 泵組信息Tab.1 Pump set information

2 現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試

2.1 測(cè)試設(shè)備及測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試系統(tǒng)由三向加速度傳感器、LMS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析儀和筆記本電腦組成。加速度傳感器通過(guò)磁鐵安裝在柴油機(jī)各測(cè)點(diǎn)，泵組額定工況下采集振動(dòng)時(shí)域信號(hào)，通過(guò)軟件對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換FFT，得到振動(dòng)頻域信號(hào)以及振動(dòng)烈度。

振動(dòng)烈度測(cè)點(diǎn)共6個(gè)，其中機(jī)腳處4個(gè)，機(jī)體上2個(gè)。測(cè)試過(guò)程中，測(cè)量X，Y，Z三個(gè)方向的振動(dòng)烈度。

2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

通過(guò)柴油機(jī)振動(dòng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果反映出柴油機(jī)整體振動(dòng)較劇烈，振動(dòng)烈度有效值高達(dá)40.46 mm/s（見(jiàn)表2），遠(yuǎn)超GB/T 7184-2008的C級(jí)要求（小于28.2 mm/s），此狀態(tài)繼續(xù)工作會(huì)對(duì)柴油機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p壞。

表2 振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)（mm/s）Tab.2 Vibration measurement data

分析頻譜數(shù)據(jù)，X向振動(dòng)最大，Y向次之，Z向振動(dòng)最小。各測(cè)點(diǎn)X向和Y向頻譜數(shù)據(jù)中振動(dòng)能量最大的頻率均為25 Hz，如圖2和圖3所示。柴油機(jī)基頻為25 Hz，說(shuō)明柴油機(jī)發(fā)生了基頻振動(dòng)異常故障。

圖2 X向振動(dòng)頻譜圖Fig.2 X-direction vibration spectrum

圖3 Y向振動(dòng)頻譜圖Fig.3 Y-direction vibration spectrum

2.3 基頻振動(dòng)異常分析

往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)出現(xiàn)基頻振動(dòng)異常故障，往往存在幾種故障原因：1）對(duì)中不滿足要求，存在角度不對(duì)中、平行不對(duì)中或綜合不對(duì)中；2）機(jī)器的機(jī)腳緊固螺栓出現(xiàn)松動(dòng)；3）安裝底座剛度不足，發(fā)生共振[4]。

針對(duì)以上3種可能，逐一進(jìn)行確認(rèn)。

1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量柴油機(jī)對(duì)中，端面及圓周數(shù)據(jù)均在規(guī)范要求內(nèi)，無(wú)異常。

2）通過(guò)復(fù)查柴油機(jī)機(jī)腳螺栓，未出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。

3）驗(yàn)證底座是否存在共振。

歐陽(yáng)光耀[3]提出安裝基礎(chǔ)的強(qiáng)度，對(duì)柴油機(jī)各方向的振動(dòng)烈度有較大的影響，給出了分析思路和方法。

2.4 底座固有頻率測(cè)試

底座固有頻率測(cè)試采用峰值保持法（Peak-Hold），使用木樁敲擊底座，并在底座上放置加速度傳感器采集響應(yīng)信號(hào)。木樁激勵(lì)力屬于低頻激勵(lì)，當(dāng)激勵(lì)力頻率與底座的固有頻率相同時(shí)，底座發(fā)生共振，響應(yīng)頻譜中會(huì)出現(xiàn)明顯的幅值，該幅值下對(duì)應(yīng)的頻率為結(jié)構(gòu)的固有頻率[5]。

通過(guò)分析底座響應(yīng)頻譜圖（見(jiàn)圖4～圖7），識(shí)別到底座的X向和Y向，每次激勵(lì)發(fā)生后在25 Hz處都會(huì)出現(xiàn)較大的幅值。

圖4 X向背景噪聲Fig.4 X-direction background noise

圖5 激勵(lì)后X向響應(yīng)Fig.5 X-direction response after actuate

圖6 Y向背景噪聲Fig.6 Y-direction background noise

圖7 激勵(lì)后Y向響應(yīng)Fig.7 Y-direction response after actuate

底座固有頻率測(cè)試分析結(jié)果表明：

1）25 Hz是底座X向和Y向的一個(gè)固有頻率；

2）底座固有頻率與柴油機(jī)工作轉(zhuǎn)頻相同，發(fā)生共振；

3）針對(duì)此故障，在底座X向和Y向焊加強(qiáng)筋板，增強(qiáng)X向和Y向的剛度，提高固有頻率。

2.5 底座加強(qiáng)后振動(dòng)復(fù)測(cè)

按照上文2.1相同設(shè)置及測(cè)點(diǎn)布置，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行振動(dòng)復(fù)測(cè)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 底座加強(qiáng)后振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)（mm/s）Tab.3 Vibration measurement data of base support after strengthening

底座加強(qiáng)后，柴油機(jī)振動(dòng)得到有效改善，整機(jī)振動(dòng)烈度有效值為23.33 mm/s，滿足GB/T 7184-2008的C級(jí)要求。

如圖8和圖9所示，振動(dòng)頻譜圖中25 Hz處振動(dòng)幅值降低明顯，無(wú)異常，底座共振現(xiàn)象已消除。說(shuō)明通過(guò)對(duì)底座針對(duì)性的改進(jìn)，底座的固有頻率發(fā)生改變，避免了在柴油機(jī)正常轉(zhuǎn)頻激勵(lì)下的共振現(xiàn)象[5]。

圖8 底座加強(qiáng)前后X向25 Hz（基頻）振動(dòng)對(duì)比Fig.8 X direction 25 Hz ( fundamental frequency ) vibration contrast base before and after strengthening

圖9 底座加強(qiáng)前后Y向25 Hz（基頻）振動(dòng)對(duì)比Fig.9 Y direction 25 Hz ( fundamental frequency ) vibration contrast base before and after strengthening

3 故障原因總結(jié)

柴油機(jī)在工作過(guò)程中，將會(huì)產(chǎn)生與工作轉(zhuǎn)頻（即基頻）相同的激勵(lì)力并傳遞到安裝底座上[2]。如果底座結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，強(qiáng)度足夠，基頻振動(dòng)在頻譜圖上便是一個(gè)很小的數(shù)值；如果底座強(qiáng)度不足，在低頻區(qū)出現(xiàn)固有頻率，可能與轉(zhuǎn)頻接近而發(fā)生共振，造成危害[7-8]。

本文研究對(duì)象出現(xiàn)基頻振動(dòng)異常問(wèn)題，最終確認(rèn)底座固有頻率與柴油機(jī)工作轉(zhuǎn)頻一致，此時(shí)因?yàn)榧?lì)力頻率與底座固有頻率相同，發(fā)生共振，產(chǎn)生強(qiáng)大的振動(dòng)能量，所以頻譜圖中基頻出現(xiàn)異常的振動(dòng)，導(dǎo)致柴油機(jī)整體振動(dòng)劇烈。通過(guò)提高底座整體剛度，底座固有頻率增大，共振現(xiàn)象消除，振動(dòng)得到改善，滿足驗(yàn)收要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）柴油機(jī)出現(xiàn)異常振動(dòng)時(shí)，運(yùn)用頻譜分析的方法，能快速識(shí)別特征頻率，確認(rèn)故障特征。

2）底座強(qiáng)度弱，容易導(dǎo)致柴油機(jī)振動(dòng)過(guò)大，對(duì)柴油機(jī)的振動(dòng)烈度影響明顯。

3）柴油機(jī)底座發(fā)生共振現(xiàn)象，底座的剛度不足是原因之一，通過(guò)提高剛度，起到增大底座固有頻率的效果，可以消除共振。