船用柴油發(fā)電機(jī)軸承的早期缺陷監(jiān)測(cè)

陳 昕，吳善躍，王嘉志，呂 躋，奚銀華

（1.92957 部隊(duì)，浙江舟山 316000；2.91991 部隊(duì)，浙江舟山 316000）

0 引言

作為艦船電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，發(fā)電機(jī)對(duì)全船作戰(zhàn)、生活等系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著重要作用。一旦發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障，不僅會(huì)讓艦船瞬間失去戰(zhàn)斗力，還會(huì)造成船只各系統(tǒng)癱瘓的嚴(yán)重后果，因此，加強(qiáng)對(duì)艦船發(fā)電機(jī)的監(jiān)測(cè)、及早發(fā)現(xiàn)故障隱患是開展艦船裝備監(jiān)測(cè)工作的重要內(nèi)容。船用柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子一般通過其兩端的滾動(dòng)軸承支撐，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量大、轉(zhuǎn)速高，軸承出現(xiàn)早期缺陷后如未引起重視會(huì)致使缺陷進(jìn)一步擴(kuò)大直至軸承損壞，輕則導(dǎo)致發(fā)電機(jī)無法運(yùn)行，重則將會(huì)造成發(fā)電機(jī)整機(jī)報(bào)廢。因此，針對(duì)發(fā)電機(jī)軸承的早期缺陷監(jiān)測(cè)尤為重要。

當(dāng)滾動(dòng)軸承的缺陷處于早期階段時(shí)，缺陷處發(fā)出的沖擊信號(hào)跟常規(guī)振動(dòng)信號(hào)相比處于極低的量級(jí)，通過普通的振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法往往不能檢測(cè)出早期的缺陷，因此需要專門的技術(shù)手段對(duì)上述沖擊信號(hào)進(jìn)行處理以獲取軸承的故障特征數(shù)據(jù)。PeakVue 技術(shù)可以捕獲和保留這些真實(shí)的低能量周期性損壞信號(hào)，對(duì)故障位置和嚴(yán)重程度做出準(zhǔn)確的判斷。在對(duì)某船只發(fā)電機(jī)組實(shí)施振動(dòng)監(jiān)測(cè)的過程中，采用PeakVue 技術(shù)成功發(fā)現(xiàn)了一處發(fā)電機(jī)軸承早期缺陷。

1 PeakVue 技術(shù)基本原理

當(dāng)動(dòng)力載荷（沖擊載荷）作用于彈性物體時(shí)，在物體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力波。軸承的老化、摩擦或損壞，通常會(huì)使軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于金屬間的沖撞而產(chǎn)生應(yīng)力波。應(yīng)力波的發(fā)生是短時(shí)的，一般持續(xù)幾微秒到幾毫秒。這種初期的異常信號(hào)，能量一般很低，往往隱藏在振動(dòng)頻譜底層的背景能量當(dāng)中，通過常規(guī)振動(dòng)頻譜分析時(shí)無法發(fā)現(xiàn)。PeakVue 技術(shù)可以分離這些低能量的周期性損壞信號(hào)，并且可以捕獲和保留這些真實(shí)的沖擊信號(hào)，從而更準(zhǔn)確地顯示損壞根源和反映故障的嚴(yán)重程度。

工作時(shí)，PeakVue 首先使用固定的（約100 kHz）高頻采樣采集原始數(shù)據(jù)，并使用高通濾波器從振動(dòng)時(shí)域波形中分離出應(yīng)力波的脈沖信號(hào)，再經(jīng)過二次采樣等信號(hào)處理手段提取峰值，同時(shí)保留真實(shí)的脈沖幅值，得到PeakVue 時(shí)域波形，最后通過FFT快速傅里葉變換得到PeakVue 頻譜。PeakVue 技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程如圖1 所示[1-2]。

圖1 基于PeakVue 技術(shù)的故障檢測(cè)原理

2 某船發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與分析

2.1 柴油發(fā)電機(jī)組基本情況

某船只共有3 臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)型號(hào)為1FC5456-6TA92Z，由Z12V190BCD1-2 型柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)。發(fā)電機(jī)組功率500 kW，轉(zhuǎn)速1000 r/min。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端采用6324C3 軸承，工作時(shí)軸承外圈固定、內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，軸轉(zhuǎn)速為1000 r/min 時(shí)可得軸承故障特征頻率，內(nèi)圈故障頻率BPFI、外圈故障頻率BPFO、保持架故障頻率FTF 和滾動(dòng)體故障頻率BSF 分別為81.1 Hz、52.2 Hz、6.5 Hz 和36.6 Hz。

2.2 數(shù)據(jù)采集與分析

測(cè)點(diǎn)位于發(fā)電機(jī)輸入端和自由端的軸承位置對(duì)應(yīng)的箱體表面，每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別測(cè)量水平、垂向和軸向的振動(dòng)，在測(cè)量水平振動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行PeakVue 數(shù)據(jù)的采集。1 號(hào)～3 號(hào)發(fā)電機(jī)各測(cè)點(diǎn)方向的振動(dòng)速度有效值見表1。

表1 1 號(hào)～3 號(hào)發(fā)電機(jī)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度有效值

從表1 可以看出，3 臺(tái)發(fā)電機(jī)的振動(dòng)烈度沒有明顯的差異（2 號(hào)發(fā)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行）。參考GB/T 16301—2008《船舶機(jī)艙輔機(jī)振動(dòng)烈度的測(cè)量和評(píng)價(jià)》標(biāo)準(zhǔn)，這3 臺(tái)發(fā)電機(jī)振動(dòng)烈度評(píng)價(jià)均為優(yōu)良，并且各方向的振動(dòng)幅值也未見異常。但對(duì)PeakVue圖譜進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)1 號(hào)發(fā)電機(jī)自由端測(cè)點(diǎn)的PeakVue 頻譜圖上出現(xiàn)了52.48 Hz 及其多倍譜線，而發(fā)電機(jī)輸入端的PeakVue 頻譜圖上雖然也有52.48 Hz 譜線，但未出現(xiàn)多倍譜線，且幅值明顯小于自由端（圖2）。

圖2 1 號(hào)發(fā)電機(jī)PeakVue 頻譜圖

由于52.48 Hz 與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)頻（16.67 Hz）無關(guān)，同時(shí)又與6324C3 軸承的外圈故障頻率較吻合，因此懷疑1 號(hào)發(fā)電機(jī)自由端的軸承外圈存在缺陷。文獻(xiàn)[3]報(bào)告了一例采用PeakVue 技術(shù)診斷電機(jī)軸承故障，在外圈嚴(yán)重磨損的情況下PeakVue 幅值達(dá)到了11.46g。與之相比，該發(fā)電機(jī)自由端軸承的PeakVue 幅值僅為0.03g，可以認(rèn)為缺陷還處于早期狀態(tài)。

1 號(hào)發(fā)電機(jī)自由端各方向的普通振動(dòng)頻譜如圖3 所示?？梢钥闯觯l譜圖中振動(dòng)分量主要為8.33 Hz、16.67 Hz 及其倍頻，這些分量來自由柴油機(jī)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)和柴油機(jī)組軸旋轉(zhuǎn)引起的振動(dòng)。僅在垂直方向頻譜圖上能看到幅值極小的52.48 Hz分量，如果沒有結(jié)合PeakVue 圖譜則該頻率分量很難被發(fā)現(xiàn)。

圖3 1 號(hào)發(fā)電機(jī)自由端各方向普通振動(dòng)頻譜圖

2.3 修理后監(jiān)測(cè)情況

由于該船即將執(zhí)行遠(yuǎn)航任務(wù)，為此更換了1 號(hào)發(fā)電機(jī)自由端軸承，并再次對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。自由端測(cè)點(diǎn)的PeakVue頻譜如圖4 所示，可以看出52.48 Hz 譜線消失，未見其他異常譜線且PeakVue 幅值也顯著降低，故障隱患排除。

圖4 1 號(hào)發(fā)電機(jī)自由端軸承更換后PeakVue 頻譜圖

拆解軸承外圈后，可以看到外圈與滾動(dòng)體接觸的內(nèi)表面局部區(qū)域存在一系列平行的條形凹痕，類似“搓板”狀（圖5）。從缺陷形態(tài)來看，懷疑缺陷產(chǎn)生的原因是由于軸電流過大、擊穿了滾道與滾動(dòng)體間的油膜，引起電火花從而發(fā)生電蝕[4]。由于這些缺陷僅表現(xiàn)為極淺的凹痕，滾道表面沒有出現(xiàn)明顯的起伏，驗(yàn)證了缺陷還處于早期狀態(tài)。

圖5 故障軸承外圈缺陷

3 總結(jié)

發(fā)電機(jī)是保證艦船各系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，在艦船裝備監(jiān)測(cè)工作中應(yīng)重視對(duì)發(fā)電機(jī)特別是軸承部位的監(jiān)測(cè)，及早發(fā)現(xiàn)故障隱患，確保艦船能夠隨時(shí)保持戰(zhàn)斗力。

由于軸承早期缺陷引起的振動(dòng)能量很小，不僅在振動(dòng)總幅值方面體現(xiàn)不出與正常軸承的差別，而且在常規(guī)頻譜圖上也難以辨別故障特征頻率，因此通過常規(guī)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法往往不容易發(fā)現(xiàn)軸承早期缺陷。

PeakVue 技術(shù)可以捕獲和保留這些真實(shí)的沖擊信號(hào)，通過FFT 快速傅里葉變換得到PeakVue 頻譜，在頻譜圖上顯示軸承故障特征頻率及其幅值，從而能夠更加準(zhǔn)確地查找故障部位和反應(yīng)故障的嚴(yán)重程度。