船舶電機故障振動特性及快速診斷方法應(yīng)用研究

孫宇鵬，薛小明，徐煜

（1.91184部隊，山東 青島 266000；2.92896部隊；3.遼南船廠，遼寧 大連 116041）

船舶電機是重要的船舶動力及輔助設(shè)備，電機的正常工作是船舶正常航行的重要保障。電機在使用過程中無論是正常的工作狀態(tài)還是發(fā)生故障時，都會產(chǎn)生振動。振動作為電機的固有特性，是反映電機運行狀態(tài)的重要信號，從電機振動特性入手去分析電機運行狀態(tài)，為快速診斷電機故障提供了有效手段。頻譜分析技術(shù)可以根據(jù)電機振動特征確定故障位置，達到快速診斷定位的目的。

1 振動頻譜分析識別技術(shù)

振動頻譜分析是對采集的時域信號進行Fourier變換將其轉(zhuǎn)化為頻域信號，F(xiàn)ourier變換是一種常用的信號分析與處理方法，電機振動產(chǎn)生平穩(wěn)信號可以利用Fourier變換和分析。頻譜分析法就是通過Fourier變換將時域信號x（t）變換為頻域信號X（f），反應(yīng)出振動的頻譜特征，時域信號x（t）的傅氏變換為：

式中，X（f）為頻域信號，X（t）為時域信號，f為頻率。

正常情況下，在采集設(shè)備振動數(shù)據(jù)時，應(yīng)按要求選擇合適的測量儀器和測量位置。測量時應(yīng)設(shè)置頻譜的頻帶寬，一般是在2kHz左右，根據(jù)電轉(zhuǎn)速適當調(diào)整。數(shù)據(jù)采集儀應(yīng)具備10～1000Hz的通頻響應(yīng)范圍，在測量轉(zhuǎn)速接近或低于600r/min的機器時通頻響應(yīng)范圍下限應(yīng)小超過2Hz。測點應(yīng)位于每個軸承蓋或軸承座二個相互正交的徑向位置。當電機水平安裝時，應(yīng)放在垂直和水平方向；當垂直或傾斜安裝時，應(yīng)選擇可以得到最大的振動測量值位置作為測點。測量過程應(yīng)采取有效途徑盡量提高靈敏度，減少環(huán)境因素對測量的影響。

2 船舶電機典型故障頻率及特征

（1）定子電磁振動。當電機工作時，轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，在磁場環(huán)境的作用下，定子受到一個周期性旋轉(zhuǎn)力的作用，而發(fā)生周期性的變形并產(chǎn)生振動。定子電磁振動故障主要原因有：定子三相磁場不對稱、定子的鐵心和定子的線圈松動、電動機座固定螺栓松動。定子電磁振動的頻率為電源頻率的2倍，斷電后振動即消失。

（2）靜、動態(tài)氣隙不均勻。氣隙不均勻可導致噪聲、振動等故障，分為靜態(tài)不均勻和動態(tài)的不均勻；它們引起的電磁振動特征不完全相同，靜態(tài)氣隙不均勻產(chǎn)電磁振動頻率是電源頻率f0的2倍，即f=2f0；氣隙動態(tài)不均勻產(chǎn)生電磁振動頻率伴有2f0和轉(zhuǎn)子工作頻率fr，使電機產(chǎn)生與脈動節(jié)拍相同的電磁噪聲。

（3）轉(zhuǎn)子不平衡。電機轉(zhuǎn)子失衡原因有下列幾種：轉(zhuǎn)子組件脫落、位移，轉(zhuǎn)子因絕緣收縮發(fā)生的線圈位移、松動，聯(lián)軸節(jié)不平衡，轉(zhuǎn)子表面和冷卻風扇存在積垢等，高速電動機對以上因素對最為敏感。轉(zhuǎn)子不平衡時振動頻率和轉(zhuǎn)速頻率相等、振動幅值隨轉(zhuǎn)速增高而增大，和電機是否負載無關(guān)，振動幅值徑向遠大于軸向。

（4）轉(zhuǎn)子軸彎曲。轉(zhuǎn)子軸彎曲是由于原始制造存在偏差、保存不當、環(huán)境熱不穩(wěn)定等原因產(chǎn)生。主導頻譜為fr，并常伴有2fr及高次諧波，振動值徑向和橫向都較大。

（5）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸裂紋。因為軸肩部位應(yīng)力集中，軸肩與振型節(jié)點重合，容易造成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸裂紋。主導頻譜為2fr、3fr 等高次諧波，常伴有fr徑向振動，相位變化不規(guī)則。

（6）滾動軸承。滾動軸承其滾動元件的幾何尺寸決定了其特征頻率，滾動軸承規(guī)格不同，其特征頻率不同。當滾動軸承加工和裝配不良、負載過重、潤滑不良等因素造成軸承出現(xiàn)故障時，可以測量出其不同部位損壞的特征頻率。

（7）軸承不對中。主導頻譜為1fr，2fr常伴有3fr；振動方向表現(xiàn)為徑向與軸向；軸承與聯(lián)軸器相臨部位振動大；振動隨負荷增加而增大。徑熱膨脹量不足，存在較大對中值誤差；基礎(chǔ)沉降不勻，對中質(zhì)量較差；環(huán)境溫度變化大、機器熱變形不同等。

（8）機殼扭曲。結(jié)構(gòu)不合理或制造時應(yīng)力消除不夠；機殼熱膨脹限制不當；基礎(chǔ)底板地腳不平等。主導頻譜為2f0，常伴有fr緊固地腳螺栓振動變大，松開降低，以水平向表現(xiàn)較明顯。

3 頻譜分析法的應(yīng)用

在工廠對某艇的修理過程中，針對艇上的電機進行了修后振動臺架試驗，在試驗中，發(fā)現(xiàn)其中某型號的一臺冷媒水泵電機的振動超標。其機腳加速度振級明顯超出正常值，如果僅分析電機振動的時域信號無法判斷電機故障位置。且由于工期要求很緊，沒有足夠的時間對電機進行分解檢驗。需要快速判斷并排除故障點。于是，利用測量系統(tǒng)中的振動頻譜分析功能，對采集的電機振動數(shù)據(jù)進行Fourier變換，得到頻率-幅值曲線。圖1為電機臺架試驗振動頻譜圖。

圖1 電機臺架試驗振動頻譜圖

測量電機轉(zhuǎn)速為2980r/min,從振動頻譜圖可以明顯看到，在6倍電機轉(zhuǎn)動基頻、8倍電機轉(zhuǎn)動基頻、9倍電機轉(zhuǎn)動基頻位置振動幅值異常。而在2倍頻左右的幅值明顯很低，可以排除定子機座的電磁振動引起的振動和由定子與轉(zhuǎn)子氣隙不均引起的振動，而且也沒有出現(xiàn)高頻的軸承故障頻率特征，可以初步判定，是轉(zhuǎn)子故障。

判斷出故障可能原因后，對電機進行拆卸修理，著重對電機的轉(zhuǎn)子進行檢查。檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子動平衡超差，且已不能修復(fù)。對新更換的轉(zhuǎn)子進行動平衡試驗，為避免拆卸對軸承造成的損傷，同時更換了轉(zhuǎn)子兩端的軸承。安裝調(diào)試后，再次對該冷媒水泵電機進行臺架試驗，電機臺架試驗振動頻譜圖見圖2。電機的6倍頻、8倍頻、9倍頻上異常已被消除，測試得到的機腳加速度振級也符合修理要求。

圖2 故障排除后的電機頻譜圖

通過故障排除前后的頻譜圖對比，可以判斷本次修理的電機故障是由轉(zhuǎn)子故障引起的，在今后對該型號冷媒水泵的修理中，轉(zhuǎn)子應(yīng)進行動平衡試驗，動平衡試驗合格后，才可安裝調(diào)試。

4 結(jié)語

電機作為主要的船舶電氣設(shè)備和機械設(shè)備，因復(fù)雜的工作環(huán)境因素，發(fā)生各種各樣的振動故障不可避免，一些顯現(xiàn)常見故障可以憑借經(jīng)驗進行判斷，而對于一些比較隱蔽的故障則可以通過測量儀器，采集分析其振動特征進行診斷。振動頻譜分析技術(shù)在電機振動故障診斷中具有獨特性，能夠快速有效地診斷定位故障，從而節(jié)省修理時間，提高工作效率。