某船中間支架異常振動(dòng)故障診斷與分析

劉建良，張明悅，董思遠(yuǎn)

（1. 海軍裝備部駐廣州地區(qū)軍事代表局，廣州 520020；2. 92601 部隊(duì)，廣東湛江 524000；3. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

設(shè)備的異常振動(dòng)會(huì)直接影響設(shè)備儀器的工作精度[1]，加劇各構(gòu)件的磨損，甚至?xí)鸾Y(jié)構(gòu)的周期性疲勞，降低設(shè)備的強(qiáng)度、提前折損使設(shè)備喪失其功能特性[2]，因此，對(duì)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)并及時(shí)消除異常振動(dòng)就顯得尤為重要[3-6]。在對(duì)設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，常用振動(dòng)烈度即振動(dòng)速度值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[7]，振動(dòng)烈度的絕對(duì)值需要在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍之內(nèi)。除此之外，一些振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，振動(dòng)幅值的相對(duì)變化，不管是變大還是變小，也需要格外關(guān)注[8]。

1 前期基本概況

某型船中間支架振動(dòng)大一直是困擾船員的老大難問題，嚴(yán)重影響設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)和設(shè)備使用的安全性。該型船某艘船進(jìn)廠修理后，4臺(tái)中間支架振動(dòng)問題得到很好的解決，振動(dòng)烈度總體上明顯低于同型號(hào)其他船中間支架的振動(dòng)烈度。表1為該船修理前后中間支架振動(dòng)烈度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 修理前后中間支架振動(dòng)烈度比較

將該型船中間支架的振動(dòng)烈度按照優(yōu)秀（A）、良好（B）、可容許（C）、不可容許（D）進(jìn)行振動(dòng)級(jí)別劃分，根據(jù)以往監(jiān)測(cè)情況來看，各級(jí)界限經(jīng)驗(yàn)值分別為：A/B界限值18 mm/s，B/C界限值29 mm/s，C/D界限值46 mm/s。由表1可看出，該船中間支架修理后振動(dòng)均處于良好狀態(tài)，其中1#、4#中間支架振動(dòng)烈度相比修理前明顯下降。一般認(rèn)為，振動(dòng)越小，設(shè)備零部件的疲勞極限越大，零部件使用壽命越長(zhǎng)。因此，從振動(dòng)烈度數(shù)值上看，此次修理工作十分成功。

2 中間支架故障及初步原因分析

該船所有修理工作完成后進(jìn)行航行試驗(yàn)。出海航行期間，在主機(jī)1 000 r/min時(shí)，4臺(tái)中間支架振動(dòng)情況正常，3#中間支架振動(dòng)烈度均在20 mm/s左右。運(yùn)行一段時(shí)間后，在對(duì)各設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，3#中間支架振動(dòng)劇烈增加，經(jīng)監(jiān)測(cè)，主機(jī)905 r/min時(shí)，3#中間支架水平徑向振動(dòng)烈度高達(dá)130.3 mm/s，時(shí)域圖見圖1。

圖1 中間支架振動(dòng)故障信號(hào)

隨后立即組織技術(shù)人員對(duì)3#中間支架進(jìn)行檢查。初步檢查發(fā)現(xiàn)，3#中間支架減振器固定螺栓出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。將松動(dòng)螺栓緊固后，3#中間支架振動(dòng)烈度恢復(fù)到20 mm/s，振動(dòng)烈度時(shí)域圖見圖2。因此，在固定螺栓不松動(dòng)的情況下，中間支架振動(dòng)是安全的，滿足日常使用要求。但是，在良好的振動(dòng)水平下，該螺栓發(fā)生松動(dòng)故障的現(xiàn)象十分少見，需要對(duì)中間支架系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步檢查。

圖2 緊固螺栓后中間支架振動(dòng)信號(hào)

3 中間支架故障原因進(jìn)一步分析

對(duì)中間支架-減振器系統(tǒng)的水平徑向固有頻率進(jìn)行了測(cè)量，并與同型號(hào)其他船中間支架進(jìn)行了比較。同型號(hào)另一艘船的各中間支架-減振器系統(tǒng)的水平徑向第一階固有頻率均接近20 Hz，而本船各中間支架-減振器系統(tǒng)的水平徑向第一階固有頻率在32 Hz左右，見圖3。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，每臺(tái)中間支架均有4根螺栓直接連接了減振器上下壓板，相當(dāng)于減振器短接，增加了中間支架的支撐剛度，從而減小了支架振動(dòng)。在正常安裝狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子不平衡量大，或者軸系對(duì)中差，中間支架就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)。因?yàn)樵撀菟ǖ拇嬖谑沟谜w的剛度增大，中間支架-減振器系統(tǒng)的固有頻率高于其他同型號(hào)船。

圖3 某中間支架水平徑向固有頻率

經(jīng)與廠家溝通得知，貫穿了上下壓板的螺栓主要是在中間支架運(yùn)輸或者安裝過程中輔助限位和保護(hù)中間支架減振器的，在安裝完成后應(yīng)該拆除。上述3#中間支架的異常振動(dòng)問題，就是因?yàn)檩o助安裝螺栓的存在掩蓋了轉(zhuǎn)子平衡不良或者軸系對(duì)中不良的問題，雖然受力很大，但是支撐剛度也很大，振動(dòng)不大，振動(dòng)烈度值較低。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，4個(gè)輔助螺栓沒有任何防松措施，在交變力作用下逐漸松動(dòng)；轉(zhuǎn)子平衡不良或者軸系對(duì)中不良產(chǎn)生的徑向力較大，進(jìn)一步引起減振器固定螺栓松動(dòng)，導(dǎo)致中間支架支撐剛度嚴(yán)重不足，振動(dòng)強(qiáng)烈。

4 中間支架故障處理

通過以上分析可知，應(yīng)當(dāng)拆除輔助螺栓，恢復(fù)正常安裝狀態(tài)。出海時(shí)再次測(cè)量了中間支架振動(dòng)，各中間支架振動(dòng)烈度結(jié)果見表2。可以看出，拆除螺栓后中間支架支撐剛度變低，4臺(tái)中間支架振動(dòng)烈度均有不同程度增加，1#、2#、4#中間支架振動(dòng)烈度在允許的范圍內(nèi)，3#中間支架振動(dòng)烈度嚴(yán)重超標(biāo)。

表2 拆除輔助螺栓后中間支架振動(dòng)烈度

中間支架水平徑向剛度和軸向剛度較低是中間支架振動(dòng)大的結(jié)構(gòu)原因，但改變艦船主動(dòng)力設(shè)備的結(jié)構(gòu)需要復(fù)雜的程序。降低振動(dòng)主要有3個(gè)基本途徑，即降低振源、改善傳遞途徑和自身防護(hù)。在該故障案例中，降低振源是最有效、最根本的解決方法，也是最合理的選擇。更換3#主機(jī)的高彈聯(lián)軸器，重新進(jìn)行了對(duì)中。再次測(cè)量時(shí)，3#中間支架水平徑向振動(dòng)烈度變?yōu)?2.4 mm/s，振動(dòng)信號(hào)見圖4。

圖4 更換高彈聯(lián)軸器后中間支架振動(dòng)信號(hào)

5 結(jié)論

1）在對(duì)設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)評(píng)價(jià)時(shí)，振動(dòng)烈度的相對(duì)變化要引起關(guān)注。如果振動(dòng)烈度有明顯的相對(duì)變化，不管是變大還是變小，都要進(jìn)行詳細(xì)查明原因。

2）固有頻率是結(jié)構(gòu)的固有屬性，主要取決于結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布、剛度和邊界條件，與外界激勵(lì)無關(guān)。固有頻率的變化可以反應(yīng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)性問題，如安裝不正確、結(jié)構(gòu)松動(dòng)和結(jié)構(gòu)損傷等問題。在條件允許的情況下，對(duì)重要設(shè)備和系統(tǒng)的固有頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)十分必要。如果條件允許，對(duì)結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)（包括固有頻率和固有振型）進(jìn)行測(cè)量能得到更多的信息。

3）中間支架橫向剛度增加后，橫向振動(dòng)明顯降低。中間支架橫向剛度不足是該型船中間支架橫向振動(dòng)大的結(jié)構(gòu)原因。

4）在海上執(zhí)行任務(wù)期間，很難做好高彈聯(lián)軸器動(dòng)平衡。即使在岸上，周期也較長(zhǎng)。所以，如果中間支架振動(dòng)較大又來不及處理，可以考慮用螺栓連接上下壓板，臨時(shí)固定中間支架；待任務(wù)完成后，再對(duì)高彈聯(lián)軸器進(jìn)行處理。