舵機(jī)液壓泵組彈性套柱銷(xiāo)聯(lián)軸器故障分析

陳 昕，吳善躍，王嘉志，錢(qián) 灃

（1.中國(guó)人民解放軍92957部隊(duì)，浙江舟山 316000；2.中國(guó)人民解放軍91937部隊(duì)，浙江舟山 316000）

0 引言

液壓控制系統(tǒng)具有功率大、響應(yīng)快、控制精度高等特點(diǎn)，在大中型船舶上大都采用液壓裝置作為舵機(jī)的動(dòng)力源。液壓泵組作為液壓舵機(jī)的核心設(shè)備，主要由電機(jī)、液壓泵和聯(lián)軸器組成，其作用是輸出高壓油至操舵裝置，驅(qū)動(dòng)舵葉對(duì)外做功。電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器向液壓泵傳遞扭矩，如果聯(lián)軸器出現(xiàn)松動(dòng)或失效，將會(huì)引發(fā)泵組的異常振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響船舶的安全航行[1]。

本文通過(guò)對(duì)某船舵機(jī)液壓泵組彈性套柱銷(xiāo)聯(lián)軸器故障的分析，探究故障信號(hào)特征與故障機(jī)理間的關(guān)系，總結(jié)故障分析規(guī)律，可為船舶旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷提供參考。

1 監(jiān)測(cè)對(duì)象與修理前監(jiān)測(cè)

某船舵機(jī)液壓主泵由電機(jī)、液壓泵和聯(lián)軸器組成，其中聯(lián)軸器采用彈性套柱銷(xiāo)連接，起傳遞扭矩和減緩沖擊的作用。

據(jù)船員反映，該船舵機(jī)右主泵振動(dòng)較大，并伴有異常噪聲。為方便對(duì)比，技術(shù)人員對(duì)型號(hào)相同的左、右主泵都進(jìn)行了振動(dòng)監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置在電機(jī)自由端、輸出端和泵部的輸入端、自由端，每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別測(cè)量水平徑向（H）、垂直徑向（V）和軸向（A）的振動(dòng)（圖1）。

圖1 舵機(jī)液壓泵組結(jié)構(gòu)及測(cè)點(diǎn)

表1 給出了泵組各測(cè)點(diǎn)方向的振動(dòng)速度有效值及泵組的整機(jī)振動(dòng)烈度。由表1 可知，右主泵振動(dòng)烈度（7.28 mm/s）明顯大于左主泵（3.28 mm/s），參考標(biāo)準(zhǔn)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)》，右主泵振動(dòng)評(píng)級(jí)達(dá)到C 級(jí)，左主泵為B 級(jí)。進(jìn)一步比較表中各數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)右主泵振動(dòng)較大的值主要集中在電機(jī)輸出端，該測(cè)點(diǎn)水平徑向、垂直徑向和軸向振動(dòng)速度有效值分別為左主泵對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)方向的6.6 倍、3.2 倍、4.4 倍。

表1 修理前各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度有效值

圖2 為右主泵輸出端3個(gè)方向的振動(dòng)時(shí)域圖和頻譜圖。分析圖2 可發(fā)現(xiàn)：①加速度時(shí)域波形具有明顯的脈沖信號(hào)，脈沖間隔為0.039 8 s，對(duì)應(yīng)于1倍軸頻25 Hz；②速度頻譜圖中，1 倍軸頻振動(dòng)分量幅值較大，并出現(xiàn)明顯的高次諧波分量；③PeakVue 頻譜圖中存在明顯的1 倍軸頻及高次諧波分量。

圖2 修理前右主泵輸出端振動(dòng)圖譜

2 維修情況與修理后監(jiān)測(cè)

維修人員對(duì)泵組拆檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器下方有掉落的橡膠碎片，將聯(lián)軸器拆解后發(fā)現(xiàn)彈性套柱銷(xiāo)外層包裹的橡膠已經(jīng)嚴(yán)重剝落，有的柱銷(xiāo)甚至能看到內(nèi)部的金屬成分（圖3）。更換彈性套柱銷(xiāo)后，對(duì)右主泵進(jìn)行復(fù)測(cè)，當(dāng)量振動(dòng)烈度為2.15 mm/s，相比修理前明顯降低（表2）。修理后右主泵輸出端3 個(gè)方向的振動(dòng)時(shí)域圖和頻譜圖如圖4 所示，時(shí)域圖上的脈沖信號(hào)已經(jīng)消失，頻譜圖中雖仍能看到1 倍頻及其高次諧波分量，但其幅值已大為減少；PeakVue 圖譜雖然仍有梳狀譜線(xiàn)，但加速度幅值比修理前小了1 個(gè)量級(jí)；由于液壓泵為斜盤(pán)式軸向柱塞泵，運(yùn)行過(guò)程中本身存在柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由此帶來(lái)的沖擊導(dǎo)致圖4 b）的PeakVue 圖譜中仍存在梳狀譜線(xiàn)，同時(shí)頻譜圖上出現(xiàn)幅值較低的多次諧波分量[2-3]。

圖3 聯(lián)軸器拆檢實(shí)物

表2 修理后舵機(jī)右主泵各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度有效值

圖4 修理后右主泵輸出端振動(dòng)圖譜

3 聯(lián)軸器故障原因與特征

彈性套柱銷(xiāo)聯(lián)軸器的柱銷(xiāo)外部包裹有彈性橡膠材料，能夠補(bǔ)償兩軸的相對(duì)位移，并且具有吸收振動(dòng)和緩和沖擊的作用。彈性套柱銷(xiāo)聯(lián)軸器在傳遞扭矩的過(guò)程中，柱銷(xiāo)外層的橡膠受到長(zhǎng)期的交變載荷作用，容易產(chǎn)生疲勞失效；橡膠材料如果使用過(guò)久沒(méi)有及時(shí)更換也會(huì)老化。橡膠材料失效、老化剝落后，柱銷(xiāo)連接部位產(chǎn)生比較大的間隙，聯(lián)軸器在傳遞扭矩的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致較嚴(yán)重的振動(dòng)，并且伴有沖擊現(xiàn)象。從圖2 中時(shí)域圖的沖擊信號(hào)和PeakVue 圖譜存在的梳狀譜線(xiàn)可以看出明顯的沖擊特征，且沖擊頻率為1 倍軸頻。

聯(lián)軸器松動(dòng)與常見(jiàn)的松動(dòng)故障特征有所區(qū)別。旋轉(zhuǎn)機(jī)械常見(jiàn)的松動(dòng)故障有以下3 種：①由結(jié)構(gòu)松動(dòng)，機(jī)械支座剛度減弱，或基礎(chǔ)、墊片損壞引起；②底腳螺栓松動(dòng)；③轉(zhuǎn)子支撐部位松動(dòng)。這3 類(lèi)松動(dòng)都會(huì)在頻譜上出現(xiàn)明顯的1 倍軸頻分量，其中第1 類(lèi)和第2 類(lèi)松動(dòng)表現(xiàn)為垂向振幅明顯大于水平振幅。但從表1 可知，右主泵輸出端的水平振幅大于其他兩個(gè)方向的振幅，這是聯(lián)軸器松動(dòng)與第1 類(lèi)和第2 類(lèi)松動(dòng)最明顯的區(qū)別。第3 類(lèi)松動(dòng)的頻譜特征是出現(xiàn)軸頻及其多次諧波，在振動(dòng)比較嚴(yán)重時(shí)會(huì)有1/2、1/3 倍軸頻及其多次諧波出現(xiàn)。從圖2 a）可見(jiàn)，在振幅已經(jīng)達(dá)到10 mm/s 左右的情況下，頻譜圖上仍未見(jiàn)到分?jǐn)?shù)倍頻的分量，因此聯(lián)軸器松動(dòng)的故障特征也不同于第3 類(lèi)松動(dòng)[4]。

在設(shè)備監(jiān)測(cè)與故障診斷實(shí)踐中，聯(lián)軸器最常見(jiàn)的故障是不對(duì)中，而不對(duì)中最明顯的特征是頻譜圖上會(huì)出現(xiàn)幅值較大的2倍軸頻譜線(xiàn)[5]。本例中聯(lián)軸器僅因?yàn)閺椥蕴字N(xiāo)外層包裹的橡膠失效剝落而產(chǎn)生松動(dòng)故障，并不存在對(duì)中不良的問(wèn)題，因此各測(cè)點(diǎn)方向頻譜圖上的2 倍軸頻譜線(xiàn)均不突出。監(jiān)測(cè)診斷人員遇到此類(lèi)故障時(shí)，很容易由于頻譜圖上未體現(xiàn)出不對(duì)中的特征而忽視了聯(lián)軸器的松動(dòng)問(wèn)題。

4 總結(jié)

舵機(jī)液壓泵組聯(lián)軸器松動(dòng)故障的主要特征為泵組振動(dòng)加劇并伴有異常噪聲，電機(jī)輸出端振動(dòng)幅值明顯高于其他測(cè)點(diǎn)，時(shí)域圖上出現(xiàn)頻率為1 倍軸頻的沖擊信號(hào)，頻譜圖以1 倍軸頻為主并伴有高次諧波分量，PeakVue 頻譜圖表現(xiàn)為間距為1 倍軸頻的梳狀圖譜。在設(shè)備監(jiān)測(cè)與故障診斷實(shí)踐中，應(yīng)注意區(qū)分聯(lián)軸器松動(dòng)故障與3 種常見(jiàn)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械松動(dòng)故障和聯(lián)軸器不對(duì)中故障的不同特征。由于液壓泵為斜盤(pán)式軸向柱塞泵，運(yùn)行過(guò)程中本身存在柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此正常狀態(tài)的泵組在工作時(shí)PeakVue圖譜上也會(huì)體現(xiàn)沖擊特征，并且頻譜圖上仍存在幅值較低的多倍軸頻諧波分量。