孙宇鹏，薛小明，徐煜

（1.91184部队，山东 青岛 266000；2.92896部队；3.辽南船厂，辽宁 大连 116041）

船舶电机是重要的船舶动力及辅助设备，电机的正常工作是船舶正常航行的重要保障。电机在使用过程中无论是正常的工作状态还是发生故障时，都会产生振动。振动作为电机的固有特性，是反映电机运行状态的重要信号，从电机振动特性入手去分析电机运行状态，为快速诊断电机故障提供了有效手段。频谱分析技术可以根据电机振动特征确定故障位置，达到快速诊断定位的目的。

1 振动频谱分析识别技术

振动频谱分析是对采集的时域信号进行Fourier变换将其转化为频域信号，Fourier变换是一种常用的信号分析与处理方法，电机振动产生平稳信号可以利用Fourier变换和分析。频谱分析法就是通过Fourier变换将时域信号x（t）变换为频域信号X（f），反应出振动的频谱特征，时域信号x（t）的傅氏变换为：

式中，X（f）为频域信号，X（t）为时域信号，f为频率。

正常情况下，在采集设备振动数据时，应按要求选择合适的测量仪器和测量位置。测量时应设置频谱的频带宽，一般是在2kHz左右，根据电转速适当调整。数据采集仪应具备10～1000Hz的通频响应范围，在测量转速接近或低于600r/min的机器时通频响应范围下限应小超过2Hz。测点应位于每个轴承盖或轴承座二个相互正交的径向位置。当电机水平安装时，应放在垂直和水平方向；当垂直或倾斜安装时，应选择可以得到最大的振动测量值位置作为测点。测量过程应采取有效途径尽量提高灵敏度，减少环境因素对测量的影响。

2 船舶电机典型故障频率及特征

（1）定子电磁振动。当电机工作时，转子在定子内旋转，在磁场环境的作用下，定子受到一个周期性旋转力的作用，而发生周期性的变形并产生振动。定子电磁振动故障主要原因有：定子三相磁场不对称、定子的铁心和定子的线圈松动、电动机座固定螺栓松动。定子电磁振动的频率为电源频率的2倍，断电后振动即消失。

（2）静、动态气隙不均匀。气隙不均匀可导致噪声、振动等故障，分为静态不均匀和动态的不均匀；它们引起的电磁振动特征不完全相同，静态气隙不均匀产电磁振动频率是电源频率f0的2倍，即f=2f0；气隙动态不均匀产生电磁振动频率伴有2f0和转子工作频率fr，使电机产生与脉动节拍相同的电磁噪声。

（3）转子不平衡。电机转子失衡原因有下列几种：转子组件脱落、位移，转子因绝缘收缩发生的线圈位移、松动，联轴节不平衡，转子表面和冷却风扇存在积垢等，高速电动机对以上因素对最为敏感。转子不平衡时振动频率和转速频率相等、振动幅值随转速增高而增大，和电机是否负载无关，振动幅值径向远大于轴向。

（4）转子轴弯曲。转子轴弯曲是由于原始制造存在偏差、保存不当、环境热不稳定等原因产生。主导频谱为fr，并常伴有2fr及高次谐波，振动值径向和横向都较大。

（5）转子转轴裂纹。因为轴肩部位应力集中，轴肩与振型节点重合，容易造成转子转轴裂纹。主导频谱为2fr、3fr 等高次谐波，常伴有fr径向振动，相位变化不规则。

（6）滚动轴承。滚动轴承其滚动元件的几何尺寸决定了其特征频率，滚动轴承规格不同，其特征频率不同。当滚动轴承加工和装配不良、负载过重、润滑不良等因素造成轴承出现故障时，可以测量出其不同部位损坏的特征频率。

（7）轴承不对中。主导频谱为1fr，2fr常伴有3fr；振动方向表现为径向与轴向；轴承与联轴器相临部位振动大；振动随负荷增加而增大。径热膨胀量不足，存在较大对中值误差；基础沉降不匀，对中质量较差；环境温度变化大、机器热变形不同等。

（8）机壳扭曲。结构不合理或制造时应力消除不够；机壳热膨胀限制不当；基础底板地脚不平等。主导频谱为2f0，常伴有fr紧固地脚螺栓振动变大，松开降低，以水平向表现较明显。

3 频谱分析法的应用

在工厂对某艇的修理过程中，针对艇上的电机进行了修后振动台架试验，在试验中，发现其中某型号的一台冷媒水泵电机的振动超标。其机脚加速度振级明显超出正常值，如果仅分析电机振动的时域信号无法判断电机故障位置。且由于工期要求很紧，没有足够的时间对电机进行分解检验。需要快速判断并排除故障点。于是，利用测量系统中的振动频谱分析功能，对采集的电机振动数据进行Fourier变换，得到频率-幅值曲线。图1为电机台架试验振动频谱图。

图1 电机台架试验振动频谱图

测量电机转速为2980r/min,从振动频谱图可以明显看到，在6倍电机转动基频、8倍电机转动基频、9倍电机转动基频位置振动幅值异常。而在2倍频左右的幅值明显很低，可以排除定子机座的电磁振动引起的振动和由定子与转子气隙不均引起的振动，而且也没有出现高频的轴承故障频率特征，可以初步判定，是转子故障。

判断出故障可能原因后，对电机进行拆卸修理，着重对电机的转子进行检查。检查发现转子动平衡超差，且已不能修复。对新更换的转子进行动平衡试验，为避免拆卸对轴承造成的损伤，同时更换了转子两端的轴承。安装调试后，再次对该冷媒水泵电机进行台架试验，电机台架试验振动频谱图见图2。电机的6倍频、8倍频、9倍频上异常已被消除，测试得到的机脚加速度振级也符合修理要求。

图2 故障排除后的电机频谱图

通过故障排除前后的频谱图对比，可以判断本次修理的电机故障是由转子故障引起的，在今后对该型号冷媒水泵的修理中，转子应进行动平衡试验，动平衡试验合格后，才可安装调试。

4 结语

电机作为主要的船舶电气设备和机械设备，因复杂的工作环境因素，发生各种各样的振动故障不可避免，一些显现常见故障可以凭借经验进行判断，而对于一些比较隐蔽的故障则可以通过测量仪器，采集分析其振动特征进行诊断。振动频谱分析技术在电机振动故障诊断中具有独特性，能够快速有效地诊断定位故障，从而节省修理时间，提高工作效率。