罗自来 甄双荣

（中国人民解放军92557部队 广州510700）

引 言

随着科技迅速发展，机电设备自动化程度不断提高，其结构越来越复杂，但潜在的故障源和发生故障的方式也相应增加。一旦设备某部位发生故障，就有可能破坏整台设备，甚至影响整个船舶的安全，所以船舶维护管理的重要课题之一就是如何确保船舶设备的安全运行［1］。监测诊断技术能够及时有效地评估设备状态，尽早预测故障，从而提高设备运行的可靠性和安全性。其中振动监测技术以其准确率高、诊断方便快捷以及便于在线监测等诸多优点而受到人们普遍关注，在机械设备故障诊断技术体系中居主导地位，并广泛应用于船舶设备的监测诊断中［2］。

1 状态监测与故障诊断概述

设备状态监测与故障诊断是指通过获取机械设备在运行过程中的状态信息，然后对这些信息进行分析和处理，结合监测对象的历史状态和相关评价标准来定性或定量地识别设备的状态；进而对设备剩余寿命作出预测，并确定相关维修对策的技术［3］。其具体实施过程如图1所示。其目的就是尽早发现设备存在的潜在故障，从而提高设备利用率。

图1 设备状态监测与故障诊断流程图

在对设备的监测诊断过程中，最常用的就是振动监测技术，它主要包括波形分析法和频谱分析法。

由于传感器输出的振动信号一般都是时间-波形信号，未经处理，所包含的故障信息最丰富，所以波形分析法是最直接的方法。对于波形特征明显的较简单故障，一般可使用波形分析法对设备性能状况进行初步检验判断，但用时间-波形分析故障原因对分析者的经验要求比较高；频谱分析法是目前振动分析法中最常用的方法，它能将各种频率成分的信号分解开来，便于振源的快速识别。

2 常见故障特征分析

2.1 转子不对中

转子不对中是机械设备常见故障之一，它是导致设备过早损坏和增大能耗的重要因素，也是轴承故障的主要原因。主要有轴承不对中和联轴器不对中，其中频谱分析法和相位分析法是诊断设备是否存在不对中故障的常用方法。［4］

当设备有不对中故障时，其轴向和径向振动在1倍频、2倍频和3倍频幅值较大，尤其是2倍频分量与正常时相比较突出，还可能引起大量的高次谐波，使振动频谱与松动或间隙过大故障类似，关键区别在于不对中时轴向2倍频幅值较大，并且由于联轴节两侧轴承油膜压力变化方向相反，一个油膜压力变大，另一个则变小，使联轴器两侧径向和轴向相位差基本上接近180°，不对中故障越严重，其相位差越接近180°，而且大部分情况下，轴承座两侧垂直方向相位差和水平方向相位差相差约为180°，而在不平衡故障时，其相差约为0°。由于不平衡、松动和轴弯曲等故障都会影响1倍频振动幅值，因此监测2倍到4倍频的高次谐波的变化将更有利于发现不对中故障；此外其振动幅值的大小随转速和负荷的变化而变化；而且随着不对中程度的加剧，振动幅值将逐渐增大。

2.2 机械松动

机械松动是指由于安装不良、长期磨损、基座损坏或零部件破坏等原因造成的机械结合面间的间隙变大或联接刚度降低而导致机组运行振动过大的一种故障。松动主要有基础松动、支座松动以及部件间的配合松动等。

通过长期监测分析并结合前人的分析［5］，机械松动波形和频谱的主要特征有：当机械设备有松动故障特征时，垂向振动通常较大，轴向振动较小或正常，频谱中往往有较大的1倍频分量，还常伴有分数倍频分量和2倍、3倍频分量；时域波形一般较乱，有明显的不稳定非周期信号，而且振动幅值和相位不稳定，幅值大小与负荷关系显著：当负荷低时，振动不明显，随着负荷的加大，幅值增大的幅度显著，此外还具有明显的方向性。此外，将多次监测的数据做成数据图表，更易得出设备松动结论。

3 监测实例分析

3.1 不对中故障分析

对某船柴油发电机组进行监测，发现其振动较大。该机组采用刚性连接，测点布置在机组自由端轴承座上，采用VIBXpert型数据采集器进行信号采集。机组转速1 500 r/min，在额定工况下，采样频率为1 024 Hz，采集的三向振动波形信号及频谱如图2-图4所示。

图2 测点垂直径向波形及频谱图

图3 测点水平径向波形及频谱图

图4 测点轴向波形及频谱图

从上述图中可得知：机组振动的2倍频幅值均较大，还伴有一倍和多倍等高频成分。由于柴油机为复杂机械，其振源较丰富，因此其振动频率会比较复杂，而且它会通过联轴器将振动信号传递到发电机端。但从上述振动频谱图中可看出，所有波形信号均比较干净，主要是机组转子的倍频信号，主要频率为50 Hz，因此只需考虑柴油机能对这个频率产生影响的因素。就四缸四冲程柴油机来说，干扰主要来源是二次不平衡简谐倾覆力矩和垂向二次不平衡的往复惯性力。二次往复惯性力二次简谐力矩（式中ω为二次扰动圆频率，单位rad/s），其值可用公式ω= 2Ω求的，式中Ω为曲轴旋转角速度，可用公式（式中n为转速，单位r/min）求得Ω的值为50π rad/s。

通过计算可知，上述两个因素的影响频率均为50 Hz，因此在垂直径向的二倍频与其他方向相比较大。采集到主要波形的周期约为20 ms，对应频谱为2倍转频，根据其三向频谱特征，初步怀疑为转子对中不良，为更准确地判断机组状态，我们采取增加机组负荷的方式进行实验，采集其垂直径向波形信号及频谱如图5所示。

图5 加载后测点垂直径向波形及频谱

从频谱图可知：2倍频振动幅值相比正常工况下的幅值明显上升，振动对负荷变化较为敏感，波形也近似为正弦信号的叠加，波形振动幅值也有所增大，主要波形的周期仍然是20 ms，对应50 Hz。将机组转速下降至1 000 r/min，其振动波形及频谱如图6所示。

图6 降速后测点径向波形信号及频谱

从频谱图中可发现：转子对应的2倍频振动幅值显著下降，但波形仍近似为正弦信号的叠加，主要波形的周期约为30 ms，对应频谱的频率为33.3 Hz，基本上接近频谱图中的2倍频33.45 Hz。综合上述信息分析，可认为机组存在转子不对中现象，从而导致联轴器发生故障。停机后对机组联轴器进行检查，发现其连接螺栓已严重变形，检查转子对中情况，发现其不对中量严重超标。在对机组重新对中后，采集的波形信号和频谱如下页图7所示。

从图7中可发现，对中后转子2倍频振动幅值显著减小，波形也近似为准周期信号，可明显感觉振动和声音都有所降低，说明采取对中处理后取得了良好的效果。

图7 对中后测点垂直径向波形信号及频谱

3.2 松动故障分析

对某台转速为1 470 r/min的立式海水冷却泵电机进行监测，采集的波形信号及频谱如图8和图9所示。

图8 测点径向波形信号及频谱

图9 测点轴向波形信号及频谱

从频谱图中可看出：转子径向和轴向工频振动幅值均较大，其2倍频和多倍频等高频成分也较突出，且径向振动幅值大于轴向振动幅值，初步认为电机有松动故障。从波形中可看出有周期约40 ms的冲击脉冲信号，频率为25 Hz，接近电机转子工频，时域波形存在不对称现象，初步诊断为电机轴承配合松动。对该电机进行拆检，发现输出端轴承保持架磨损严重，并且外圈上已出现划痕。由于保持架孔磨损后径向间隙变大，滚珠和保持架径向游动，撞击外圈，进一步加剧保持架的磨损，于是采取更换轴承的方式修理，修理后其波形信号及频谱如下页图10所示。

图10 修理后测点径向波形信号及频谱

从图10可知，修理后其一倍频和多倍频分量幅值大大减小，波形正常，没有出现明显冲击信号，机组运行情况基本正常。

4 结 语

在对船用机电设备进行状态监测与故障诊断时，首先要了解该设备振动波形信号中的相关信息，弄清它们之间的联系，故障特征就会比较清晰；然后抓住幅值较高的谱线，分析产生这些频率成分的可能因素。然而，在单次测量时往往难以对故障做出较有把握的判断，所以在分析和判断过程中，要注意振动幅值的大小和发展趋势，才能得出比较准确的诊断结论。