許 斌

(中國(guó)人民解放軍海軍91315部隊(duì)，遼寧 大連 116041)

一、振動(dòng)信號(hào)分析的基本方法及特點(diǎn)

1.振動(dòng)信號(hào)分析的基本方法

機(jī)械振動(dòng)信號(hào)分析的基本方法主要有振動(dòng)幅值分析法、振動(dòng)相關(guān)分析法、振動(dòng)頻域分析法、振動(dòng)時(shí)序分析法及振動(dòng)特征分析法。

2.振動(dòng)信號(hào)分析的特點(diǎn)

(1)振動(dòng)幅值分析法：應(yīng)用于幅值分析的參數(shù)有均值、均方根值、峰值等。

(2)振動(dòng)相關(guān)分析法：相關(guān)分析主要是應(yīng)用相關(guān)系數(shù)與相關(guān)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)相關(guān)函數(shù)來(lái)研究?jī)蓚€(gè)信號(hào)之間的相關(guān)性和依賴(lài)性。

(3)振動(dòng)頻域分析法：頻域分析的基礎(chǔ)是頻譜分析，即分析動(dòng)態(tài)信號(hào)幅值、相位、功率和能量隨頻率的變化關(guān)系。頻譜分析主要包括功能譜密度函數(shù)分析、細(xì)化譜分析、倒頻譜分析、沖擊響應(yīng)譜分析、全息譜分析等。

(4)振動(dòng)時(shí)序分析法：是對(duì)時(shí)序的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理與分析的一種方法，是數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理與系統(tǒng)分析相結(jié)合的一種方法。時(shí)序分析的手段就是建立時(shí)序模型。

(5)振動(dòng)特征分析法：主要是在轉(zhuǎn)速變化或穩(wěn)定時(shí)，對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的各部位振動(dòng)值進(jìn)行特征描述。

二、監(jiān)測(cè)診斷某船主機(jī)齒輪箱振動(dòng)異常故障

1.故障特征

齒輪箱主要由齒輪、軸、離合器、軸承、輔助設(shè)備和箱體等構(gòu)成。據(jù)統(tǒng)計(jì)，齒輪、軸、滾動(dòng)軸承和輔助設(shè)備的故障占齒輪箱故障的90%以上。根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)，一般常見(jiàn)的典型故障形式有：齒形誤差、斷齒、軸不平衡、軸承故障、輔助設(shè)備的故障等。出現(xiàn)故障時(shí)的主要特征如下。

(1)齒形有誤差時(shí)，頻譜圖中齒輪嚙合頻率兩側(cè)出現(xiàn)的邊帶數(shù)增多，而且2倍和3倍嚙合頻率幅值通常很高。

(2)存在斷齒時(shí)，頻譜圖中齒輪固有頻率的幅值比1倍轉(zhuǎn)速頻率的幅值高10倍以上。

(3)存在軸不平衡時(shí)，頻譜圖中1倍轉(zhuǎn)速頻率幅值很高。

(4)滾動(dòng)軸承存在故障時(shí)，存在強(qiáng)烈的振動(dòng)沖擊脈沖。

(5)軸承配合松動(dòng)時(shí)，頻譜圖中會(huì)出現(xiàn)2倍、3倍、4倍嚙合頻率的幅值。

(6)輔助設(shè)備存在故障時(shí)，頻譜圖中相對(duì)應(yīng)特征頻率位置會(huì)出現(xiàn)幅值增加和邊頻帶。

2.故障分析

某船試航時(shí)，使用UT3204振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)對(duì)左、右柴油機(jī)齒輪箱進(jìn)行監(jiān)測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖1、2所示，工況為輸入軸轉(zhuǎn)速810r/min。該型齒輪箱傳動(dòng)比為3.583 3，一級(jí)主齒輪齒數(shù)為48齒，一級(jí)從動(dòng)齒輪齒數(shù)為48齒，二級(jí)主齒輪齒數(shù)為24齒，二級(jí)從動(dòng)齒輪齒數(shù)為86齒。

圖1 左齒輪箱二級(jí)主動(dòng)齒輪橫向、縱向振動(dòng)圖譜

圖2 右齒輪箱二級(jí)主動(dòng)齒輪橫向、縱向振動(dòng)圖譜

從振動(dòng)頻譜圖可以看出右齒輪箱二級(jí)齒輪嚙合頻率325Hz及其2倍、3倍、4倍頻振動(dòng)幅值逐漸增大，比照故障特征頻率，可以初步判定為軸承配合輕微松動(dòng)；右齒輪箱在相同工況的振動(dòng)頻譜圖中4 075～5 825Hz區(qū)間出現(xiàn)異常的振動(dòng)。根據(jù)齒輪箱潤(rùn)滑油泵滾動(dòng)軸承型號(hào)計(jì)算出其滾動(dòng)體故障特征頻率為4 460Hz，初步判定為油泵軸承存在故障隱患。經(jīng)拆卸，發(fā)現(xiàn)二級(jí)主動(dòng)齒輪軸承安裝間隙偏大、油泵軸承滾珠有2個(gè)已磨損。修復(fù)后，齒輪箱運(yùn)行正常。

三、監(jiān)測(cè)診斷某柴油發(fā)電機(jī)組振動(dòng)異常故障

某船機(jī)電設(shè)備1臺(tái)單列四缸四沖程柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)后噪聲和振動(dòng)比機(jī)艙內(nèi)其他同型柴油發(fā)電機(jī)組大。已知發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速為1 500r/min，在額定工況下，采集發(fā)電機(jī)自由端垂直徑向、水平徑向和軸向3個(gè)方向的振動(dòng)波形和頻譜信號(hào)，并對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行比較分析，采樣頻率為1 024Hz。采集的部分時(shí)域波形信號(hào)及其頻譜圖形如圖3、4、5所示。

圖3 發(fā)電機(jī)自由端垂直徑向振動(dòng)頻譜波形圖

圖4 發(fā)電機(jī)自由端水平徑向振動(dòng)頻譜波形圖

圖5 發(fā)電機(jī)自由端軸向振動(dòng)頻譜波形圖

振動(dòng)頻譜圖顯示發(fā)電機(jī)組徑向和軸向的2倍頻對(duì)應(yīng)的振動(dòng)幅值都非常突出，尤其以垂直徑向的2倍頻振幅最為明顯，而且存在有1倍頻和多倍頻等高頻成分。對(duì)于四缸四沖程柴油機(jī)，擾動(dòng)力的主要來(lái)源是二次不平衡簡(jiǎn)諧傾覆力矩和垂向二次不平衡往復(fù)慣性力。計(jì)算得到二次不平衡簡(jiǎn)諧傾覆力矩和垂向二次不平衡往復(fù)慣性力的頻率為50Hz。由于存在柴油機(jī)50Hz頻率的影響，所以在垂直徑向方向上的頻譜2倍頻比其他方向上的2倍頻都要突出。波形信號(hào)具有明顯的周期性，近似為類(lèi)正弦信號(hào)的疊加，沒(méi)有大的加速度沖擊現(xiàn)象。測(cè)量得到主要波形的周期為20ms，所對(duì)應(yīng)頻譜的頻率50Hz。綜合采集到的信息分析，診斷此柴油發(fā)電機(jī)組存在的故障為轉(zhuǎn)子對(duì)中不良，致使聯(lián)軸器發(fā)生故障。停機(jī)后對(duì)機(jī)組聯(lián)軸器檢查發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器的連接螺栓已斷掉2只，其他螺栓也已經(jīng)嚴(yán)重變形。檢查轉(zhuǎn)子對(duì)中情況發(fā)現(xiàn)不對(duì)中量嚴(yán)重超標(biāo)。根據(jù)診斷意見(jiàn)及檢查結(jié)果，重新對(duì)柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)找正對(duì)中，故障得到排除。

四、監(jiān)測(cè)診斷某電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)噪聲過(guò)大故障

在對(duì)某船機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有1臺(tái)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)噪聲較大。發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速為1 485r/min，在額定工況下，采集發(fā)電機(jī)自由端垂直徑向、水平徑向和軸向的振動(dòng)波形和頻譜信號(hào)，并進(jìn)行比較分析，采樣頻率為1 024Hz。采集的部分時(shí)域波形信號(hào)及其頻譜圖形如圖6、7、8所示。

圖6 電動(dòng)機(jī)輸出端垂直徑向振動(dòng)頻譜波形圖

圖7 電動(dòng)機(jī)輸出端水平徑向振動(dòng)頻譜波形圖

圖8 電動(dòng)機(jī)輸出端軸向振動(dòng)頻譜波形圖

頻譜圖顯示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子徑向和軸向的工頻振動(dòng)幅值比較突出，而且存在比較突出的2倍頻、3倍頻等高頻成分，徑向振動(dòng)幅值大于軸向振動(dòng)幅值。

為進(jìn)一步分析故障原因，增加負(fù)荷后發(fā)現(xiàn)振動(dòng)幅值明顯上升。波形顯示有40.13ms的沖擊脈沖，頻率為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的工頻24.91Hz，徑向波形存在不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象。

初步診斷主要故障為電動(dòng)機(jī)輸出端軸承配合松動(dòng)，對(duì)該軸承進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)保持架孔磨大，存在跑外圈現(xiàn)象，外圈上已經(jīng)有劃痕出現(xiàn)，內(nèi)圈也存在有松動(dòng)現(xiàn)象。由于滾動(dòng)軸承徑向間隙變大，造成滾珠公轉(zhuǎn)速度存在差異，導(dǎo)致保持架孔磨損，使保持架產(chǎn)生徑向游動(dòng)撞擊外圈，進(jìn)一步加劇保持架磨損。

更換軸承后故障得以排除。