吳善躍，徐浩炳，楊　鵬

(1.92957部隊(duì)，浙江 舟山　316000；2.92118部隊(duì)，浙江 舟山　316000)

隨著技術(shù)普及與發(fā)展，振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)在船舶設(shè)備狀態(tài)管理中的應(yīng)用日益廣泛。然而，分析近些年的監(jiān)測(cè)實(shí)際情況看，振動(dòng)監(jiān)測(cè)振動(dòng)技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械領(lǐng)域能取得較為理想的監(jiān)測(cè)效果，而對(duì)于以柴油機(jī)為代表的往復(fù)機(jī)械，振動(dòng)監(jiān)測(cè)振動(dòng)技術(shù)應(yīng)用效果卻遠(yuǎn)不如旋轉(zhuǎn)機(jī)械理想，在實(shí)際工作中常常難以實(shí)現(xiàn)故障部位、故障原因的準(zhǔn)確分析。這主要是因?yàn)椴裼蜋C(jī)運(yùn)動(dòng)部件多，運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜，工作時(shí)引起振動(dòng)的激勵(lì)源多，且運(yùn)動(dòng)部件故障類型多樣，不同部件、不同部位振動(dòng)信號(hào)形態(tài)和特征存在較大差異。因此，改善和提高柴油機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷水平一直是業(yè)內(nèi)人士不斷努力的方向。而要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，除了加強(qiáng)基本理論研究外，更多的是要從實(shí)際監(jiān)測(cè)案例出發(fā)，不斷地進(jìn)行分析總結(jié)。唯有這樣，才能有效地推動(dòng)柴油機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)水平提高。

基于上述認(rèn)識(shí)，本文擬對(duì)實(shí)際工作遇到的柴油機(jī)氣閥機(jī)構(gòu)故障振動(dòng)監(jiān)測(cè)案例進(jìn)行系統(tǒng)分析，探究氣閥機(jī)構(gòu)故障現(xiàn)象、故障機(jī)理與故障信號(hào)特征的關(guān)系，在振動(dòng)數(shù)據(jù)采集及處理方法方面進(jìn)行歸納總結(jié)，從而為類似故障問(wèn)題的診斷決策提供借鑒與參考。

1　前期故障現(xiàn)象

某船主動(dòng)力系統(tǒng)采用雙機(jī)雙槳配置，推進(jìn)主機(jī)為兩臺(tái)16缸4沖程中速柴油機(jī)，推進(jìn)主機(jī)與推進(jìn)軸系之間通過(guò)齒輪箱減速。該船船員在遠(yuǎn)航任務(wù)日常裝備巡檢中發(fā)現(xiàn)主機(jī)存在間隙性異常沖擊聲響，且異常聲響逐漸增大。經(jīng)對(duì)多個(gè)位置主觀聲響比較，初步確認(rèn)在右主機(jī)A排第8缸位置前主觀聲響感受最為明顯，并且直觀感受到聲響似乎來(lái)源右主機(jī)A排第8缸汽缸蓋部位。由于上述故障現(xiàn)象為設(shè)備管理人員的直觀感受，有可能存在判斷偏差，出于慎重考慮，船方要求監(jiān)測(cè)技術(shù)人員采用振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)手段對(duì)該異常問(wèn)題進(jìn)行確認(rèn)分析。

2　振動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)施

2.1振動(dòng)測(cè)試基本方案

針對(duì)船員反映的問(wèn)題，監(jiān)測(cè)技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘查，確認(rèn)振動(dòng)測(cè)試基本方案如下：①在右主機(jī)A排第8缸汽缸蓋進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，比較不同測(cè)點(diǎn)之間的振動(dòng)差異，具體測(cè)點(diǎn)布置參考圖1；②參考圖1測(cè)點(diǎn)，測(cè)量右主機(jī)其它汽缸蓋振動(dòng)數(shù)據(jù)，并與A排第8缸數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析它們之間是否存在差異。

由于疑似故障信號(hào)可能為沖擊信號(hào)，因此數(shù)據(jù)處理以時(shí)域波形分析為主。進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，采樣頻率為4 096 Hz，采樣數(shù)為16 384。

圖1　汽缸蓋測(cè)點(diǎn)示意圖

2.2測(cè)試數(shù)據(jù)分析

1)右主機(jī)A8缸與其它缸數(shù)據(jù)比較分析。通過(guò)比較右主機(jī)各缸振動(dòng)時(shí)域波形，可發(fā)現(xiàn)右主機(jī)除A8缸外其它缸汽缸蓋各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)域波形均保持相同規(guī)律：時(shí)域波形中存在著等間隔瞬態(tài)沖擊振動(dòng)，前后瞬態(tài)沖擊振動(dòng)間隔時(shí)間恰好為主機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)周期的2倍。該規(guī)律典型波形參見(jiàn)圖2，圖2為右主機(jī)B4缸測(cè)點(diǎn)3在主機(jī)475 r/min轉(zhuǎn)速工況振動(dòng)時(shí)域波形圖。圖2中，前后瞬態(tài)沖擊振動(dòng)間隔時(shí)間為0.255 s，而曲軸旋轉(zhuǎn)周期為0.126 s(可由主機(jī)轉(zhuǎn)速475 r/min推算得到)，前者恰好為后者的2倍。圖3所示為圖2局部區(qū)域A放大后的時(shí)域波形，由圖可知該波形具有瞬態(tài)沖擊振動(dòng)特點(diǎn)。

圖2　B4缸測(cè)點(diǎn)3在475 r/min 工況時(shí)域波形

圖4為A8缸測(cè)點(diǎn)3在475 r/min 工況下時(shí)域波形。比較圖4和圖2可知，A8缸測(cè)點(diǎn)3振動(dòng)時(shí)域波形以0.251 s 為間隔周期，而在每個(gè)間隔周期中卻存在兩個(gè)瞬態(tài)沖擊振動(dòng)。兩瞬態(tài)沖擊振動(dòng)間隔為0.062 s，約為間隔周期的0.25倍。為了討論說(shuō)明方便，將等間隔兩瞬態(tài)沖擊振動(dòng)的第1個(gè)瞬態(tài)沖擊振動(dòng)稱為P1，第2個(gè)瞬態(tài)沖擊振動(dòng)稱為P2。圖5所示為圖4局部區(qū)域A放大后的時(shí)域波形。

圖3　局部區(qū)域A(圖2中)時(shí)域波形

圖4　A8缸測(cè)點(diǎn)3在475 r/min 工況時(shí)域波形

圖5　局部區(qū)域B(圖4中)時(shí)域波形

2)右主機(jī)A8缸不同測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)比較分析。比較A8缸不同測(cè)點(diǎn)在475 r/min振動(dòng)時(shí)域波形，可發(fā)現(xiàn)其它測(cè)點(diǎn)波形情況與測(cè)點(diǎn)3基本一致(如圖4所示)。然而，在490 r/min時(shí)，A8缸測(cè)點(diǎn)3振動(dòng)時(shí)域波形會(huì)出現(xiàn)測(cè)量過(guò)載現(xiàn)象，而其它測(cè)點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)這一現(xiàn)象。這表明A8缸測(cè)點(diǎn)3是沖擊振動(dòng)較為明顯區(qū)域。由圖1可知，測(cè)點(diǎn)3靠近進(jìn)氣閥部位。

圖6和圖7分別為A8缸測(cè)點(diǎn)3在375 r/min、200 r/min 工況下時(shí)域波形。將圖6、圖7和圖5進(jìn)行比較，并結(jié)合490 r/min測(cè)試過(guò)載情況分析可知：①隨著主機(jī)轉(zhuǎn)速降低，A8缸測(cè)點(diǎn)3時(shí)域波形中P1峰值逐步降低；②在低轉(zhuǎn)速工況下，P1峰值明顯小于P2峰值，而在高轉(zhuǎn)速工況下，P1峰值與P2峰值基本相同，甚至有可能超過(guò)P2峰值。

圖8是A3缸測(cè)點(diǎn)3在375 r/min 工況下時(shí)域波形。比較圖8和圖6，圖8時(shí)域波形中沖擊振動(dòng)峰值與圖6中P2峰值較為接近，而較大于P1峰值，由此可判斷A8缸測(cè)點(diǎn)3振動(dòng)時(shí)域波形中的P2實(shí)質(zhì)上為燃油爆燃引起的沖擊振動(dòng)。

圖6　A8缸測(cè)點(diǎn)3在375 r/min 工況時(shí)域波形

圖7　A8缸測(cè)點(diǎn)3在200 r/min工況時(shí)域波形

圖8　A3缸測(cè)點(diǎn)3在375 r/min 工況時(shí)域波形

在圖4、圖6、圖7中，P1在P2之前，且兩者的時(shí)間間隔為曲軸旋轉(zhuǎn)周期的一半，而這恰好為4沖程柴油機(jī)的1個(gè)沖程時(shí)間。從四沖程柴油機(jī)工作原理分析，P1出現(xiàn)的時(shí)間與進(jìn)氣系統(tǒng)開(kāi)始動(dòng)作的時(shí)間一致。

2.3基本結(jié)論

由前文數(shù)據(jù)分析可判斷，右主機(jī)A8缸異常聲響極有可能是進(jìn)氣系故障所致，并且右側(cè)進(jìn)氣閥部位出現(xiàn)問(wèn)題的可能性較大。

3　第1次故障檢查

根據(jù)監(jiān)測(cè)人員的數(shù)據(jù)分析和判斷結(jié)論，設(shè)備管理人員和修理人員利用短暫航行停機(jī)時(shí)機(jī)檢查了氣閥系統(tǒng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)右側(cè)進(jìn)氣閥(靠近測(cè)點(diǎn)3)氣閥間隙嚴(yán)重超標(biāo)，氣閥間隙為最大允許值的2.1倍。在修理人員調(diào)整完氣閥間隙后，右主機(jī)在200 r/min 工況下試運(yùn)轉(zhuǎn)。監(jiān)測(cè)技術(shù)人員立即在該工況下進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。圖9為氣閥間隙調(diào)整后A8缸測(cè)點(diǎn)3在200 r/min 工況下的振動(dòng)時(shí)域波形。由圖9可知，原有的P1沖擊振動(dòng)現(xiàn)象不再存在。此外，人耳直觀感受到異常聲響明顯減弱。由于另有航行任務(wù)要求，現(xiàn)場(chǎng)允許的檢修時(shí)間有限，在認(rèn)為問(wèn)題得到初步解決后，主機(jī)繼續(xù)正常使用。

圖9　A8缸測(cè)點(diǎn)3在200 r/min 工況時(shí)域波形(氣閥間隙調(diào)整后)

4　跟蹤監(jiān)測(cè)情況

由于右側(cè)氣閥間隙嚴(yán)重超標(biāo)屬于非正?，F(xiàn)象，加上第1次故障檢修時(shí)間有限，問(wèn)題排查不全面，為防止問(wèn)題再次出現(xiàn)，監(jiān)測(cè)技術(shù)人員對(duì)右主機(jī)A8缸振動(dòng)繼續(xù)進(jìn)行定期跟蹤監(jiān)測(cè)。在A8缸右側(cè)進(jìn)氣閥間隙調(diào)整后的第2天，監(jiān)測(cè)技術(shù)人員再次發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)與圖4時(shí)域波形相類似的P1沖擊振動(dòng)現(xiàn)象，具體如圖10所示。并且，隨著運(yùn)行時(shí)間持續(xù)增加，P1沖擊振動(dòng)峰值逐漸增大。此外，原有的異常聲響再次出現(xiàn)，且異常聲響逐漸增大。圖11為氣閥間隙調(diào)整后96 h A8缸測(cè)點(diǎn)3在475 r/min 工況下時(shí)域波形。圖11波形中P1峰值明顯大于圖9波形中P1峰值。

鑒于航行任務(wù)安排，右主機(jī)只能帶故障隱患持續(xù)運(yùn)行。結(jié)果在氣閥間隙調(diào)整后運(yùn)行110 h后發(fā)現(xiàn)A8缸排溫逐步下降，且A8缸所采集的振動(dòng)時(shí)域波形中原有的P1、P2沖擊振動(dòng)波形卻不再出現(xiàn)(見(jiàn)圖12)。根據(jù)上述情況，初步判斷A8進(jìn)氣系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障，從而導(dǎo)致A8缸無(wú)法正常發(fā)火工作。

圖10　A8缸測(cè)點(diǎn)3在490 r/min工況時(shí)域波形(氣閥間隙調(diào)整后運(yùn)行25 h)

圖11　A8缸測(cè)點(diǎn)3在475 r/min 工況時(shí)域波形(氣閥間隙調(diào)整后運(yùn)行96 h)

圖12　A8缸測(cè)點(diǎn)3在200 r/min 工況時(shí)域波形(氣閥間隙調(diào)整后運(yùn)行110 h)

5　第2次故障檢查

基于右主機(jī)A8缸新出現(xiàn)的故障情況，設(shè)備管理人員立即停機(jī)，并與修理人員共同檢查A8缸。結(jié)果檢查發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣系統(tǒng)搖臂軸斷裂，具體實(shí)物照片如圖13所示。

拆卸A8缸整個(gè)搖臂，并進(jìn)行分解，可發(fā)現(xiàn)：殘留斷軸與進(jìn)氣搖臂軸套幾乎抱死，軸套(銅制材料)內(nèi)表面有明顯拉痕，搖臂軸斷裂面經(jīng)過(guò)徑向油道。為盡快排除A8缸故障，及早恢復(fù)右主機(jī)動(dòng)力，修理人員對(duì)A8缸進(jìn)排氣搖臂進(jìn)行了整體更換。修后對(duì)A8缸振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，原有的P1沖擊振動(dòng)現(xiàn)象不再存在(如圖14所示)，表明進(jìn)氣系統(tǒng)故障已排除。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)及使用觀察，右主機(jī)A8缸運(yùn)行正常，原有故障問(wèn)題不再出現(xiàn)。

圖13　進(jìn)氣系統(tǒng)搖臂軸斷裂實(shí)物照片

圖14　A8缸測(cè)點(diǎn)3在345 r/min 工況時(shí)域波形(第2次故障修理后)

6　故障分析

從故障案例整個(gè)發(fā)展過(guò)程看，搖臂軸故障是造成進(jìn)氣系統(tǒng)故障問(wèn)題根源，而進(jìn)氣閥間隙過(guò)大僅僅是這一根源引發(fā)的繼發(fā)性問(wèn)題。圖15是進(jìn)氣搖臂系統(tǒng)示意圖，由圖15可知：凸輪推桿對(duì)左側(cè)搖臂軸下端頂頭動(dòng)作，在該作用力驅(qū)動(dòng)下左側(cè)搖臂繞搖臂軸擺動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)搖臂頂頭推動(dòng)左側(cè)進(jìn)氣閥桿動(dòng)作；右側(cè)搖臂通過(guò)搖臂軸傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)與左側(cè)搖臂的同步擺動(dòng)。在本案例中，A8缸搖臂軸極有可能存在先天的制造質(zhì)量缺陷。在搖臂擺動(dòng)過(guò)程中，搖臂軸由于疲勞應(yīng)變而在缺陷區(qū)域出現(xiàn)裂紋，并導(dǎo)致?lián)u臂軸出現(xiàn)一定得扭轉(zhuǎn)變形，造成右側(cè)進(jìn)氣搖臂頂頭與氣閥頂桿間隙變大。過(guò)大的氣閥間隙會(huì)使各零件之間的沖擊磨損加劇，噪聲增加。

圖15　進(jìn)氣搖臂系統(tǒng)示意圖

本案例第1次故障檢查中發(fā)現(xiàn)右側(cè)進(jìn)氣閥間隙嚴(yán)重超標(biāo)。在調(diào)整氣閥間隙后，類似圖4、圖6、圖7的P1沖擊振動(dòng)現(xiàn)象立即消失。然而，故障問(wèn)題的根源并未解決。隨著機(jī)器持續(xù)運(yùn)行，缺陷區(qū)域裂紋逐步過(guò)大，搖臂軸繼續(xù)扭轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)致右側(cè)進(jìn)氣搖臂與氣閥頂桿間隙超標(biāo)，沖擊振動(dòng)現(xiàn)象再次出現(xiàn)并日益嚴(yán)重。最終，隨著裂紋發(fā)展，搖臂軸斷裂，左右進(jìn)氣閥無(wú)法開(kāi)啟，從而造成A8缸無(wú)法正常燃燒，排溫逐步下降。

7　結(jié)束語(yǔ)

本監(jiān)測(cè)案例表明振動(dòng)監(jiān)測(cè)可作為柴油機(jī)進(jìn)、排氣系統(tǒng)故障診斷一種有效的技術(shù)分析手段。在運(yùn)用振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)手段進(jìn)行進(jìn)、排氣系統(tǒng)故障診斷分析時(shí)，應(yīng)注意把握如下特點(diǎn)。

1)與一般的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)不同，柴油機(jī)汽缸蓋振動(dòng)是一種具有周期性的瞬態(tài)沖擊振動(dòng)。無(wú)論是動(dòng)力沖程的爆燃，還是進(jìn)、排氣系統(tǒng)故障引發(fā)的沖擊振動(dòng)，在振動(dòng)信號(hào)形態(tài)上都表現(xiàn)為周期性的瞬態(tài)沖擊振動(dòng)。對(duì)于此類振動(dòng)信號(hào)，不適宜用頻域分析方法，而應(yīng)從時(shí)域角度分析和提取故障特征。

2)從本案例看，在一般正常情況下，汽缸蓋振動(dòng)以動(dòng)力沖程爆燃引發(fā)的周期性瞬態(tài)沖擊振動(dòng)為主(每次瞬態(tài)沖擊振動(dòng)峰值并不一定相同)，而進(jìn)、排氣系統(tǒng)動(dòng)作引發(fā)的沖擊振動(dòng)極為微弱，在整個(gè)時(shí)域波形中基本難以顯現(xiàn)。只有在進(jìn)、排氣系統(tǒng)故障時(shí)，才會(huì)在時(shí)域波形出現(xiàn)明顯的故障沖擊振動(dòng)。

3)對(duì)進(jìn)、排氣系統(tǒng)故障特征的準(zhǔn)確辨識(shí)，一方面需要對(duì)比疑似故障部位與參考部位的振動(dòng)信號(hào)差異，另一方面還要注重提取振動(dòng)信號(hào)中瞬態(tài)沖擊時(shí)間間隔信息，分析瞬態(tài)沖擊周期與曲軸轉(zhuǎn)速、故障沖擊振動(dòng)與柴油機(jī)進(jìn)、排沖程之間是否存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

通過(guò)本案例分析，也可以獲得如下經(jīng)驗(yàn)啟示。

1)對(duì)于一個(gè)不明確振動(dòng)故障問(wèn)題，為了盡可能準(zhǔn)確地獲取故障特征規(guī)律，應(yīng)進(jìn)行多點(diǎn)、多工況數(shù)據(jù)采集，特別是注意選取具有代表性、可比性的正常工作部位測(cè)點(diǎn)作為分析參考。

2)為了避免原發(fā)性故障問(wèn)題診斷遺漏，應(yīng)當(dāng)在修后積極開(kāi)展跟蹤監(jiān)測(cè)，確認(rèn)故障現(xiàn)象是否會(huì)再次發(fā)生。