陳 昕，吳善躍，王嘉志，呂 躋，奚銀華

（1.92957 部隊，浙江舟山 316000；2.91991 部隊，浙江舟山 316000）

0 引言

作為艦船電力系統(tǒng)的關鍵設備，發(fā)電機對全船作戰(zhàn)、生活等系統(tǒng)的正常運行有著重要作用。一旦發(fā)電機出現(xiàn)故障，不僅會讓艦船瞬間失去戰(zhàn)斗力，還會造成船只各系統(tǒng)癱瘓的嚴重后果，因此，加強對艦船發(fā)電機的監(jiān)測、及早發(fā)現(xiàn)故障隱患是開展艦船裝備監(jiān)測工作的重要內(nèi)容。船用柴油發(fā)電機的轉(zhuǎn)子一般通過其兩端的滾動軸承支撐，由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量大、轉(zhuǎn)速高，軸承出現(xiàn)早期缺陷后如未引起重視會致使缺陷進一步擴大直至軸承損壞，輕則導致發(fā)電機無法運行，重則將會造成發(fā)電機整機報廢。因此，針對發(fā)電機軸承的早期缺陷監(jiān)測尤為重要。

當滾動軸承的缺陷處于早期階段時，缺陷處發(fā)出的沖擊信號跟常規(guī)振動信號相比處于極低的量級，通過普通的振動監(jiān)測方法往往不能檢測出早期的缺陷，因此需要專門的技術手段對上述沖擊信號進行處理以獲取軸承的故障特征數(shù)據(jù)。PeakVue 技術可以捕獲和保留這些真實的低能量周期性損壞信號，對故障位置和嚴重程度做出準確的判斷。在對某船只發(fā)電機組實施振動監(jiān)測的過程中，采用PeakVue 技術成功發(fā)現(xiàn)了一處發(fā)電機軸承早期缺陷。

1 PeakVue 技術基本原理

當動力載荷（沖擊載荷）作用于彈性物體時，在物體內(nèi)部會產(chǎn)生應力波。軸承的老化、摩擦或損壞，通常會使軸承在運轉(zhuǎn)時由于金屬間的沖撞而產(chǎn)生應力波。應力波的發(fā)生是短時的，一般持續(xù)幾微秒到幾毫秒。這種初期的異常信號，能量一般很低，往往隱藏在振動頻譜底層的背景能量當中，通過常規(guī)振動頻譜分析時無法發(fā)現(xiàn)。PeakVue 技術可以分離這些低能量的周期性損壞信號，并且可以捕獲和保留這些真實的沖擊信號，從而更準確地顯示損壞根源和反映故障的嚴重程度。

工作時，PeakVue 首先使用固定的（約100 kHz）高頻采樣采集原始數(shù)據(jù)，并使用高通濾波器從振動時域波形中分離出應力波的脈沖信號，再經(jīng)過二次采樣等信號處理手段提取峰值，同時保留真實的脈沖幅值，得到PeakVue 時域波形，最后通過FFT快速傅里葉變換得到PeakVue 頻譜。PeakVue 技術數(shù)據(jù)處理流程如圖1 所示[1-2]。

圖1 基于PeakVue 技術的故障檢測原理

2 某船發(fā)電機監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與分析

2.1 柴油發(fā)電機組基本情況

某船只共有3 臺柴油發(fā)電機組，發(fā)電機型號為1FC5456-6TA92Z，由Z12V190BCD1-2 型柴油機驅(qū)動。發(fā)電機組功率500 kW，轉(zhuǎn)速1000 r/min。發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩端采用6324C3 軸承，工作時軸承外圈固定、內(nèi)圈轉(zhuǎn)動，軸轉(zhuǎn)速為1000 r/min 時可得軸承故障特征頻率，內(nèi)圈故障頻率BPFI、外圈故障頻率BPFO、保持架故障頻率FTF 和滾動體故障頻率BSF 分別為81.1 Hz、52.2 Hz、6.5 Hz 和36.6 Hz。

2.2 數(shù)據(jù)采集與分析

測點位于發(fā)電機輸入端和自由端的軸承位置對應的箱體表面，每個測點分別測量水平、垂向和軸向的振動，在測量水平振動的同時進行PeakVue 數(shù)據(jù)的采集。1 號～3 號發(fā)電機各測點方向的振動速度有效值見表1。

表1 1 號～3 號發(fā)電機測點振動速度有效值

從表1 可以看出，3 臺發(fā)電機的振動烈度沒有明顯的差異（2 號發(fā)電機帶負載運行）。參考GB/T 16301—2008《船舶機艙輔機振動烈度的測量和評價》標準，這3 臺發(fā)電機振動烈度評價均為優(yōu)良，并且各方向的振動幅值也未見異常。但對PeakVue圖譜進行分析時，發(fā)現(xiàn)1 號發(fā)電機自由端測點的PeakVue 頻譜圖上出現(xiàn)了52.48 Hz 及其多倍譜線，而發(fā)電機輸入端的PeakVue 頻譜圖上雖然也有52.48 Hz 譜線，但未出現(xiàn)多倍譜線，且幅值明顯小于自由端（圖2）。

圖2 1 號發(fā)電機PeakVue 頻譜圖

由于52.48 Hz 與發(fā)電機轉(zhuǎn)頻（16.67 Hz）無關，同時又與6324C3 軸承的外圈故障頻率較吻合，因此懷疑1 號發(fā)電機自由端的軸承外圈存在缺陷。文獻[3]報告了一例采用PeakVue 技術診斷電機軸承故障，在外圈嚴重磨損的情況下PeakVue 幅值達到了11.46g。與之相比，該發(fā)電機自由端軸承的PeakVue 幅值僅為0.03g，可以認為缺陷還處于早期狀態(tài)。

1 號發(fā)電機自由端各方向的普通振動頻譜如圖3 所示。可以看出，頻譜圖中振動分量主要為8.33 Hz、16.67 Hz 及其倍頻，這些分量來自由柴油機活塞往復運動和柴油機組軸旋轉(zhuǎn)引起的振動。僅在垂直方向頻譜圖上能看到幅值極小的52.48 Hz分量，如果沒有結(jié)合PeakVue 圖譜則該頻率分量很難被發(fā)現(xiàn)。

圖3 1 號發(fā)電機自由端各方向普通振動頻譜圖

2.3 修理后監(jiān)測情況

由于該船即將執(zhí)行遠航任務，為此更換了1 號發(fā)電機自由端軸承，并再次對發(fā)電機進行振動監(jiān)測。自由端測點的PeakVue頻譜如圖4 所示，可以看出52.48 Hz 譜線消失，未見其他異常譜線且PeakVue 幅值也顯著降低，故障隱患排除。

圖4 1 號發(fā)電機自由端軸承更換后PeakVue 頻譜圖

拆解軸承外圈后，可以看到外圈與滾動體接觸的內(nèi)表面局部區(qū)域存在一系列平行的條形凹痕，類似“搓板”狀（圖5）。從缺陷形態(tài)來看，懷疑缺陷產(chǎn)生的原因是由于軸電流過大、擊穿了滾道與滾動體間的油膜，引起電火花從而發(fā)生電蝕[4]。由于這些缺陷僅表現(xiàn)為極淺的凹痕，滾道表面沒有出現(xiàn)明顯的起伏，驗證了缺陷還處于早期狀態(tài)。

圖5 故障軸承外圈缺陷

3 總結(jié)

發(fā)電機是保證艦船各系統(tǒng)正常運行的關鍵設備，在艦船裝備監(jiān)測工作中應重視對發(fā)電機特別是軸承部位的監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)故障隱患，確保艦船能夠隨時保持戰(zhàn)斗力。

由于軸承早期缺陷引起的振動能量很小，不僅在振動總幅值方面體現(xiàn)不出與正常軸承的差別，而且在常規(guī)頻譜圖上也難以辨別故障特征頻率，因此通過常規(guī)的振動監(jiān)測方法往往不容易發(fā)現(xiàn)軸承早期缺陷。

PeakVue 技術可以捕獲和保留這些真實的沖擊信號，通過FFT 快速傅里葉變換得到PeakVue 頻譜，在頻譜圖上顯示軸承故障特征頻率及其幅值，從而能夠更加準確地查找故障部位和反應故障的嚴重程度。