某船備用滑油螺桿泵及其管路振動監測與故障診斷

萬勇輝，袁慧五，豆紅軍(.9458部隊，海南 三亞 570；.957部隊，海南 三亞 570)

某船備用滑油螺桿泵及其管路振動監測與故障診斷

萬勇輝1，袁慧五2，豆紅軍1
(1.91458部隊，海南 三亞 572021；2.92571部隊，海南 三亞 572021)

文章針對某螺桿泵及其管路在運行時存在異常振動的現象，采用軸承沖擊脈沖法和頻譜分析等方法進行振動監測，在結合螺桿泵及其管路運行情況的基礎上確定了其振動較大的故障原因、故障部位及故障程度等信息，并給出了維修建議；同時也為后續建造的船舶提供改進建議。

振動；沖擊脈沖；振動烈度；頻譜分析；流體

某船備用滑油螺桿泵為立式雙吸三螺桿泵，運行中發現該泵機器管路振動和噪聲較大，具體現象為：當該泵單獨運行時，在出口端管路出現重影；出口端的撓性連接管經常被振斷；站在該泵旁邊的過道上不到兩分鐘就被振得頭暈，站在主甲板上也能感覺到其強烈的振動和噪聲。該泵較大的振動和噪聲嚴重影響了其正常運轉，并且對整個船舶系統的穩定性和使用性能也產生了嚴重的影響。為了能夠在螺桿泵運行中或基本不拆卸的情況下判定故障的部位、產生原因和發展程度，以便及時對排除相關故障進行有效指導，保證螺桿泵長期運轉，必須對該泵及其管路振動進行監測和故障診斷。

利用振動監測的方法對螺桿泵進行監測是目前應用非常廣泛的方法，螺桿泵在旋轉過程中所產生的振動強弱及所包含頻率成分與故障的類型、程度、部位和原因等有著密切的聯系[1]。通過對所測得的振動參量(振動速度、位移、加速度等)進行各種分析與處理，對機械設備的運行狀態做出判斷，進而對診斷有故障的機械給出故障部位、故障程度以及故障原因等方面的信息[2]。本文擬綜合采用軸承沖擊脈沖法和頻譜分析這2種方法，并結合該螺桿泵及其管路的實際情況，對泵及其管路振動進行系統的精密診斷，并給出了改進性建議。

1 螺桿泵簡介

1.1螺桿泵參數

1)電動機參數：額定轉速，980 r/min；功率，45 kW。

2)泵參數：轉速，980 r/min；排出壓力，0.8 MPa；流量，120 m3/h

1.2螺桿泵及其管路安裝及測點示意圖

螺桿泵是通過一個四角支撐將其整體固定于艙底，固定點在聯軸節上端電機下端，側面靠近艙壁上端和下端各有2個點與艙壁連接固定，泵和柴油機進口端和出口端在第一個彎道前各有一段撓性連接管(通過法蘭連接)，另外，泵出口端潤滑油共經過6個垂直彎道進入柴油機，螺桿泵及其管路安裝和主要測點示意圖具體見圖1。

圖1 螺桿泵及其管路安裝及測點示意圖

2 振動數據采集與故障原因分析

2.1軸承沖擊脈沖與包絡頻譜分析

采用TIMKEN軸承狀態綜合分析儀對該泵進行軸承沖擊脈沖測試，測試數據見表1。從表1可以看出，測點3和測點4軸承可能存在故障隱患，但由于一般螺桿泵泵體軸承沖擊脈沖均較大，是否存在故障隱患需要進行精密診斷——包絡頻譜分析來判斷。

表1 某螺桿泵軸承沖擊脈沖數據

利用VIBXpert振動綜合故障診斷儀對泵部軸承進行加速度包絡譜分析，表2為其監測數據，其中2f表示二倍轉頻(980÷60×2=32.7 Hz)。

表2 螺桿泵泵部軸承加速度包絡譜分析數據 mm/s2

由以上數據分析可知，經過加速度包絡譜分析后，主要頻率均為轉頻的偶數倍，可以判斷不存在軸承內圈、外圈和滾動體的間隔頻率[3]，故可推斷該泵體軸承不存在故障隱患。

2.2螺桿泵振動烈度測試與振動信號頻譜分析

采用VIBXpert振動綜合故障診斷儀對螺桿泵分別供1臺柴油機和2臺柴油機潤滑油時整機振動烈度進行測試，其中H為水平方向(平行于艙壁方向)，V為垂直方向(垂直于艙壁方向)，A為軸向，具體數據如表3。

表3 螺桿泵振動烈度測試數據 mm/s

根據國標GB/T 16301-1996船舶機艙輔機振動烈度評價評定，該泵屬于第二類設備(功率大于15 kW小于75 kW的旋轉機器)，該螺桿泵預供1臺柴油機潤滑油時，振動評級為D級(難以接受的工作狀態)，超過D級臨界值(11.2 mm/s)150%；供2臺柴油機潤滑油時，振動評級為C級(可接受工作狀態)，可初步判斷該泵存在故障隱患，且處于初期故障。利用VIBXpert采集螺桿泵各測點在不同方向上的速度頻譜，表4為其振動速度頻譜分析數據(其中1H表示測點1水平方向)。

表4 螺桿泵各測點在不同方向上的振動速度頻譜分析數據 mm/s

由速度頻譜分析可知，螺桿泵振動以轉頻的二倍頻為主，并伴有其他高次偶數倍的頻率，故可排除不平衡、轉子支撐部件松動和轉子與靜子摩擦等故障。結合其供1臺柴油機和2臺柴油機潤滑油時的振動烈度數據可知，當流量增大時(供1臺柴油機時出口壓力0.45 MPa，同時供2臺柴油機時出口壓力0.55 MPa)，振動烈度反而減小，而且軸向振動明顯小于徑向振動，故可排除轉子不對中故障。同時，各個測點不同方向上一倍頻振動均較小，越靠近固定底座振動速度越小，結合國際ISO13373—1∶2002(E)標準，可判斷該泵異常振動的原因之一是螺桿泵安裝剛度不足。

2.3管路振動測試與振動信號頻譜分析

當供一臺柴油機潤滑油時，對螺桿泵進口管路和出口管路進行振動速度測試，具體測點見圖1，監測數據見表5。

表5 螺桿泵進口管路和出口管路振動速度測試數據 mm/s

由表5知，在泵的進口端越靠近泵體管路振動越大，出口端越靠近垂直彎道振動越大，過了出口端第一個彎道后振動速度有所降低但仍然偏高。通過對出口端4個測點在水平徑向的振動速度進行頻譜分析，具體參數見表6。

表6 出口端管路在水平徑向上振動速度頻譜分析數據 mm/s

由表6知，螺桿泵管路振動頻率與泵體振動頻率的主要成分基本相同，均是二倍轉頻及其偶數倍高次頻率，出口端管路振動較大， 在垂直彎道處尤其明顯，說明這里是一個較大振源。管道的振動可能傳遞到泵體導致其振動超標，當振動傳遞到艙底時就會導致艙底和過道振動非常明顯。另外由于管路是通過剛性連接到艙底上，這樣就導致管路振動直接傳遞到艙底及其上面的過道。

2.4管路流體振動原因分析

螺桿泵及其管路振動較大的原因還與管路中流體流動所產生的振動有關，其原因如下。

1)管路中流量過大。當預供泵向柴油機供潤滑油潤滑柴油機運轉后，2臺柴油機分別利用自身機帶泵供油，2臺預供泵的參數均為功率7.5 kW、流量為16 m3/h，而該螺桿泵的功率為45 kW、流量為120 m3/h，說明該螺桿泵所提供的滑油量大大超過了柴油機啟動所需的潤滑油量，較大的流量必然導致管路易于發生振動[4]。

2)由圖1進口管路和出口管路的數據可知，進口管路進泵前管徑為200 mm，出口管路通過撓性連接管后管徑從150 mm減小到140 mm，進柴油機前管路通過撓性連接管前后管徑又從140 mm減小到106 mm，由流體力學知識可知，在液壓系統中，突然改變液體流通通道時，在通道內液體壓力會發生急劇交替升降的波動過程，即液壓沖擊，液體中的瞬時峰值壓力往往比正常壓力高好幾倍，這不僅會損壞密封裝置和管道，還會引起振動和噪聲，這就是撓性連接管被振斷的原因。

3)從泵出口到柴油機進口管路共經過6個垂直彎道，在彎道處，高速流體經過時，流體會對正對的管壁產生較大的沖擊，在沖擊過程中，大部分流體會隨著管道繼續流動，部分流體會回流后與后續流過來的流體沖撞，從而產生湍流和漩渦，空泡增多，導致流體脈動作用增強，造成管道受力時大時小，從而產生較大的振動，這可能是在出口端管路彎道處振動較大的原因。

2.5底座振動測試

分別對螺桿泵底座上端(固定面板)和下端(固定于艙底的地方)進行振動測試，底座上的測點見圖1，底座下端測點與上端序號相同，各測點數據見表7。

表7 螺桿泵安裝底座上端和下端振動速度測試數據 mm/s

通過表7可以發現底座上端振動大，下端振動小；水平徑向和垂直徑向振動比軸向大；說明螺桿泵旁邊過道振動大的主要原因不是螺桿泵泵體所產生的振動。

3 結論及改進性建議

3.1結論

該備用滑油螺桿泵及其管路振動較大的主要原因如下：①螺桿泵功率和流量過大。②出口端管路存在設計缺陷，管路彎道過多，通過撓性連接管時管路直徑驟降，緊固管路時采用剛性緊固件。③泵體安裝剛度不足，且基座螺栓無減振。

3.2改進性建議

針對以上問題，建議綜合采用以下改進措施減小螺桿泵及其相關管路的振動：①改用功率和流量較小的螺桿泵對柴油機進行供油。②增設旁管，直接從泵出口端連接到油柜，并用調節閥控制流量，以便減小出口管內壓力，從而出口管路振動。③優化管路設計，減少彎道數量。④在基座螺栓處增設彈性減振，在輸出端管路振動劇烈區增加二次彈性接頭，并在管碼腳處增設彈性減振。⑤提高螺桿泵整機安裝剛度。⑥使用時盡量同時給2臺柴油機供潤滑油。

[1] 趙鵬, 周云龍, 孫斌.遞歸定量分析在離心泵故障診斷中的應用[J]. 振動、測試與診斷， 2010，30(6): 612-616.

[2]周邵萍，蘇永升，林匡行,等. 螺桿泵裝置振動分析與故障診斷[J]. 流體機械, 2002, 30(12): 27-30.

[3] 張永祥, 劉東風. 艦艇裝備檢測與監用[M]. 北京：國防工業出版社,2009.

[4] 劉彥輝, 黃玉學, 胡龍軍. 某輪主機燃油管路振動分析及對策[J]. 艦船科學技術, 2010, 32(9): 47-50.

Shock pulse method and spectrum analysis were used in vibration monitoring and analyzing for screw pump and its pipeline because of the abnormality of vibration.The cause position and extent of failure were found in base of running complexion of screw pump and its pipe.Suggestion for repair was also given.The same failure can be avoided by the given suggestion for the ships to be built.

vibration;shock pulse;vibration intensity;spectrum analysis;fluid

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.02.009

萬勇輝(1964-)，男，湖南岳陽人，高級工程師，大學本科，主要從事船舶設備維修工作。

2014-10-30