供油不良引發(fā)的柴油機共振故障分析與治理

趙純領(lǐng)，董云飛，高洪濱

(1.92601部隊 廣東 湛江 524009;2.91317部隊 廣東 湛江 524100)

柴油機作為多數(shù)艦船主動力裝置的核心部件，是艦船的動力之源。對其進行狀態(tài)監(jiān)測可以及時發(fā)現(xiàn)故障，消除隱患，指導(dǎo)設(shè)備的使用、管理和維修。振動監(jiān)測是一個重要的監(jiān)測手段，通過對柴油機運行振動信號的測試、分析與處理，對故障進行有效診斷，具有準(zhǔn)確率高、速度快等特點［1］。但是柴油機振動故障診斷復(fù)雜，這是因為柴油機振動激勵源多，振動信號成分復(fù)雜［2］。這也給柴油機振動監(jiān)測與故障診斷工作帶來了不小的挑戰(zhàn)。

1 修理前的振動信號采集與故障分析

某船主機是四沖程機械增壓柴油機，型號為輕12V－180Z－1，額定轉(zhuǎn)速1 718 r/min，最大功率794 kW。2018年3月監(jiān)測發(fā)現(xiàn)該船1#主機振動劇烈，采集了1#主機的振動速度信號，分析了信號特征，找出柴油機振動劇烈的原因，進行了針對性修理。

1.1 修理前的振動信號采集與分析

信號采集儀器為ZJ－UT02A型手持式船用精密振動測試與分析系統(tǒng)。

采集1#主機的振動速度信號，采樣頻率設(shè)為2 048 Hz，采樣時間為5 s。測點布置在柴油機自由端缸蓋和機座，中部缸蓋和機座;每個點測量垂直、水平徑向、軸向3個方向。分別采集轉(zhuǎn)速為850 r/min和1 200 r/min時的信號。在850 r/min時，整機橫向振動烈度過大，振動最大點為中部基座橫向測點，部分測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 修理前柴油機各測點振動烈度值

850 r/min時，中部基座橫向測點的振動信號波形和頻譜如圖1和圖2所示。從圖1可以看出，振動速度信號幅值不穩(wěn)定。從圖2可以看出，850 r/min時該測點橫向振動信號頻譜中存在1個顯著異常的頻率成分，約為9.8 Hz，在其附近還存在許多沒有規(guī)律的邊頻。在850 r/min時，柴油機轉(zhuǎn)頻應(yīng)為14.2 Hz，工作基頻 (單缸發(fā)火頻率)應(yīng)為7.1 Hz，而實測的工作基頻卻是6.5 Hz。說明柴油機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。

圖1 柴油機中部機座橫向速度波形 (850 r/min)

圖2 柴油機中部機座橫向速度頻譜 (850 r/min)

1 200 r/min時，中部基座橫向測點的振動信號波形和頻譜如圖3和圖4所示。橫向振動烈度相比850 r/min變小，但依然較大，振動信號頻譜中存在顯著突出的頻率成分，約為10 Hz，是柴油機的工作基頻。

采用錘擊法測量柴油機及其隔振器構(gòu)成系統(tǒng)的垂向和橫向固有頻率，其中橫向測試結(jié)果如圖5和圖6所示。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)橫向和垂向固有頻率均存在一個相同的頻率成分，約為10 Hz。說明這一頻率成分對應(yīng)的模態(tài)應(yīng)該為翻轉(zhuǎn)模態(tài)。

圖3 柴油機中部機座橫向速度波形 (1 200 r/min)

圖4 柴油機中部機座橫向速度頻譜 (1 200 r/min)

圖5 基座錘擊振動響應(yīng)波形

1.2 故障分析及修理過程

由上述分析知，在850 r/min時柴油機整機振動大，且振動不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。在1 200 r/min時，振動下降，轉(zhuǎn)速較為穩(wěn)定。整機振動大一般是由共振、軸系異常、燃燒異常或者減振器損壞造成。850 r/min時柴油機異常振動頻率9.8 Hz與系統(tǒng)的低階模態(tài)頻率十分接近，說明機組處于共振狀態(tài)。同樣，在1 200 r/min時柴油機工作基頻 (單缸發(fā)火頻率)也為10 Hz，與系統(tǒng)的低階模態(tài)頻率十分接近，此時系統(tǒng)也處于共振狀態(tài)。然而共振不是振源，只是起到放大振動的作用。850 r/min時振動更大，說明此時橫向振動激勵力更大。各缸負荷不均勻是低速振動大的最可能原因。

系統(tǒng)的振動響應(yīng)與激勵力的大小和頻率有關(guān)，也與系統(tǒng)的動剛度大小有關(guān)。激勵力的變化或者支撐剛度的變化都會造成系統(tǒng)振動變化。因此，建議修理過程中同時檢查隔振器是否正常和低速時各缸負荷是否均勻。

首先檢查隔振器的情況，發(fā)現(xiàn)每個隔振器底板與膠間隙都非常大，如圖7所示。初步判斷:8個隔振器損壞嚴(yán)重，導(dǎo)致隔振器固有性能發(fā)生變化。更換了8個隔振器，舊隔振器拆除后，與新品對比，發(fā)現(xiàn)變形嚴(yán)重，間隙過大無法恢復(fù)。更換完成后，重新啟動1#柴油機，在850 r/min時振動仍然很大。在1 100 r/min～1 350 r/min時，振動明顯減小，符合正常振動情況。

圖6 基座錘擊振動響應(yīng)頻率

圖7 新舊隔振器對比圖

而后，停機檢查高壓油泵出口至各缸噴油器進口壓力情況。發(fā)現(xiàn)各缸油氣不均勻，可能是高壓油泵供油不均。拆回高壓油泵和噴油器檢查。高壓油泵上試驗臺檢查各缸供油情況，轉(zhuǎn)速850 r/min，計步1 700，發(fā)現(xiàn)最大油量790 mL，最小710 mL，相差80 mL，標(biāo)準(zhǔn)640 mL。反復(fù)調(diào)整供油量，盡可能保證均勻。調(diào)整后數(shù)據(jù)良好。噴油器檢查，5個漏油，其中3個壓力偏低，只有19 MPa(標(biāo)準(zhǔn)21 MPa)，調(diào)整至標(biāo)準(zhǔn)范圍。

2 修理后的振動信號

所有調(diào)整完成后回裝試機，柴油機運行情況明顯改善，振動烈度和轉(zhuǎn)速波動明顯減小，各項數(shù)據(jù)正常穩(wěn)定，結(jié)果如表2所示。采集了修理后的振動信號，850 r/min振動波形和頻譜如圖8和圖9所示，振幅明顯減小，頻譜沒有明顯突出的頻率成分。在1 200 r/min時整體振動烈度較小，如圖10和圖11所示，振動信號頻譜中存在顯著突出的頻率成分，約為10 Hz，是柴油機的工作基頻。

表2 修理后柴油機各測點振動烈度值

圖8 柴油機中部機座速度波形 (850 r/min)

3 結(jié)束語

1)針對柴油機在低速時振動烈度過大的問題，分別采集了不同轉(zhuǎn)速下的振動信號，對振動信號時間波形和頻譜進行了詳細分析，結(jié)合系統(tǒng)固有頻率分析和柴油機轉(zhuǎn)速波動分析，準(zhǔn)確找到了低速時柴油機振動過大故障的原因，是供油不良引發(fā)共振問題。同時，應(yīng)用表明自研的ZJ－UT02A型手持式船用精密測振儀對低頻信號振動速度和位移進行分析的積分算法，漂移小、精度高。

2)低速時振動烈度過大是各缸負荷不均勻和隔振器損壞綜合作用的結(jié)果。因此，設(shè)備振動過大故障，既要排查激勵力是否存在問題，也要排查系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是否有問題，特別是支撐剛度是否有變化。

圖9 柴油機中部機座速度頻譜 (850 r/min)

圖10 柴油機中部機座速度波形 (1 200 r/min)

圖11 柴油機中部機座速度頻譜 (1 200 r/min)