基于振動(dòng)監(jiān)測(cè)的船用燃油泵故障診斷

王溢鏞，王艷武※，高洪濱

（1.武漢東湖學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430212；2.92601部隊(duì)，廣東湛江 524009）

0 引言

船用燃油泵作為船舶動(dòng)力系統(tǒng)重要的輔助設(shè)備，直接關(guān)系到船舶的運(yùn)行情況，其狀態(tài)直接影響到船舶航行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。某船舶在航行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)主機(jī)燃油泵振動(dòng)明顯增加，為保證船舶航行的安全性，切換燃油泵運(yùn)行，并對(duì)該泵實(shí)施振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷，提出了修理意見(jiàn)，并最終消除了故障隱患，保證了船舶航行的安全。由于船舶燃油泵工作環(huán)境以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在日常運(yùn)行過(guò)程中，常常會(huì)因?yàn)檎駝?dòng)過(guò)大導(dǎo)致其停機(jī)，嚴(yán)重影響船舶航行安全性和可靠性。因此根據(jù)該泵組運(yùn)行特點(diǎn)，開(kāi)展船用燃油泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷研究，為船用燃油泵的運(yùn)行提供理論指導(dǎo)，為燃油泵的維修提供依據(jù)，對(duì)提高船舶燃油泵的可靠性，保障船舶續(xù)航力具有重要意義。

隨著傳感器技術(shù)、信號(hào)分析處理技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，水泵的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)也有較大發(fā)展[1]。呂自薈[2]利用監(jiān)測(cè)水泵機(jī)組電信號(hào)，結(jié)合壓力開(kāi)展水泵機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷研究。楊振等[3]利用測(cè)量的振動(dòng)烈度對(duì)某泵的松動(dòng)和碰摩故障進(jìn)行了工程診斷分析。李野[4]針對(duì)電廠泵組振動(dòng)原因進(jìn)行分析，并提出了治理方法。李東[5]在對(duì)油田潛油泵結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)組常見(jiàn)故障原因以及振動(dòng)檢測(cè)方法進(jìn)行了分析。駱寅等[6]針對(duì)傳統(tǒng)有線振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)存在問(wèn)題，開(kāi)展了基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的水泵振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。于忠杰[7]、孫斌[8]等對(duì)船用滑油泵的振動(dòng)故障分別進(jìn)行研究，并提出了檢查修理建議。這些結(jié)合實(shí)際工作開(kāi)展的具體研究分析，對(duì)各類泵組狀態(tài)預(yù)測(cè)與故障診斷具有重要的工程指導(dǎo)價(jià)值。本文針對(duì)某船舶燃油泵振動(dòng)偏大的問(wèn)題，利用軸承脈沖檢測(cè)結(jié)合振動(dòng)頻譜分析，對(duì)該泵實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷，提出使用和修理建議，消除了故障隱患，保證了船舶安全航行，也為其他船舶泵組的診斷提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 船用燃油泵基本類型及常見(jiàn)故障

1.1 基本類型

船用燃油泵一般由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)泵結(jié)構(gòu)和原理不同，常用的海水泵主要有容積泵、噴射泵、葉輪式泵。

容積泵是利用做功部件周期性運(yùn)動(dòng)引起工作腔容積周期變化來(lái)吸排液體。當(dāng)容積增大時(shí)，壓力會(huì)降低，從而吸入液體；當(dāng)上述條件相反時(shí)，則排出液體。容積泵可分為往復(fù)式泵和回轉(zhuǎn)泵。往復(fù)式泵又可分為活塞泵和柱塞泵；回轉(zhuǎn)泵可分為齒輪泵、螺桿泵、葉片泵等。

噴射泵是對(duì)液體增壓，然后液體壓能轉(zhuǎn)換為液體動(dòng)能，從而在噴嘴處高速噴出。具體可分為水噴射泵、空氣噴射泵等。

葉輪泵是靠葉輪帶動(dòng)液體作高速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體壓能，由于壓力差將液體壓出管道，從而達(dá)到輸送液體的目的。葉輪泵大致可分2類，分別是離心泵和旋渦泵。

1.2 常見(jiàn)故障

船用燃油泵振動(dòng)的原因復(fù)雜多樣，與一般動(dòng)力機(jī)械的振動(dòng)有所不同，伴隨多種因素疊加而成。不僅需要考慮自身的機(jī)械振動(dòng)，還要考慮到電機(jī)振動(dòng)以及流體壓力。這3部分的振動(dòng)是相互影響的，而在實(shí)際燃油泵的監(jiān)測(cè)診斷過(guò)程中很難同時(shí)考慮到這3種因素的影響，因此本文的研究只考慮機(jī)械振動(dòng)方面的診斷。

從實(shí)際運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)來(lái)看，引起燃油泵機(jī)械振動(dòng)的因素有很多，最常見(jiàn)的有轉(zhuǎn)子不對(duì)中、轉(zhuǎn)子不平衡、軸承故障、碰摩、基礎(chǔ)松動(dòng)等。在諸多因素中，又以轉(zhuǎn)子不平衡與不對(duì)中為主要原因。

從燃油泵運(yùn)行機(jī)理分析，每一種振動(dòng)故障都具有一定的振動(dòng)特征。因此在工程實(shí)際中常用振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)對(duì)燃油泵各類故障及其原因進(jìn)行分析，將測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，根據(jù)各種故障振動(dòng)特征進(jìn)行診斷，判斷機(jī)組所發(fā)生的故障原因。

2 船用燃油泵振動(dòng)信號(hào)測(cè)量

某船所用燃油泵為電動(dòng)泵，其參數(shù)如表1 所示。該泵為三相異步電動(dòng)機(jī)通過(guò)連軸節(jié)直接與泵連接，驅(qū)動(dòng)泵旋轉(zhuǎn)做功。

表1 燃油泵機(jī)組技術(shù)參數(shù)

振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的選擇應(yīng)滿足對(duì)振動(dòng)反應(yīng)敏感、信息豐富、適應(yīng)診斷目的、適于安裝傳感器，并符合安全操作要求。基于這樣的要求，在振動(dòng)測(cè)試過(guò)程中，選擇燃油泵組3 個(gè)部位2 個(gè)方向6 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，如圖1所示，測(cè)點(diǎn)1、3、5分別為電機(jī)自由端、驅(qū)動(dòng)端和泵驅(qū)動(dòng)端水平徑向測(cè)點(diǎn)，2、4、6分別為垂向測(cè)點(diǎn)。分別從這2個(gè)位置的軸向和徑向進(jìn)行測(cè)量。利用軸承脈沖檢測(cè)儀測(cè)量了電機(jī)驅(qū)動(dòng)端和泵驅(qū)動(dòng)端的軸承脈沖，利用機(jī)械綜合狀態(tài)檢測(cè)儀測(cè)量了機(jī)組通頻振動(dòng)烈度，測(cè)量數(shù)值如表2所示。根據(jù)GB/T16301-2008，該泵振動(dòng)處于D級(jí)水平，需要檢修。

圖1 燃油泵組結(jié)構(gòu)示意圖

表2 通頻振動(dòng)烈度和軸承脈沖數(shù)據(jù)

3 船用燃油泵狀態(tài)分析

該泵結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)手感較大，測(cè)量結(jié)果也顯示電機(jī)兩端振動(dòng)烈度超標(biāo)，但是聲音正常，說(shuō)明主要是中低頻振動(dòng)故障。對(duì)于該類泵最常見(jiàn)的是不平衡或者不對(duì)中故障，有時(shí)也可能是松動(dòng)故障。為了準(zhǔn)確進(jìn)行診斷，應(yīng)該重點(diǎn)測(cè)量和分析振動(dòng)速度波形和頻譜，同時(shí)進(jìn)行相位分析，以區(qū)分不平衡或者不對(duì)中故障。

圖2～3 所示為電機(jī)輸出端和泵在垂直方向和水平方向的振動(dòng)速度波形。從波形圖來(lái)看，4個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形均為近似正弦波形，泵端波形存在明顯諧波疊加，即波峰存在明顯的次峰，從波形圖分析可以認(rèn)為該機(jī)組存在不平衡或者是平行不對(duì)中的問(wèn)題。為了準(zhǔn)確進(jìn)行診斷，還需進(jìn)一步結(jié)合頻譜和相位進(jìn)行分析。

圖2 電機(jī)輸出端和泵垂向振動(dòng)速度波形

圖3 電機(jī)和泵水平振動(dòng)速度波形

圖4～5 所示為4 個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度頻譜圖。從圖中可以看出，電機(jī)輸出端振動(dòng)主要集中在24.2 Hz，垂直方向振動(dòng)較小，最大值為5.25 mm/s，水平方向?yàn)?.1 mm/s。泵端振動(dòng)存在2 個(gè)主要頻率24.2 Hz 和72.6 Hz，但是主要集中24.2 Hz，且最大值不超過(guò)4 mm/s，屬于正常范圍。進(jìn)一步對(duì)轉(zhuǎn)頻相位進(jìn)行分析，仍以電機(jī)驅(qū)動(dòng)端和泵驅(qū)動(dòng)端2個(gè)測(cè)量點(diǎn)為主，對(duì)2 個(gè)測(cè)量點(diǎn)的垂向和水平相位差進(jìn)行測(cè)量，得到2 個(gè)點(diǎn)垂向相位差接近130°，水平相位差接近于180°。根據(jù)連軸節(jié)兩端的相位差值，判斷該泵存在軸不對(duì)中故障，建議檢查調(diào)整對(duì)中。

圖4 電機(jī)和泵垂向振動(dòng)速度頻譜

圖5 電機(jī)和泵水平振動(dòng)速度頻譜

停機(jī)進(jìn)行拆檢，重新調(diào)整了該泵的對(duì)中，調(diào)整后再次監(jiān)測(cè)，得到通頻振動(dòng)烈度如表3所示，可以看出，振動(dòng)烈度相比維修前顯著下降。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用軸承脈沖檢測(cè)儀、機(jī)械綜合狀態(tài)檢測(cè)儀在對(duì)船用燃油泵進(jìn)行初步檢測(cè)的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)該泵組電機(jī)自由端和輸出端水平方向同頻振動(dòng)烈度超標(biāo)，已經(jīng)達(dá)到修理等級(jí)。利用振動(dòng)頻譜分析儀測(cè)量該機(jī)組振動(dòng)速度頻譜，綜合時(shí)域、頻域和相位分析，發(fā)現(xiàn)該機(jī)組振動(dòng)主要集中在轉(zhuǎn)頻，且連軸器兩端測(cè)點(diǎn)相位差180°，判斷該泵組存在平行不對(duì)中故障。修理結(jié)果驗(yàn)證了診斷結(jié)論的正確性。通過(guò)本文研究，可以得出如下結(jié)論。

表3 修理后通頻振動(dòng)烈度和軸承脈沖數(shù)據(jù)

（1）對(duì)機(jī)組實(shí)施振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，可以先利用建議測(cè)量設(shè)備進(jìn)行初步判斷。如果初步判斷存在故障，可以進(jìn)一步進(jìn)行精確測(cè)量診斷，這樣可以提高監(jiān)測(cè)效率，檢測(cè)時(shí)間。

（2）對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械，1倍頻振動(dòng)過(guò)大，并不能直接判斷存在不平衡故障，需進(jìn)一步結(jié)合頻譜和相位進(jìn)行分析，才能準(zhǔn)確進(jìn)行診斷。