柴油機泵組振動故障分析

冀 洵，何清林，晏 陽

(1.中國船舶集團有限公司，北京 100097；2.上海船用柴油機研究所，上海 201108)

0 引 言

旋轉機械運動時所產生的振動信號包含了豐富的設備運行狀態信息，對這類振動信號進行采樣與分析是一種常用的設備故障診斷與監測手段。信號或動態數據的處理與分析，是設備故障診斷的前提和基礎[1]。柴油機振動信號是周期性的非平穩信號，進行傅里葉變換，可以得到振動頻域信號。不同的頻率成分反映系統內不同的振源，可以識別出柴油機的工作狀態是否健康，通過頻譜分析可以確定主要頻率成分及其幅值大小，從而找到振源，采取相應的措施[2]。

本文針對某型柴油機泵組振動故障，首先進行振動測試，利用振動信號頻譜分析的方法，識別到故障特征頻率；其次通過峰值保持法（Peak-Hold）測試柴油機安裝底座固有頻率，對響應信號進行頻譜分析，識別底座固有頻率，定位到故障部位[3]。最后，進行針對性改進，振動故障得到解決。

1 泵組基本信息

該型柴油機泵組為應急冷卻泵組，額定工況下保持出水壓力1.35 MPa，轉速1 500 r/min。該泵組由柴油機、液壓離合器、水泵組成，柴油機輸出端飛輪通過彈性聯軸器與液壓離合器輸入端連接，離合器輸出端與水泵輸入端通過中間支撐軸承連接。

該泵組柴油機剛性安裝在一個整體底座上，底座剛性固定在基礎上（地面），水泵及液壓離合器剛性固定在基礎平臺上，如圖1所示，泵組基本信息見表1。

圖1 泵組布置簡圖Fig.1 Pump set layout

表1 泵組信息Tab.1 Pump set information

2 現場振動測試

2.1 測試設備及測點布置

測試系統由三向加速度傳感器、LMS動態信號采集分析儀和筆記本電腦組成。加速度傳感器通過磁鐵安裝在柴油機各測點，泵組額定工況下采集振動時域信號，通過軟件對時域信號進行快速傅里葉變換FFT，得到振動頻域信號以及振動烈度。

振動烈度測點共6個，其中機腳處4個，機體上2個。測試過程中，測量X，Y，Z三個方向的振動烈度。

2.2 測試數據分析

通過柴油機振動測試，測試結果反映出柴油機整體振動較劇烈，振動烈度有效值高達40.46 mm/s（見表2），遠超GB/T 7184-2008的C級要求（小于28.2 mm/s），此狀態繼續工作會對柴油機造成嚴重損壞。

表2 振動測試數據（mm/s）Tab.2 Vibration measurement data

分析頻譜數據，X向振動最大，Y向次之，Z向振動最小。各測點X向和Y向頻譜數據中振動能量最大的頻率均為25 Hz，如圖2和圖3所示。柴油機基頻為25 Hz，說明柴油機發生了基頻振動異常故障。

圖2 X向振動頻譜圖Fig.2 X-direction vibration spectrum

圖3 Y向振動頻譜圖Fig.3 Y-direction vibration spectrum

2.3 基頻振動異常分析

往復式內燃機出現基頻振動異常故障，往往存在幾種故障原因：1）對中不滿足要求，存在角度不對中、平行不對中或綜合不對中；2）機器的機腳緊固螺栓出現松動；3）安裝底座剛度不足，發生共振[4]。

針對以上3種可能，逐一進行確認。

1）通過現場測量柴油機對中，端面及圓周數據均在規范要求內，無異常。

2）通過復查柴油機機腳螺栓，未出現松動現象。

3）驗證底座是否存在共振。

歐陽光耀[3]提出安裝基礎的強度，對柴油機各方向的振動烈度有較大的影響，給出了分析思路和方法。

2.4 底座固有頻率測試

底座固有頻率測試采用峰值保持法（Peak-Hold），使用木樁敲擊底座，并在底座上放置加速度傳感器采集響應信號。木樁激勵力屬于低頻激勵，當激勵力頻率與底座的固有頻率相同時，底座發生共振，響應頻譜中會出現明顯的幅值，該幅值下對應的頻率為結構的固有頻率[5]。

通過分析底座響應頻譜圖（見圖4～圖7），識別到底座的X向和Y向，每次激勵發生后在25 Hz處都會出現較大的幅值。

圖4 X向背景噪聲Fig.4 X-direction background noise

圖5 激勵后X向響應Fig.5 X-direction response after actuate

圖6 Y向背景噪聲Fig.6 Y-direction background noise

圖7 激勵后Y向響應Fig.7 Y-direction response after actuate

底座固有頻率測試分析結果表明：

1）25 Hz是底座X向和Y向的一個固有頻率；

2）底座固有頻率與柴油機工作轉頻相同，發生共振；

3）針對此故障，在底座X向和Y向焊加強筋板，增強X向和Y向的剛度，提高固有頻率。

2.5 底座加強后振動復測

按照上文2.1相同設置及測點布置，對柴油機進行振動復測，數據見表3。

表3 底座加強后振動測試數據（mm/s）Tab.3 Vibration measurement data of base support after strengthening

底座加強后，柴油機振動得到有效改善，整機振動烈度有效值為23.33 mm/s，滿足GB/T 7184-2008的C級要求。

如圖8和圖9所示，振動頻譜圖中25 Hz處振動幅值降低明顯，無異常，底座共振現象已消除。說明通過對底座針對性的改進，底座的固有頻率發生改變，避免了在柴油機正常轉頻激勵下的共振現象[5]。

圖8 底座加強前后X向25 Hz（基頻）振動對比Fig.8 X direction 25 Hz ( fundamental frequency ) vibration contrast base before and after strengthening

圖9 底座加強前后Y向25 Hz（基頻）振動對比Fig.9 Y direction 25 Hz ( fundamental frequency ) vibration contrast base before and after strengthening

3 故障原因總結

柴油機在工作過程中，將會產生與工作轉頻（即基頻）相同的激勵力并傳遞到安裝底座上[2]。如果底座結構堅固，強度足夠，基頻振動在頻譜圖上便是一個很小的數值；如果底座強度不足，在低頻區出現固有頻率，可能與轉頻接近而發生共振，造成危害[7-8]。

本文研究對象出現基頻振動異常問題，最終確認底座固有頻率與柴油機工作轉頻一致，此時因為激勵力頻率與底座固有頻率相同，發生共振，產生強大的振動能量，所以頻譜圖中基頻出現異常的振動，導致柴油機整體振動劇烈。通過提高底座整體剛度，底座固有頻率增大，共振現象消除，振動得到改善，滿足驗收要求。

4 結 語

1）柴油機出現異常振動時，運用頻譜分析的方法，能快速識別特征頻率，確認故障特征。

2）底座強度弱，容易導致柴油機振動過大，對柴油機的振動烈度影響明顯。

3）柴油機底座發生共振現象，底座的剛度不足是原因之一，通過提高剛度，起到增大底座固有頻率的效果，可以消除共振。