船舶電機故障振動特性及快速診斷方法應用研究

孫宇鵬，薛小明，徐煜

（1.91184部隊，山東 青島 266000；2.92896部隊；3.遼南船廠，遼寧 大連 116041）

船舶電機是重要的船舶動力及輔助設備，電機的正常工作是船舶正常航行的重要保障。電機在使用過程中無論是正常的工作狀態還是發生故障時，都會產生振動。振動作為電機的固有特性，是反映電機運行狀態的重要信號，從電機振動特性入手去分析電機運行狀態，為快速診斷電機故障提供了有效手段。頻譜分析技術可以根據電機振動特征確定故障位置，達到快速診斷定位的目的。

1 振動頻譜分析識別技術

振動頻譜分析是對采集的時域信號進行Fourier變換將其轉化為頻域信號，Fourier變換是一種常用的信號分析與處理方法，電機振動產生平穩信號可以利用Fourier變換和分析。頻譜分析法就是通過Fourier變換將時域信號x（t）變換為頻域信號X（f），反應出振動的頻譜特征，時域信號x（t）的傅氏變換為：

式中，X（f）為頻域信號，X（t）為時域信號，f為頻率。

正常情況下，在采集設備振動數據時，應按要求選擇合適的測量儀器和測量位置。測量時應設置頻譜的頻帶寬，一般是在2kHz左右，根據電轉速適當調整。數據采集儀應具備10～1000Hz的通頻響應范圍，在測量轉速接近或低于600r/min的機器時通頻響應范圍下限應小超過2Hz。測點應位于每個軸承蓋或軸承座二個相互正交的徑向位置。當電機水平安裝時，應放在垂直和水平方向；當垂直或傾斜安裝時，應選擇可以得到最大的振動測量值位置作為測點。測量過程應采取有效途徑盡量提高靈敏度，減少環境因素對測量的影響。

2 船舶電機典型故障頻率及特征

（1）定子電磁振動。當電機工作時，轉子在定子內旋轉，在磁場環境的作用下，定子受到一個周期性旋轉力的作用，而發生周期性的變形并產生振動。定子電磁振動故障主要原因有：定子三相磁場不對稱、定子的鐵心和定子的線圈松動、電動機座固定螺栓松動。定子電磁振動的頻率為電源頻率的2倍，斷電后振動即消失。

（2）靜、動態氣隙不均勻。氣隙不均勻可導致噪聲、振動等故障，分為靜態不均勻和動態的不均勻；它們引起的電磁振動特征不完全相同，靜態氣隙不均勻產電磁振動頻率是電源頻率f0的2倍，即f=2f0；氣隙動態不均勻產生電磁振動頻率伴有2f0和轉子工作頻率fr，使電機產生與脈動節拍相同的電磁噪聲。

（3）轉子不平衡。電機轉子失衡原因有下列幾種：轉子組件脫落、位移，轉子因絕緣收縮發生的線圈位移、松動，聯軸節不平衡，轉子表面和冷卻風扇存在積垢等，高速電動機對以上因素對最為敏感。轉子不平衡時振動頻率和轉速頻率相等、振動幅值隨轉速增高而增大，和電機是否負載無關，振動幅值徑向遠大于軸向。

（4）轉子軸彎曲。轉子軸彎曲是由于原始制造存在偏差、保存不當、環境熱不穩定等原因產生。主導頻譜為fr，并常伴有2fr及高次諧波，振動值徑向和橫向都較大。

（5）轉子轉軸裂紋。因為軸肩部位應力集中，軸肩與振型節點重合，容易造成轉子轉軸裂紋。主導頻譜為2fr、3fr 等高次諧波，常伴有fr徑向振動，相位變化不規則。

（6）滾動軸承。滾動軸承其滾動元件的幾何尺寸決定了其特征頻率，滾動軸承規格不同，其特征頻率不同。當滾動軸承加工和裝配不良、負載過重、潤滑不良等因素造成軸承出現故障時，可以測量出其不同部位損壞的特征頻率。

（7）軸承不對中。主導頻譜為1fr，2fr常伴有3fr；振動方向表現為徑向與軸向；軸承與聯軸器相臨部位振動大；振動隨負荷增加而增大。徑熱膨脹量不足，存在較大對中值誤差；基礎沉降不勻，對中質量較差；環境溫度變化大、機器熱變形不同等。

（8）機殼扭曲。結構不合理或制造時應力消除不夠；機殼熱膨脹限制不當；基礎底板地腳不平等。主導頻譜為2f0，常伴有fr緊固地腳螺栓振動變大，松開降低，以水平向表現較明顯。

3 頻譜分析法的應用

在工廠對某艇的修理過程中，針對艇上的電機進行了修后振動臺架試驗，在試驗中，發現其中某型號的一臺冷媒水泵電機的振動超標。其機腳加速度振級明顯超出正常值，如果僅分析電機振動的時域信號無法判斷電機故障位置。且由于工期要求很緊，沒有足夠的時間對電機進行分解檢驗。需要快速判斷并排除故障點。于是，利用測量系統中的振動頻譜分析功能，對采集的電機振動數據進行Fourier變換，得到頻率-幅值曲線。圖1為電機臺架試驗振動頻譜圖。

圖1 電機臺架試驗振動頻譜圖

測量電機轉速為2980r/min,從振動頻譜圖可以明顯看到，在6倍電機轉動基頻、8倍電機轉動基頻、9倍電機轉動基頻位置振動幅值異常。而在2倍頻左右的幅值明顯很低，可以排除定子機座的電磁振動引起的振動和由定子與轉子氣隙不均引起的振動，而且也沒有出現高頻的軸承故障頻率特征，可以初步判定，是轉子故障。

判斷出故障可能原因后，對電機進行拆卸修理，著重對電機的轉子進行檢查。檢查發現轉子動平衡超差，且已不能修復。對新更換的轉子進行動平衡試驗，為避免拆卸對軸承造成的損傷，同時更換了轉子兩端的軸承。安裝調試后，再次對該冷媒水泵電機進行臺架試驗，電機臺架試驗振動頻譜圖見圖2。電機的6倍頻、8倍頻、9倍頻上異常已被消除，測試得到的機腳加速度振級也符合修理要求。

圖2 故障排除后的電機頻譜圖

通過故障排除前后的頻譜圖對比，可以判斷本次修理的電機故障是由轉子故障引起的，在今后對該型號冷媒水泵的修理中，轉子應進行動平衡試驗，動平衡試驗合格后，才可安裝調試。

4 結語

電機作為主要的船舶電氣設備和機械設備，因復雜的工作環境因素，發生各種各樣的振動故障不可避免，一些顯現常見故障可以憑借經驗進行判斷，而對于一些比較隱蔽的故障則可以通過測量儀器，采集分析其振動特征進行診斷。振動頻譜分析技術在電機振動故障診斷中具有獨特性，能夠快速有效地診斷定位故障，從而節省修理時間，提高工作效率。