某船柜式空調冷卻水泵共振故障的診斷

向志偉，賈智年，李 勇，高洪濱

(1.92601部隊，廣東 湛江 524009；2.91526部隊，廣東 湛江 524009)

對于振動系統，要經常測定其固有頻率。船用設備結構復雜且種類繁多，難免會產生共振現象，測量設備固有頻率在船用設備故障診斷中十分重要。考慮到船用設備大部分為金屬零件，可視為剛性物體，因此敲擊法測量固有頻率在船用設備診斷中較為常見[1-3]。敲擊法一般采用力錘敲擊，同時測量力信號和振動響應，計算系統的頻響函數，根據頻響函數的幅值譜和相位譜綜合分析，估計系統的固有頻率[4-5]。在本文中，敲擊主要是驗證是否存在某個固有頻率與主要激勵頻率一致，所以不測量力信號，只測量敲擊后系統的自由振動[6]。

1 柜式空調冷卻水泵振動測量和故障分析

某船柜式空調1#、2#、3#冷卻水泵型號參數完全相同，以相同的方式安裝在同一個基座上，3個冷卻水泵額定轉速均為2 900 r/min。1#、2#和3#冷卻水泵在各自獨立運行時，各測點水平徑向通頻振動烈度(10～1 000 Hz頻帶內的振動速度均方根值)如表1所示。從表1可以看出，柜式空調1#、2#冷卻水泵水平徑向振動烈度大，3#冷卻水泵振動烈度嚴重超標。 3#冷卻水泵獨立運行時，1#和2#冷卻水泵的振動烈度明顯增大，1#冷卻水泵振動烈度接近原來的2倍，電機上端的振動烈度由9.3 mm/s增大到17.9 mm/s，而2#冷卻水泵振動烈度是原來的3倍之多，電機上端振動烈度由7.9 mm/s增大到23.8 mm/s。在設備不運行時振動烈度反而增大， 3臺泵又安裝在同一個基座上，考慮是3#冷卻水泵帶動基座振動，基座帶動1#泵和2#泵振動。

表1 柜式空調冷卻水泵各測點水平徑向通頻振動烈度

為判斷振動強烈的原因，分別采集3臺冷卻水泵在獨立運行時，各自的振動速度信號；3#冷卻水泵獨立運行時，1#和2#冷卻水泵的振動速度信號。采集參數如下：振動速度時間信號濾波頻率2～1 000 Hz，速度頻譜濾波頻率2～1 600 Hz，采樣頻率4 096 Hz，采樣時間5 s。圖1～圖3分別為1#、2#、3#冷卻水泵在額定轉速為2 900 r/min (轉頻信號為48.3 Hz)下獨立運行的速度振動信號，從圖1～圖3可以看出，3臺冷卻水泵振動幅值穩定，頻譜的突出信號對應轉頻信號，可見振動的主要激振力是轉子不平衡力，3#冷卻水泵轉子平衡性最差，應該為振動的主要激勵源。

圖1 1#冷卻水泵獨立運行時振動速度信號

圖2 2#冷卻水泵獨立運行時振動速度信號

圖3 3#冷卻水泵獨立運行時振動速度信號

圖4為3#冷卻水泵獨立運行時，1#冷卻水泵振動速度信號；圖5為3#冷卻水泵獨立運行時，2#冷卻水泵振動速度信號。從圖4、圖5可以看出，當3#冷卻水泵獨立運行、1#和2#冷卻水泵停止時，1#和2#冷卻水泵仍有振動，并且振動比之前運行時的振動更加強烈，因此考慮系統存在共振問題。

圖4 3#冷卻水泵獨立運行時，1#冷卻水泵振動速度信號

圖5 3#冷卻水泵獨立運行時，2#冷卻水泵振動速度信號

2 固有頻率測量和分析

為了檢驗是否是共振故障，采用敲擊法測量系統固有頻率。只測量敲擊響應，不測量力信號。設定預觸發測量，測量參數為振動速度，濾波頻率范圍為10～1 000 Hz，采樣率為4 096 Hz，測量時間為5 s，預觸發時間1 s。圖6為1#冷卻水泵敲擊振動響應波形。圖7為2#冷卻水泵敲擊振動響應波形。測量分為前后舷方向和左右舷方向，傳感器布置在冷卻水泵的電機自由端，敲擊點在傳感器的對立面。

圖6 1#冷卻水泵敲擊振動響應波形

圖7 2#冷卻水泵敲擊振動響應波形

2.1 頻譜分析

對上述敲擊響應信號采用傅里葉變換，可以分別得到相應系統的2個方向的固有頻率。在Matlab中將以上4個敲擊響應信號進行傅里葉變換，分別得到1#、2#冷卻水泵的信號頻譜圖見圖8和圖9。

圖8 1#冷卻水泵的信號頻譜圖

圖9 2#冷卻水泵的信號頻譜圖

可以看出，1#冷卻水泵信號中較突出頻率分別是前后舷方向為40.4 Hz、左右舷方向為14.8 Hz；2#冷卻水泵信號中較突出頻率分別是前后舷方向為43.4 Hz、左右舷方向為15.6 Hz。由于冷卻水泵的轉頻為48.3 Hz，與前后舷方向的固有頻率接近，與左右舷方向固有頻率相差較遠，因此只考慮前后舷方向的共振問題，而左右舷方向固有頻率較低，考慮為剛性不足。

2.2 阻尼比計算

雖然泵的轉頻與前后舷方向固有頻率較為接近，但是其頻率的相對偏差超過了10%，因此引起振動過大的原因，除了共振以外，阻尼比較小也是其中之一。阻尼消耗系統振動的能量，是影響系統振動特性的主要因素之一[7]。在單一頻率的衰減振動過程中，任何相繼的2個同向偏移量之比的自然對數即系統的對數縮減。對數縮減越快，振動衰減越快，在單位時間內阻尼消耗的能量越大。對數縮減是衡量系統阻尼大小的1個指標，公式為：

(1)

式中,A1為振動波形曲線上選取的1個振幅，An為振動波形曲線上選取的第n個振幅，n為振動波形曲線上選取的峰值個數，ωn為無阻尼固有頻率，ωd為有阻尼固有頻率，ξ為阻尼比。

對1#和2#冷卻水泵的前后舷方向敲擊信號進行截取，利用公式(1)可得，1#冷卻水泵的臨界阻尼比約為0.023，2#冷卻水泵的臨界阻尼比約為0.026。

3 故障原因分析

通過上述振動信號分析，可以得出柜式空調冷卻水泵振動烈度大的結構原因有2個：一是前后舷方向一階固有頻率接近于轉頻，接近共振區域[8]；二是基座剛度不合理，且阻尼小，左右舷方向剛度太低。應該能通過增加基座剛度解決此類問題。

4 結束語

本文針對柜式冷卻水泵停機后振動反而變大的問題，利用敲擊法確定了系統的固有頻率，計算臨界阻尼比，從而判斷出共振故障。另外，系統的每個方向的固有頻率都應當得到重視，這對找出振動原因有重要影響；在判斷共振時，不應機械地按照頻率的相對偏差10%來判斷，應綜合考慮阻尼比等其他方面原因。