艦載燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組異響故障診斷

楊漢杰，杜濤，韋海

(中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所 湖南航翔燃?xì)廨啓C(jī)有限公司，湖南 株洲 412002)

0 引言

艦載燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組具有起停快速、功率密度高、發(fā)電品質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，在船舶行業(yè)具有廣闊應(yīng)用前景。作為在高溫、高速條件下運(yùn)行的設(shè)備，燃?xì)廨啓C(jī)的保障歷來(lái)是焦點(diǎn)，其中振動(dòng)問(wèn)題尤為突出[1-2]。艦載燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組通常安裝在艦船中下層輔機(jī)艙中，電氣線路、進(jìn)排氣管道、燃油滑油管路等分散于周圍艙室，復(fù)雜的接口關(guān)系，狹小的維護(hù)空間，導(dǎo)致日常維護(hù)保養(yǎng)困難。船體的振動(dòng)、電氣等故障很容易與燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組的故障耦合，使得排故保養(yǎng)工作更加棘手[3-5]。

目前市場(chǎng)上的艦載燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品型號(hào)較少，公開發(fā)表的保障排故資料匱乏。因此參考航空發(fā)動(dòng)機(jī)和地面燃?xì)廨啓C(jī)的經(jīng)驗(yàn)，開展艦載燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組保障排故具有十分重要的工程應(yīng)用意義[6-12]。

本文針對(duì)某型艦載燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組大修后安裝調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的異響故障，采用故障樹分析方法，查找故障原因，提出改進(jìn)措施，為保障服務(wù)積累經(jīng)驗(yàn)。

1 發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)與功能

某型艦載燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組由燃?xì)廨啓C(jī)、高速發(fā)電機(jī)、電氣控制系統(tǒng)、固定裝置組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。燃?xì)廨啓C(jī)為單轉(zhuǎn)子定軸式，由單級(jí)離心壓氣機(jī)、單管式燃燒室、三級(jí)軸流渦輪、減速傳動(dòng)單元體、排氣裝置、燃油空氣系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。高速發(fā)電機(jī)為三相交流發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)速12 000 r/min，額定功率100 kW，通過(guò)柱銷聯(lián)軸器與燃?xì)廨啓C(jī)相連。電氣控制系統(tǒng)包括自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)、控制站、頻率和功率調(diào)節(jié)器、接觸器箱、點(diǎn)火器等。固定裝置由底架和前后支撐組成，將發(fā)電機(jī)組調(diào)平后剛性固定在艦船輔機(jī)艙中。該燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組可為艦船提供230 V/400 Hz的高品質(zhì)穩(wěn)定三相中頻電源。燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組安裝于艦船中層的輔機(jī)艙，部分控制部件安裝于輔機(jī)艙隔壁的配電間。

圖1 某型艦載燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

2 故障描述

某型艦載燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組經(jīng)工廠大修后回裝調(diào)試。在編號(hào)為167號(hào)的燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱167號(hào)機(jī))調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)異響故障。該異響在發(fā)電機(jī)組空載或小負(fù)載狀態(tài)(40 kW以下)出現(xiàn)，聲音小且比較低沉，具有周期性，在輔機(jī)艙不明顯，但在一墻之隔的配電間比較明顯。

3 故障診斷

3.1 故障樹(FTA)分析

導(dǎo)致167號(hào)機(jī)調(diào)試異響故障的可能原因有：船體缺陷，包括進(jìn)排氣管道破裂和移位、周圍船體裂紋；流道堵塞，包括進(jìn)排氣管道異物堵塞、燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)流道堵塞；安裝問(wèn)題，包括發(fā)電機(jī)組安裝未調(diào)水平、固定螺栓松動(dòng)；發(fā)電機(jī)組本體故障，包括軸承失效、機(jī)匣軸承安裝座同心超差、膜盤聯(lián)軸器失效、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡超差、渦輪葉片松動(dòng)、減速器齒輪失效等。

對(duì)可能導(dǎo)致故障的原因進(jìn)一步分析細(xì)化，建立故障樹(圖2)。以艦載燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組異響故障(T)為頂事件，船體相關(guān)部分缺陷等4項(xiàng)(E1-E4)為中間事件，梳理出進(jìn)排氣管道破裂、移位等14項(xiàng)底事件(X1-X14)。

圖2 異響故障樹

3.2 故障診斷

以故障樹為脈絡(luò)，通過(guò)船體目視檢查、內(nèi)流道孔探檢查、分解裝配過(guò)程復(fù)查、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、噪聲監(jiān)測(cè)等手段，對(duì)14個(gè)底事件逐一排查，尋找故障根源。

a)船體與管道目視檢查

由于異響大致位于167號(hào)機(jī)后部，重點(diǎn)對(duì)輔機(jī)艙、配電間的船體進(jìn)行目視檢查，分別在停機(jī)狀態(tài)和異響發(fā)生狀態(tài)檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯的船體裂紋和異常。

檢查進(jìn)排氣管道緊固情況并拆卸管道檢查內(nèi)部，沒(méi)有出現(xiàn)松動(dòng)、移位、破裂、異物堵塞。

檢查發(fā)電機(jī)組3個(gè)安裝節(jié)，緊固可靠，沒(méi)有松動(dòng)。測(cè)量機(jī)組水平，均滿足安裝要求。

通過(guò)以上檢查，可以排除X1、X2、X3、X5、X6 5個(gè)底事件。

b)內(nèi)流道孔探儀檢查

使用孔探儀對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)流道和發(fā)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行檢查。燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪部分內(nèi)流道無(wú)異常，渦輪葉片表面存在積碳但無(wú)移位，壓氣機(jī)和渦輪與機(jī)匣無(wú)碰磨痕跡。對(duì)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子盤車，力矩滿足要求，轉(zhuǎn)子盤車轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)碰擦，冷運(yùn)轉(zhuǎn)后余轉(zhuǎn)時(shí)間處于正常范圍。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子靜子間無(wú)異物，不存在碰磨。由此可以排除X4、X11、X12 3個(gè)底事件。

c)大修過(guò)程記錄復(fù)查

對(duì)167號(hào)機(jī)分解、裝配和試驗(yàn)過(guò)程中記錄的數(shù)據(jù)復(fù)查，重點(diǎn)檢查軸承、軸承座同軸度、動(dòng)平衡等數(shù)據(jù)。1)復(fù)查主軸承和減速傳動(dòng)單元體軸承專門檢查記錄，兩個(gè)主軸承因明顯磨損更換新軸承，其余軸承未出現(xiàn)明顯磨損，尺寸合格，原樣裝回繼續(xù)使用；2)檢查各個(gè)裝配間隙實(shí)測(cè)值均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，主要間隙值有：離心葉輪與葉輪外罩軸向間隙為0.596 mm(要求值0.55 mm～0.65 mm)，第一級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙為0.55～0.60 mm(要求值0.4 mm～0.8 mm)，第二級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙為0.55 mm～0.60 mm(要求值0.4 mm～0.8 mm)，第三級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙為0.40 mm～0.65 mm(要求值0.4 mm～0.8 mm)，前后支點(diǎn)同軸度為Φ0.08 mm(要求值Φ0.1 mm)，聯(lián)軸器內(nèi)環(huán)軸向竄動(dòng)量為0.9 mm，徑向竄動(dòng)量為0.9 mm；3)轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡量為3.667 g·mm(離心葉輪處)、2.816 g·mm(三級(jí)渦輪盤處)，要求值為< 5 g·mm，均滿足要求；4)復(fù)裝完成后在專用試車臺(tái)進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)。振動(dòng)測(cè)試設(shè)置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別是壓氣機(jī)機(jī)匣水平和垂直、減速器水平和垂直、發(fā)電機(jī)垂直。振動(dòng)測(cè)試值如表1所示，各個(gè)振動(dòng)值遠(yuǎn)小于要求值10g。

表1 振動(dòng)測(cè)試值 單位：g

全面復(fù)查和以上幾個(gè)方面的重點(diǎn)檢查結(jié)果表明，返廠大修的發(fā)電機(jī)組裝配合格、試驗(yàn)性能良好，沒(méi)有明顯失效和故障。

d)振動(dòng)與噪聲監(jiān)測(cè)

針對(duì)低工況異響故障，進(jìn)行振動(dòng)與噪聲監(jiān)測(cè)。對(duì)167號(hào)機(jī)設(shè)置3個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)：壓氣機(jī)進(jìn)氣底部、減速器滑油箱和發(fā)電機(jī)底部。3個(gè)測(cè)點(diǎn)依次監(jiān)測(cè)核心機(jī)轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)情況，均為垂直方向振動(dòng)。噪聲監(jiān)測(cè)同樣設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，傳聲器距離發(fā)電機(jī)組側(cè)面1 m處一字排開，分別對(duì)應(yīng)壓氣機(jī)、渦輪部位、減速器部位及發(fā)電機(jī)部位。按照P=0 kW—25 kW—35 kW—50 kW—75 kW—50 kW—25 kW—0 kW(實(shí)際加載受船上負(fù)載略有變化)的負(fù)載路徑進(jìn)行監(jiān)測(cè)，部分負(fù)載狀態(tài)下的結(jié)果如圖3所示。

圖3 167號(hào)機(jī)振動(dòng)與噪聲監(jiān)測(cè)結(jié)果

作為對(duì)比，對(duì)編號(hào)為170(位于167號(hào)機(jī)同一輔機(jī)艙，機(jī)位并列)和171(位于167號(hào)機(jī)對(duì)面輔機(jī)艙，機(jī)位對(duì)稱)的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行相同的振動(dòng)與噪聲監(jiān)測(cè)。振動(dòng)監(jiān)測(cè)只設(shè)置電機(jī)底部一個(gè)測(cè)點(diǎn)，其余噪聲監(jiān)測(cè)和加載路徑一致。結(jié)果如圖4-圖5所示。

圖4 170號(hào)機(jī)振動(dòng)與噪聲監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖5 171號(hào)機(jī)振動(dòng)與噪聲監(jiān)測(cè)結(jié)果

振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，167號(hào)機(jī)在電機(jī)垂直方向上的電機(jī)軸基頻分量(200 Hz)上的振動(dòng)幅值最大，達(dá)到0.6g；170號(hào)機(jī)組在該位置處電機(jī)軸基頻分量(200 Hz)上振動(dòng)幅值分量約為0.5g，且伴隨有2倍頻(400 Hz)上振動(dòng)幅值分量；171號(hào)機(jī)在該位置處電機(jī)軸基頻分量(200 Hz)上振動(dòng)幅值分量約為0.2g，且伴隨有該基頻2倍頻(400 Hz)上振動(dòng)幅值分量，略>0.2g。167號(hào)機(jī)運(yùn)行時(shí)在發(fā)電機(jī)空載和低功率加載時(shí)，該基頻振動(dòng)分量處于不穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)伴隨有異響出現(xiàn)。170號(hào)機(jī)組與171號(hào)機(jī)組在該基頻上的振動(dòng)幅值分量在運(yùn)行時(shí)一直處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)有異響出現(xiàn)。

初步判斷，異響的出現(xiàn)與200 Hz基頻上的振動(dòng)幅值分量的大小波動(dòng)情況相關(guān)。從圖3可以看出，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)主要的聲功率集中在低頻段，且主要聲源的頻率與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率和燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子頻率一致。這與振動(dòng)測(cè)量結(jié)果類似，說(shuō)明在輔機(jī)艙內(nèi)測(cè)得的噪聲主要由振動(dòng)噪聲所貢獻(xiàn)。

對(duì)比3臺(tái)機(jī)組的噪聲數(shù)據(jù)，167號(hào)機(jī)的聲源為200 Hz左右的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子基頻，聲壓級(jí)最大，對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)最大。在低工況狀態(tài)下，該基頻分量下的聲壓級(jí)發(fā)生波動(dòng)，振動(dòng)幅值也發(fā)生相類似的變化，與人耳能聽到的異響出現(xiàn)的時(shí)機(jī)同步。表明167號(hào)機(jī)出現(xiàn)的異響故障與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子基頻(200 Hz)的振動(dòng)密切相關(guān)。

170號(hào)機(jī)的主要聲源亦為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子基頻，聲壓級(jí)相比167號(hào)機(jī)的較小，在運(yùn)行加載時(shí)該基頻分量下的聲壓級(jí)比較穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，人耳未能察覺(jué)到有異響的出現(xiàn)。

171號(hào)機(jī)的主要聲源為燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子基頻，由于在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子基頻分量下的振動(dòng)幅值較小，其聲源在該基頻分量下的聲壓級(jí)較小。且該基頻分量下的聲壓級(jí)相對(duì)穩(wěn)定，故感覺(jué)不到有異響的出現(xiàn)。

通過(guò)振動(dòng)和噪聲監(jiān)測(cè)與分析，167號(hào)機(jī)出現(xiàn)異響故障與200 Hz基頻振動(dòng)關(guān)系密切。排故范圍縮小至200 Hz基頻振動(dòng)相關(guān)問(wèn)題，可以排除X7、X8、X10 3個(gè)底事件。

e)聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)分析

分析燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈(圖6)，與200 Hz基頻相關(guān)的部件包括減速器輸出軸、柱銷式聯(lián)軸器和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。發(fā)電機(jī)作為獨(dú)立部件，在裝配前進(jìn)行了專門性能試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)合格。減速器輸出軸作為軸類零件，尺寸計(jì)量合格，振動(dòng)監(jiān)測(cè)表明未出現(xiàn)運(yùn)行故障。可以推斷200 Hz基頻振動(dòng)與這兩個(gè)因素相關(guān)性小，排除X13和X14兩個(gè)底事件。

圖6 傳動(dòng)鏈

連接燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)的是柱銷聯(lián)軸器，主要由內(nèi)圈、外圈和24個(gè)橡膠柱銷組成。橡膠柱銷作為聯(lián)軸器重要零件，起到傳遞載荷、增加阻尼、調(diào)心對(duì)中的作用。在167號(hào)機(jī)的修理過(guò)程中，24個(gè)橡膠柱銷作為易損件被更換為新加工件。對(duì)原件和新件進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)二者存在以下區(qū)別。

1)新件的單個(gè)質(zhì)量一致性較原件差，且總質(zhì)量偏重。新件的平均質(zhì)量為6.587 g，原件則為5.430 g；二者的最大質(zhì)量分散度分別為1.145 g、0.109 g；總質(zhì)量分別是157.8 g、130.340 2 g。質(zhì)量分布見圖7。

2)新件和原件的剛度分別為44.48 N/m、58.55 N/m，后者剛度比前者大31.63%，且新件線性關(guān)系明顯差于原件，如圖8所示。

圖 7 167號(hào)機(jī)橡膠柱銷質(zhì)量分布

圖8 橡膠柱銷剛度

對(duì)橡膠柱銷的強(qiáng)度進(jìn)行校核，剪切橡膠銷彈性聯(lián)軸器切應(yīng)力計(jì)算公式為

(1)

式中：T為聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，N·m；z為橡膠塊數(shù)；D為橡膠元件中心分布圓直徑，m；d為橡膠銷直徑，m；l為橡膠塊長(zhǎng)度，m。

轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為

(2)

式中：P為聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)功率；n為轉(zhuǎn)速。

聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)功率為125 kW，效率為85%，轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，求得聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩為117.03 N·m。

其他設(shè)計(jì)參數(shù)：z=24，D=159×10-3m，d=13.5×10-3m，l=30.6×10-3m。

計(jì)算求得切應(yīng)力為τ=0.148 5 MPa，而許用切應(yīng)力[τ]=2 MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3.3 原因分析及改進(jìn)措施

通過(guò)以上工作可以得出結(jié)論，167號(hào)機(jī)在大修過(guò)程中因柱銷聯(lián)軸器的橡膠柱銷屬于易損件被更換，新件與原件質(zhì)量一致性較差且剛度偏低，但是強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。裝配時(shí)沒(méi)有進(jìn)一步選配，導(dǎo)致安裝在聯(lián)軸器的橡膠柱銷分散性較大。發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，聯(lián)軸器的徑向接觸力分散，沒(méi)能很好地調(diào)心對(duì)中，引起一個(gè)波動(dòng)的振動(dòng)。該振動(dòng)成為一個(gè)激勵(lì)源，造成船體振動(dòng)，在封閉的艙室中響應(yīng)放大，形成異響。

據(jù)此提出以下兩個(gè)改進(jìn)措施：

1)加強(qiáng)橡膠柱銷的生產(chǎn)質(zhì)量管理控制，確保較好的質(zhì)量一致性；

2)在聯(lián)軸器裝配中增加一道橡膠柱銷選配工序，確保聯(lián)軸器橡膠柱銷排布剛度的均勻性。

4 結(jié)語(yǔ)

基于故障樹對(duì)某型艦載燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組在安裝調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的異響故障進(jìn)行診斷，通過(guò)目視檢查、孔探檢查、數(shù)據(jù)復(fù)查、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、噪聲監(jiān)測(cè)等手段對(duì)可能引起故障的14個(gè)因素逐一排查，找出了導(dǎo)致故障的原因，提出了改進(jìn)措施。得出結(jié)論如下：

1)柱銷聯(lián)軸器中24個(gè)橡膠柱銷的質(zhì)量不一致造成的剛度分散是導(dǎo)致某型艦載燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組在安裝調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)異響故障的原因；

2)加強(qiáng)橡膠柱銷的生產(chǎn)質(zhì)量管理控制，可確保較好的質(zhì)量一致性；

3)在聯(lián)軸器裝配中增加橡膠柱銷選配工序，可確保聯(lián)軸器橡膠柱銷排布剛度的均勻性。