舵機液壓泵組彈性套柱銷聯軸器故障分析

陳 昕，吳善躍，王嘉志，錢 灃

（1.中國人民解放軍92957部隊，浙江舟山 316000；2.中國人民解放軍91937部隊，浙江舟山 316000）

0 引言

液壓控制系統具有功率大、響應快、控制精度高等特點，在大中型船舶上大都采用液壓裝置作為舵機的動力源。液壓泵組作為液壓舵機的核心設備，主要由電機、液壓泵和聯軸器組成，其作用是輸出高壓油至操舵裝置，驅動舵葉對外做功。電機通過聯軸器向液壓泵傳遞扭矩，如果聯軸器出現松動或失效，將會引發泵組的異常振動，嚴重時會影響船舶的安全航行[1]。

本文通過對某船舵機液壓泵組彈性套柱銷聯軸器故障的分析，探究故障信號特征與故障機理間的關系，總結故障分析規律，可為船舶旋轉機械的故障診斷提供參考。

1 監測對象與修理前監測

某船舵機液壓主泵由電機、液壓泵和聯軸器組成，其中聯軸器采用彈性套柱銷連接，起傳遞扭矩和減緩沖擊的作用。

據船員反映，該船舵機右主泵振動較大，并伴有異常噪聲。為方便對比，技術人員對型號相同的左、右主泵都進行了振動監測，測點布置在電機自由端、輸出端和泵部的輸入端、自由端，每個測點分別測量水平徑向（H）、垂直徑向（V）和軸向（A）的振動（圖1）。

圖1 舵機液壓泵組結構及測點

表1 給出了泵組各測點方向的振動速度有效值及泵組的整機振動烈度。由表1 可知，右主泵振動烈度（7.28 mm/s）明顯大于左主泵（3.28 mm/s），參考標準GB/T 16301—2008《船舶機艙輔機振動烈度的測量和評價》，右主泵振動評級達到C 級，左主泵為B 級。進一步比較表中各數據，可發現右主泵振動較大的值主要集中在電機輸出端，該測點水平徑向、垂直徑向和軸向振動速度有效值分別為左主泵對應測點方向的6.6 倍、3.2 倍、4.4 倍。

表1 修理前各測點振動速度有效值

圖2 為右主泵輸出端3個方向的振動時域圖和頻譜圖。分析圖2 可發現：①加速度時域波形具有明顯的脈沖信號，脈沖間隔為0.039 8 s，對應于1倍軸頻25 Hz；②速度頻譜圖中，1 倍軸頻振動分量幅值較大，并出現明顯的高次諧波分量；③PeakVue 頻譜圖中存在明顯的1 倍軸頻及高次諧波分量。

圖2 修理前右主泵輸出端振動圖譜

2 維修情況與修理后監測

維修人員對泵組拆檢時，發現聯軸器下方有掉落的橡膠碎片，將聯軸器拆解后發現彈性套柱銷外層包裹的橡膠已經嚴重剝落，有的柱銷甚至能看到內部的金屬成分（圖3）。更換彈性套柱銷后，對右主泵進行復測，當量振動烈度為2.15 mm/s，相比修理前明顯降低（表2）。修理后右主泵輸出端3 個方向的振動時域圖和頻譜圖如圖4 所示，時域圖上的脈沖信號已經消失，頻譜圖中雖仍能看到1 倍頻及其高次諧波分量，但其幅值已大為減少；PeakVue 圖譜雖然仍有梳狀譜線，但加速度幅值比修理前小了1 個量級；由于液壓泵為斜盤式軸向柱塞泵，運行過程中本身存在柱塞的往復運動，由此帶來的沖擊導致圖4 b）的PeakVue 圖譜中仍存在梳狀譜線，同時頻譜圖上出現幅值較低的多次諧波分量[2-3]。

圖3 聯軸器拆檢實物

表2 修理后舵機右主泵各測點振動速度有效值

圖4 修理后右主泵輸出端振動圖譜

3 聯軸器故障原因與特征

彈性套柱銷聯軸器的柱銷外部包裹有彈性橡膠材料，能夠補償兩軸的相對位移，并且具有吸收振動和緩和沖擊的作用。彈性套柱銷聯軸器在傳遞扭矩的過程中，柱銷外層的橡膠受到長期的交變載荷作用，容易產生疲勞失效；橡膠材料如果使用過久沒有及時更換也會老化。橡膠材料失效、老化剝落后，柱銷連接部位產生比較大的間隙，聯軸器在傳遞扭矩的過程中會導致較嚴重的振動，并且伴有沖擊現象。從圖2 中時域圖的沖擊信號和PeakVue 圖譜存在的梳狀譜線可以看出明顯的沖擊特征，且沖擊頻率為1 倍軸頻。

聯軸器松動與常見的松動故障特征有所區別。旋轉機械常見的松動故障有以下3 種：①由結構松動，機械支座剛度減弱，或基礎、墊片損壞引起；②底腳螺栓松動；③轉子支撐部位松動。這3 類松動都會在頻譜上出現明顯的1 倍軸頻分量，其中第1 類和第2 類松動表現為垂向振幅明顯大于水平振幅。但從表1 可知，右主泵輸出端的水平振幅大于其他兩個方向的振幅，這是聯軸器松動與第1 類和第2 類松動最明顯的區別。第3 類松動的頻譜特征是出現軸頻及其多次諧波，在振動比較嚴重時會有1/2、1/3 倍軸頻及其多次諧波出現。從圖2 a）可見，在振幅已經達到10 mm/s 左右的情況下，頻譜圖上仍未見到分數倍頻的分量，因此聯軸器松動的故障特征也不同于第3 類松動[4]。

在設備監測與故障診斷實踐中，聯軸器最常見的故障是不對中，而不對中最明顯的特征是頻譜圖上會出現幅值較大的2倍軸頻譜線[5]。本例中聯軸器僅因為彈性套柱銷外層包裹的橡膠失效剝落而產生松動故障，并不存在對中不良的問題，因此各測點方向頻譜圖上的2 倍軸頻譜線均不突出。監測診斷人員遇到此類故障時，很容易由于頻譜圖上未體現出不對中的特征而忽視了聯軸器的松動問題。

4 總結

舵機液壓泵組聯軸器松動故障的主要特征為泵組振動加劇并伴有異常噪聲，電機輸出端振動幅值明顯高于其他測點，時域圖上出現頻率為1 倍軸頻的沖擊信號，頻譜圖以1 倍軸頻為主并伴有高次諧波分量，PeakVue 頻譜圖表現為間距為1 倍軸頻的梳狀圖譜。在設備監測與故障診斷實踐中，應注意區分聯軸器松動故障與3 種常見的旋轉機械松動故障和聯軸器不對中故障的不同特征。由于液壓泵為斜盤式軸向柱塞泵，運行過程中本身存在柱塞的往復運動，因此正常狀態的泵組在工作時PeakVue圖譜上也會體現沖擊特征，并且頻譜圖上仍存在幅值較低的多倍軸頻諧波分量。