振动监测诊断技术在设备管理中的应用与研究

2013-12-07许斌

中国设备工程 2013年9期

关键词：倍频齿轮箱径向

许斌

(中国人民解放军海军91315部队，辽宁大连 116041)

一、振动信号分析的基本方法及特点

1.振动信号分析的基本方法

机械振动信号分析的基本方法主要有振动幅值分析法、振动相关分析法、振动频域分析法、振动时序分析法及振动特征分析法。

2.振动信号分析的特点

(1)振动幅值分析法：应用于幅值分析的参数有均值、均方根值、峰值等。

(2)振动相关分析法：相关分析主要是应用相关系数与相关函数来实现，即通过相关函数来研究两个信号之间的相关性和依赖性。

(3)振动频域分析法：频域分析的基础是频谱分析，即分析动态信号幅值、相位、功率和能量随频率的变化关系。频谱分析主要包括功能谱密度函数分析、细化谱分析、倒频谱分析、冲击响应谱分析、全息谱分析等。

(4)振动时序分析法：是对时序的观测数据进行统计学处理与分析的一种方法，是数据的统计处理与系统分析相结合的一种方法。时序分析的手段就是建立时序模型。

(5)振动特征分析法：主要是在转速变化或稳定时，对旋转机械的各部位振动值进行特征描述。

二、监测诊断某船主机齿轮箱振动异常故障

1.故障特征

齿轮箱主要由齿轮、轴、离合器、轴承、辅助设备和箱体等构成。据统计，齿轮、轴、滚动轴承和辅助设备的故障占齿轮箱故障的90%以上。根据振动信号的特点，一般常见的典型故障形式有：齿形误差、断齿、轴不平衡、轴承故障、辅助设备的故障等。出现故障时的主要特征如下。

(1)齿形有误差时，频谱图中齿轮啮合频率两侧出现的边带数增多，而且2倍和3倍啮合频率幅值通常很高。

(2)存在断齿时，频谱图中齿轮固有频率的幅值比1倍转速频率的幅值高10倍以上。

(3)存在轴不平衡时，频谱图中1倍转速频率幅值很高。

(4)滚动轴承存在故障时，存在强烈的振动冲击脉冲。

(5)轴承配合松动时，频谱图中会出现2倍、3倍、4倍啮合频率的幅值。

(6)辅助设备存在故障时，频谱图中相对应特征频率位置会出现幅值增加和边频带。

2.故障分析

某船试航时，使用UT3204振动信号分析系统对左、右柴油机齿轮箱进行监测，检测结果如图1、2所示，工况为输入轴转速810r/min。该型齿轮箱传动比为3.583 3，一级主齿轮齿数为48齿，一级从动齿轮齿数为48齿，二级主齿轮齿数为24齿，二级从动齿轮齿数为86齿。

图1 左齿轮箱二级主动齿轮横向、纵向振动图谱

图2 右齿轮箱二级主动齿轮横向、纵向振动图谱

从振动频谱图可以看出右齿轮箱二级齿轮啮合频率325Hz及其2倍、3倍、4倍频振动幅值逐渐增大，比照故障特征频率，可以初步判定为轴承配合轻微松动；右齿轮箱在相同工况的振动频谱图中4 075～5 825Hz区间出现异常的振动。根据齿轮箱润滑油泵滚动轴承型号计算出其滚动体故障特征频率为4 460Hz，初步判定为油泵轴承存在故障隐患。经拆卸，发现二级主动齿轮轴承安装间隙偏大、油泵轴承滚珠有2个已磨损。修复后，齿轮箱运行正常。

三、监测诊断某柴油发电机组振动异常故障

某船机电设备1台单列四缸四冲程柴油发电机组启动后噪声和振动比机舱内其他同型柴油发电机组大。已知发电机组转速为1 500r/min，在额定工况下，采集发电机自由端垂直径向、水平径向和轴向3个方向的振动波形和频谱信号，并对振动信号进行比较分析，采样频率为1 024Hz。采集的部分时域波形信号及其频谱图形如图3、4、5所示。

图3 发电机自由端垂直径向振动频谱波形图

图4 发电机自由端水平径向振动频谱波形图

图5 发电机自由端轴向振动频谱波形图

振动频谱图显示发电机组径向和轴向的2倍频对应的振动幅值都非常突出，尤其以垂直径向的2倍频振幅最为明显，而且存在有1倍频和多倍频等高频成分。对于四缸四冲程柴油机，扰动力的主要来源是二次不平衡简谐倾覆力矩和垂向二次不平衡往复惯性力。计算得到二次不平衡简谐倾覆力矩和垂向二次不平衡往复惯性力的频率为50Hz。由于存在柴油机50Hz频率的影响，所以在垂直径向方向上的频谱2倍频比其他方向上的2倍频都要突出。波形信号具有明显的周期性，近似为类正弦信号的叠加，没有大的加速度冲击现象。测量得到主要波形的周期为20ms，所对应频谱的频率50Hz。综合采集到的信息分析，诊断此柴油发电机组存在的故障为转子对中不良，致使联轴器发生故障。停机后对机组联轴器检查发现联轴器的连接螺栓已断掉2只，其他螺栓也已经严重变形。检查转子对中情况发现不对中量严重超标。根据诊断意见及检查结果，重新对柴油机和发电机找正对中，故障得到排除。