振动检测技术在工程船舶中的应用研究

赵燕飞

（中港疏浚有限公司，上海 200000）

工程船相对于航运类船舶有设备配置密集、专业性强、负载变化大、运行工况较为恶劣的特点，一旦发生故障，影响范围大并且难以准确定位及快速抢修，将会带来严重的经济损失。早期在船机管理中，人们依据对设备的触摸，对噪音状态特征的感受，凭着现场管理人员的经验，可以判断某些简单故障的存在，并提出修复的措施。然而，随着现代化生产的发展和科学技术的进步，现代设备的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度越来越高，单单凭借一些感官和经验来判断机械故障的存在与否，已经跟不上船舶机械自动化技术发展的要求。因此，通过振动检测来对船舶机械设备的故障进行分析变得尤为重要。

1 船机管理现状

目前国内大多数企业在管理中对船机设备的维修一般采用定期维修和事后维修方法，即按预定的检修周期对设备进行维修或设备发生明显的故障特征后才进行维修。定期维修有明显的缺点，主要表现在过度维修和不足维修。过度维修就是设备尚未出现故障，还可运行一段时间，但规定的检修时间已到，也要按制度停机检修。这不但浪费人力、物力和时间，还会因维修人员的能力及水平差异、检修不当而引起故障，从而增加维修成本。而维修不足则是规定的检修周期未到，但设备已出现故障，其结果将导致生产系统的非正常停机而对生产造成影响。

目前，国内外专家研究出多种故障诊断的方法，如基于温度、压力、和油样分析等故障诊断方法，在旋转机械故障诊断方面做了大量工作，总结了旋转机械的故障机理，可作为设备监测和故障诊断的重要依据。但随着现代化技术的发展，设备结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度越来越高。单凭以往的经验和技术已经跟不上船舶自动化技术发展的要求。

2 船舶振动检测技术原理

依据稳定运转的设备，其各零部件（包括电机电流频率）都以相对固定的频率运转并因故障而发生冲击变化；将设备在运转时轴承位0-60000Hz的振动数据进行采集，根据不同设备的故障类型，计算和解调成不同的故障分析图谱。分析每个冲击频率的来源、大小及形成原因，并查找设备故障的根源。通过定期的检测、观察故障发展的过程和趋势，在合适的时机对故障设备进行精确维修。

3 应用的船舶设备及可检测故障

（1）柴油机：松动、不平衡、发火不均、振动超标

（2）齿轮箱：不对中、齿轮损伤、轴承磨损、松动、润滑不良、联轴器故障

（3）电机：转子不平衡、不对中、松动、轴承故障、润滑不良、转子、定子故障、电气故障、联轴器故障

（4）轴承箱：不对中、轴承故障、轴弯曲、松动、联轴器故障

（5）泵：叶轮平衡、气蚀、叶片平行度不良、内部零件松动

（6）其他：ISO人体舒适度、结构固有频率、结构共振查找、现场动平衡、临界转速检测、模态检测，转速校验。

4 机械设备五大故障振动特征

经过研究发现，一台无设计、制造缺陷的机械设备，非正常损坏都由以下五种原因造成的：

4.1 不平衡

转轴的几何中心线和质量中心线不重合时的一种状态，或质量中心线不在旋转轴线上。这是导致振动的最常见原因。其可通过振动以回转频率发生，并且径相振幅大于轴向振幅两倍以上的现象判断出来。我们会在频谱中看到1倍转频幅值较高。由于刚度不同，水平方向振值较垂直方向大。

（1）静不平衡

故障特征：1X 径向

我们会在频谱中看到水平和垂直方向的1X 转频幅值较高，轴向1X 幅值较低。

如果转子放在无摩擦轴承上，会自动旋转，重点会在最低的位置。静不平衡采用单面平衡校正。静不平衡会在转子两侧轴承产生 1X 力，两侧轴承的力方向总是一致的，所以两侧轴承同向振动信号是同相的也是一致的。

频谱：径向1X 幅值较高，轴向1X 较低

时域波形：采用速度单位时，正弦波。如果不是，可能是不对中，翘曲轴承，轴弯或其它故障。

幅值：对于卧式设备，比较垂直和水平方向上的振值。如果水平＞2 倍的垂直方向，那么怀疑基础松动或共振。

相位：同一轴承位置的垂直和水平相位差90°。对于纯静不平衡，两侧轴承同一方向的相位一致。

（2）力偶不平衡

故障特征：1X 径向

我们会在频谱中看到水平和垂直方向的1X 转频幅值较高，轴向1X 幅值较低。

力偶不平衡的转子可能静态时是平衡的（如果放在无摩擦轴承上，看起来平衡状态完美），但是当转子旋转时，它会在两侧轴承产生方向相反的离心力。力偶不平衡需要采用双面平衡校正。

频谱：径向1X 幅值较高，轴向1X 较低

时域波形：采用速度单位时，正弦波。如果不是，可能是不对中，翘曲轴承，轴弯或其它故障。

幅值：对于卧式设备，比较垂直和水平方向上的振值。如果水平＞2 倍的垂直方向，那么怀疑基础松动或共振。

相位：同一轴承位置的垂直和水平相位差90°。对于纯力偶不平衡，两侧轴承同一方向的相位差180°。

（3）动不平衡

特征：1X 径向

动不平衡是静不平衡和力偶不平衡的组合。常常发生在转子的跨度相比直径较长的情况下，对于这种类型的转子，动不平衡是最常见的。动不平衡需要采用双面平衡校正。

频谱：径向1X 幅值较高，轴向1X 较低

时域波形：应该是正弦波。如果不是，可能是不对中，松动。

相位：相位是最好的指示。同一轴承位置的垂直和水平相位差90°。两侧轴承同一方向的相位差30° 和150°。

（4）立式设备

特征：1X 径向（水平）

在径向方向（水平或切向）测量时，1X转频幅值较高。为了区分电机还是泵不平衡，脱开联轴器，单独运行电机进行测量，如果1X还是高，那么电机有故障，否则是泵。

频谱：径向 1X 幅值高

时域波形：采用速度单位时，时域波形将是正弦波。

幅值：刚度最小的地方，振值会最高。通常电机的顶部会最高，沿着管道方向会最小。

相位：同一方向上的相位应该一致。

（5）悬臂设备

特征：1X 轴向高，1X 径向

在悬臂设备上，你会看到垂直、水平、轴向的1X幅值较高。我们看到 1X 轴向高，是因为不平衡对转子产生了弯矩，导致轴承箱沿轴向移动。典型的悬臂转子如：悬臂泵、轴流风机、小型汽轮机。

频谱：1X 径向高，但是1X 轴向最高

时域波形：采用速度单位，时域波形是正弦波。

相位：同一轴承位置的水平和垂直相位差90°。两侧轴承轴向的相位一致，径向相位一致。

4.2 不对中(轴系，连轴节，轴承)

当采用自对中轴承和柔性连轴节时，联轴器两侧轴的中心线不重合。由于对中经验不足或热膨胀、基础移位、管道应力或等，不对中很常见。这是导致振动的第二大原因。振动以轴的旋转频率出现，也可以以旋转频率的两倍或三倍出现。对于角不对中，我们会在频谱中看到 1X轴向幅值高；对于平行不对中，我们会看到1X、2X、3X，甚至是4X、5X 的径向幅值高。

（1）平行不对中

特征：2X 径向，1X 径向较小

如果不对中轴的中心线是平行的，但是没有重合，那么这种不对中被认为是平行不对中。平行不对中会对耦合的两根轴的末端产生剪切力和弯矩。频谱测量是很有用的；但是它可能和其它故障混淆。相位可以提供更多的证据。

频谱：对于平行不对中，我们会看到1X、2X、3X，甚至是4X、5X 的径向幅值高，2X 相比1X 可以更高。3X、4X、5X 等取决于联轴器的类型和不对中的程度。

在部件（如电机）的一端垂直方向振动更大，而在其另一端，水平方向更大。

相位：比较垂直和水平相位读数时，可能是0 或180°。联轴器两侧（电机驱动端和泵驱动端）垂直相位会是反向。

时域波形：时域波形将是 1X、2X 或其它频率的组合，因此形状会是“M”“， W”

（2）角不对中

特征：1X 轴向，2X 轴向较小，1X 径向较小

如果不对中轴的中心线相交于一点而不是平行的，那么这种不对中被认为是角不对中。

角不对中会对耦合的每根轴产生弯矩，两个轴承位的轴向上产生较大的1X 和较小2X 幅值。

径向（水平和垂直）也会产生相当大的1X 和2X幅值。但是这些部件会是同相的。

频谱：我们看到轴向1X 幅值高，2X 幅值小，3X取决于振动的“线性”，可能径向会存在1X 和2X。

相位：由于角不对中，部件间（电机驱动端和泵驱动端）的轴向相位反向。测量联轴器两侧部件的轴向相位，注意传感器方向相同。联轴器两侧径向相位会是反向。

时域波形：轴向 1X 占主导的正弦波。

（3）轴弯曲

这种故障可以表现出与不对中相同的振动特性。轴弯主要是1X 轴向振动。如果弯曲接近转轴中心，主导振动时1X。如果弯曲接近联轴器，你会看到2X 振动。但当在转轴四周以轴向测量相位时，其将近相差180°，特别是当弯曲靠近轴承时，其相位差更大。失中的球轴承和滚轴轴承也表现出这些特性。能进一步表明是转轴弯曲的，是机械相对两端轴向振动间的相位差大约为180°。

4.3 润滑不良

设备在旋转过程中，经常会出现由于润滑油不足或者润滑油含有杂质造成的润滑不良现象。润滑不良会导致冲击脉冲幅值较高，当我们在加速度高频中发现较高的底部噪音时，说明设备润滑出现问题。

4.4 松动(轴套，轴承座，机座等)

振动以转轴频率的多倍同时出现，并会与设备的固有频率激起共振。相位具有两个参考标志，并且通常有点不稳定。平衡和对中的变化常常影响其振动。

特征：旋转部件：1X 谐频/结构：1X 水平/轴承座：1X、2X、3X 垂直旋转部件松动是设备的转动和静止部件、间隙过大造成的，如轴承。而非旋转松动是两个静止部件发生松动，如地脚和底座或轴承箱和设备之间。结构松动，或设备地脚松动，在刚度变小的方向上1X 振动会变大。常常是水平方向，这跟设备的安装布局有关。

频谱：每种类型的松动都有自己的特性。旋转部件松动会产生大量的谐频，并可能导致底部噪声抬起。结构松动不会产生谐频，除非有冲击-刚度最小的方向上1X 振动会最大。

相位：相位是很有用的工具。旋转部件松动会产生“随机”振动，所以相位是不稳定的。结构松动往往是一个部件振动（电机地脚），另一个静止（底座）。所以你能看到静止和振动部件的相位差是180°。

时域波形：时域波形也是很有用。尤其在采用加速度单位时，冲击更明显。而结构松动会是正弦波。

HFD：冲击会产生某频段内的压力波和激发共振频率，可以使用解调/包络PeakVue 等。

（1）松动：旋转部件

特征：1X 谐频径向（严重时0.5X）

当滑动轴承和滚动轴承间隙过大时，会产生1X 谐频，某些情况下，可产生10X。冲击能导致底部噪声抬起。在滚动轴承严重磨损后和在第四阶段故障中会发生松动。

滑动轴承间隙过大会产生 0.5X。也称半频或亚倍频。这是由摩擦和严重的冲击产生的，甚至可能产生0.3X。

频谱：旋转部件松动会产生大量谐频和抬起的底部噪声。

相位：旋转部件松动会“随机”振动，所以相位是不稳定的。实时相位读数是否稳定很重要的（转速传感器相对于键槽）。

时域波形：时域波形中冲击很明显，最好使用加速度单位。（g’s 或mm/sec2）

HFD： 冲击会产生某频段内的压力波和激发共振频率，可以使用解调/包络/PeakVue 等。所以会在解调谱中看到1X 谐频。

（2）松动：结构松动

特征：结构：1X 水平

这种形式的松动是由基础刚度变弱（水泥灌浆失效或混凝土裂纹），设备安装支架，底座，螺栓连接造成的。刚度变小（通常是水平）的地方，设备可以更自由的振动，所以1X 转频幅值会升高。

不平衡、结构松动和共振很容易混淆。查看“Additional tests”进行区分。松动的螺栓、腐蚀、开裂的支架，可以导致基础变的弹性或松动。注意：如果设备是弹性基础，那么水平方向振动总是会大。

频谱：结构松动会在刚度变小的方向产生很大1X的幅值-除非有冲击，这种情况下也会产生谐频。

相位：结构松动往往是一个部件振动（电机地脚），另一个静止（底座）。所以你能看到静止和振动部件的相位差是180°。

时域波形：时域波形是正弦波（速度单位）。如果有任何接触，波形的顶部或底部会发生削波。

（3）松动：轴承座松动特征：1X、2X、3X 径向

有裂纹的轴承座、松动的轴承座，故障隔离器，会造成这种独特形式的松动。由于设备发生的运动，会产生很大1X，2X 幅值。由于2X 幅值可能比1X 幅值大，常常被怀疑为不对中。某些情况下，会产生3X，还有亚倍频振动（1/2X， 1/3X，1/4X 等）。频谱中会有 1X、2X 和3X（但往往没有谐频），严重时会有0.5X。相位时不稳定的。

频谱：查看1X 和高幅值的2X 还有3X，亚倍频（1/2X， 1/3X， 1/4X 等）可能会出现。

相位：由于运动方式，相位不会一直稳定（而不对中会产生稳定的相位）。

时域波形：由于运动方式，时域波形不会是恒定的循环周期。采集10~15 个周期，并使用速度单位，更容易查看。

4.5 共振

振动出现在部件振动的单一自然频率。它是部件容易发生振动的一种频率。比如，当轴转速达到其临界频率时，共振就发生了。让机器从运行速度减速下行，便可检测出共振。观察振幅分析仪和频率测量仪，如果振幅开始时下降，然后上升，然后又下降，则上升发生处的频率即为自然频率。当机器在与自然频率相等的速度上运行时，共振就会发生。随着机器转速通过共振频率，相位将会有一个很大角度的移动，甚至多至180°。

5 工程船舶设备主要故障特点

5.1 齿轮箱故障

齿轮以转轴旋转频率与轮齿齿数的乘积为齿轮啮和频率。边带频率等于轮齿啮合脉冲频率减去齿轮旋转的速度，齿轮磨损后我们会在相应的频谱图中发现较高的边频带峰值出现；当出现断齿现象时，同时会出现轴旋转频率的峰值。齿轮工作中也可能会产生偏心故障，偏心齿轮会产生很大的1X径向振动，特别是与齿轮平行的方向。相位表现出多参考标记并且是不稳定的。

5.2 泵汽蚀

当泵有汽蚀现象发生时，很容易在加速度谱中查看到叶片通过频率和高频抬起的底部噪声，即在加速度高频中出现类似于小山丘的“山丘状”峰值。

5.3 滚动轴承故障

跟滚动轴承相关的故障有很多，如：1-4阶段的轴承磨损、润滑故障、翘曲轴承、电蚀、打滑、松动等。其振动是以存在许多高频振动峰值，峰值会以倍数的形式存在，还有以许多上下波动图线的脉冲频率区域为特征的。通过计算我们可以得知相应轴承的故障频率，以判断轴承是否出现磨损。当我们在频谱图中看到转轴的转频及其倍频时，我们可以判断轴承是否发生了松动、打滑、走外缘等故障。其低频通常不是转轴旋转频率的整数倍，但可从轴承尺寸及轴转速粗略计算出来。由轴承早期故障发出的高频振动则不容易计算出来，但会在3000Hz~5000Hz形成山丘状峰值。相位也是不稳定的。

故障频率计算（n：滚动体个数，D：节径，d：滚动体直径，α：接触角）

轴承内圈故障（BPI）=n/2(1+(d/D)cosα)

轴承外圈故障（BPO）= n/2(1-(d/D)cosα)

保持架故障频率（FTF）= 1/2(1-(d/D)cosα)

滚动体故障频率（BS）=D/2d[1-(d/D)2cos 2α]

5.4 滑动轴承故障

滑动轴承由于间隙较大，极有可能会出现油膜涡动现象。当出现油膜涡动时，我们会在频谱图中发现径向当在0.38X-0.48X 之间发生强烈振动。它永远不会是精确的0.5X，总是比这个频率低点。

5.5 电机转子与定子偏心

当我们在频谱图中看到1X转频±极通过频率边带和2X线频±极通过频率边带时，那么就说明电机的转子已经发生偏心现象。偏心的转子会在转子和静止间产生变化的气隙，这会产生脉动。定子故障会产生很高2X线频振动。定子偏心会在转子和定子间产生不均匀间隙，这样会产生定向的振动。

5.6 电机电气故障

定子出现电气故障，电机振动出现电流工作频率两倍的发生。转子出现电气故障，振动出现滑差频率，并以轴频率边带出现，相位是不稳定的。电机通常可通过切断电源，看振幅是缓慢下降还是突然下降，来确定是否为电器故障。缓慢下降表示是机械失衡；突然下降则表示是电器失衡。频闪相位测量仪可显示一个单一稳定的参考标志。

5.7 柴油机发火频率

四冲程发动机0.5X/两冲程发动机1X。往复设备的振值一般都很高。对于四冲程发动机，隔一周点火一次，会产生很大的0.5X。对于两冲程发动机，如柴油机，每冲程点火一次，所以会产生很多的1X。

5.8 空气/液压动力脉冲

振动以转轴频率与叶片数或是叶轮叶片数的乘积为频率出现。振幅通常较低，除非是发生共振的振幅。

6 振动诊断分析操作步骤

首先，充分收集有关机器的工作原理、结构参数、操作性能、故障历史及检查维修情况，在此基础上，测取机组运行过程中的振动信号，然后对测得的信号进行计算，去除噪声干扰成分，提取出有用的机器运行状态信息，再结合信号特征、故障机理及历史运行情况对机器状态进行识别，了解故障部位及发展趋势，最后提出检测结论及操作、维修建议。

船舶振动检测分为设备在线监测与定期巡检。设备在线监测是通过把传感器安装到需要监测的设备的测点上，对全船的重要及易损的设备进行在线振动监测，并形成报警系统；通过实时的振动数据、船舶施工工况和维修情况的结合，形成实用、可靠的设备故障预、报警标准。定期巡检即振动检测工程师基于时间周期，使用手持式仪器对机器进行定期的测量和检测，并根据结果，使用分析软件进行分析和故障诊断。

7 振动检测的意义

通过以上振动检测手段对设备状态进行监测，可以预知设备部件故障情况，及时改善设备运行环境，协助管理人员把握合理的维护时机，根据设备的实际情况制定维修和备件计划；避免设备突然失效和过度维修。最终达到延长设备使用寿命，保证设备稳定可靠地运行，降低备件库存，压缩管理空间，提高船舶管理水平和施工效率。同时，对设备的全生命周期进行监测、研究；对不同工况下的设备性能进行评估，对船舶生产工艺的制定提供支持。

并且，通过振动检测我们可以达到以下目的：（1）日常维护中，可观察机器的运行状态，了解机器的损坏程度，及时改善设备的运转环境，避免故障快速恶化。（2）进场大修之前，通过振动诊断分析，判别各机器状态，凭借数据做出各机器是否检修。（3）大修出厂以后，可通过诊断分析结果，判断修理质量是否合格。

8 结语

船舶关键性设备的振动检测运用，能及时发现设备重大隐患，适时开展预防性修理，避免重大机损事故和次生危害。船舶振动检测技术目前已在国内少数大型挖泥船上开始应用，通过振动检测，可以掌握柴油机、电机、齿轮箱、泥泵等主要设备的运行状态，做出预警和报警提示。不仅减少了常规性修理的频率，避免过度维修，而且消除设备安全隐患，避免发生机损事故，保证设备安全。