基于振动监测的船用燃油泵故障诊断

2021-03-01王溢镛王艳武高洪滨

机电工程技术 2021年1期

王溢镛，王艳武※，高洪滨

（1.武汉东湖学院机电工程学院，武汉 430212；2.92601部队，广东湛江 524009）

0 引言

船用燃油泵作为船舶动力系统重要的辅助设备，直接关系到船舶的运行情况，其状态直接影响到船舶航行的可靠性和经济性。某船舶在航行过程中，发现主机燃油泵振动明显增加，为保证船舶航行的安全性，切换燃油泵运行，并对该泵实施振动监测与诊断，提出了修理意见，并最终消除了故障隐患，保证了船舶航行的安全。由于船舶燃油泵工作环境以及基础结构特点，在日常运行过程中，常常会因为振动过大导致其停机，严重影响船舶航行安全性和可靠性。因此根据该泵组运行特点，开展船用燃油泵状态监测与故障诊断研究，为船用燃油泵的运行提供理论指导，为燃油泵的维修提供依据，对提高船舶燃油泵的可靠性，保障船舶续航力具有重要意义。

随着传感器技术、信号分析处理技术以及计算机技术的发展，水泵的状态监测与故障诊断技术也有较大发展[1]。吕自荟[2]利用监测水泵机组电信号，结合压力开展水泵机组状态监测与故障诊断研究。杨振等[3]利用测量的振动烈度对某泵的松动和碰摩故障进行了工程诊断分析。李野[4]针对电厂泵组振动原因进行分析，并提出了治理方法。李东[5]在对油田潜油泵结构分析基础上，对机组常见故障原因以及振动检测方法进行了分析。骆寅等[6]针对传统有线振动测试系统存在问题，开展了基于无线传感网络的水泵振动状态监测系统设计研究。于忠杰[7]、孙斌[8]等对船用滑油泵的振动故障分别进行研究，并提出了检查修理建议。这些结合实际工作开展的具体研究分析，对各类泵组状态预测与故障诊断具有重要的工程指导价值。本文针对某船舶燃油泵振动偏大的问题，利用轴承脉冲检测结合振动频谱分析，对该泵实施状态监测与诊断，提出使用和修理建议，消除了故障隐患，保证了船舶安全航行，也为其他船舶泵组的诊断提供经验借鉴。

1 船用燃油泵基本类型及常见故障

1.1 基本类型

船用燃油泵一般由电动机驱动，根据泵结构和原理不同，常用的海水泵主要有容积泵、喷射泵、叶轮式泵。

容积泵是利用做功部件周期性运动引起工作腔容积周期变化来吸排液体。当容积增大时，压力会降低，从而吸入液体；当上述条件相反时，则排出液体。容积泵可分为往复式泵和回转泵。往复式泵又可分为活塞泵和柱塞泵；回转泵可分为齿轮泵、螺杆泵、叶片泵等。

喷射泵是对液体增压，然后液体压能转换为液体动能，从而在喷嘴处高速喷出。具体可分为水喷射泵、空气喷射泵等。

叶轮泵是靠叶轮带动液体作高速回转运动，机械能转换为液体压能，由于压力差将液体压出管道，从而达到输送液体的目的。叶轮泵大致可分2类，分别是离心泵和旋涡泵。

1.2 常见故障

船用燃油泵振动的原因复杂多样，与一般动力机械的振动有所不同，伴随多种因素叠加而成。不仅需要考虑自身的机械振动，还要考虑到电机振动以及流体压力。这3部分的振动是相互影响的，而在实际燃油泵的监测诊断过程中很难同时考虑到这3种因素的影响，因此本文的研究只考虑机械振动方面的诊断。

从实际运行情况统计来看，引起燃油泵机械振动的因素有很多，最常见的有转子不对中、转子不平衡、轴承故障、碰摩、基础松动等。在诸多因素中，又以转子不平衡与不对中为主要原因。

从燃油泵运行机理分析，每一种振动故障都具有一定的振动特征。因此在工程实际中常用振动监测技术来对燃油泵各类故障及其原因进行分析，将测得的振动信号进行频谱分析，根据各种故障振动特征进行诊断，判断机组所发生的故障原因。

2 船用燃油泵振动信号测量

某船所用燃油泵为电动泵，其参数如表1 所示。该泵为三相异步电动机通过连轴节直接与泵连接，驱动泵旋转做功。

表1 燃油泵机组技术参数

振动测点的选择应满足对振动反应敏感、信息丰富、适应诊断目的、适于安装传感器，并符合安全操作要求。基于这样的要求，在振动测试过程中，选择燃油泵组3 个部位2 个方向6 个测点进行振动测量，如图1所示，测点1、3、5分别为电机自由端、驱动端和泵驱动端水平径向测点，2、4、6分别为垂向测点。分别从这2个位置的轴向和径向进行测量。利用轴承脉冲检测仪测量了电机驱动端和泵驱动端的轴承脉冲，利用机械综合状态检测仪测量了机组通频振动烈度，测量数值如表2所示。根据GB/T16301-2008，该泵振动处于D级水平，需要检修。

图1 燃油泵组结构示意图

表2 通频振动烈度和轴承脉冲数据

3 船用燃油泵状态分析

该泵结构相对比较简单，运行过程中振动手感较大，测量结果也显示电机两端振动烈度超标，但是声音正常，说明主要是中低频振动故障。对于该类泵最常见的是不平衡或者不对中故障，有时也可能是松动故障。为了准确进行诊断，应该重点测量和分析振动速度波形和频谱，同时进行相位分析，以区分不平衡或者不对中故障。

图2～3 所示为电机输出端和泵在垂直方向和水平方向的振动速度波形。从波形图来看，4个测点时域波形均为近似正弦波形，泵端波形存在明显谐波叠加，即波峰存在明显的次峰，从波形图分析可以认为该机组存在不平衡或者是平行不对中的问题。为了准确进行诊断，还需进一步结合频谱和相位进行分析。

图2 电机输出端和泵垂向振动速度波形

图3 电机和泵水平振动速度波形

图4～5 所示为4 个测点振动速度频谱图。从图中可以看出，电机输出端振动主要集中在24.2 Hz，垂直方向振动较小，最大值为5.25 mm/s，水平方向为9.1 mm/s。泵端振动存在2 个主要频率24.2 Hz 和72.6 Hz，但是主要集中24.2 Hz，且最大值不超过4 mm/s，属于正常范围。进一步对转频相位进行分析，仍以电机驱动端和泵驱动端2个测量点为主，对2 个测量点的垂向和水平相位差进行测量，得到2 个点垂向相位差接近130°，水平相位差接近于180°。根据连轴节两端的相位差值，判断该泵存在轴不对中故障，建议检查调整对中。

图4 电机和泵垂向振动速度频谱

图5 电机和泵水平振动速度频谱

停机进行拆检，重新调整了该泵的对中，调整后再次监测，得到通频振动烈度如表3所示，可以看出，振动烈度相比维修前显著下降。

4 结束语

本文利用轴承脉冲检测仪、机械综合状态检测仪在对船用燃油泵进行初步检测的基础上，发现该泵组电机自由端和输出端水平方向同频振动烈度超标，已经达到修理等级。利用振动频谱分析仪测量该机组振动速度频谱，综合时域、频域和相位分析，发现该机组振动主要集中在转频，且连轴器两端测点相位差180°，判断该泵组存在平行不对中故障。修理结果验证了诊断结论的正确性。通过本文研究，可以得出如下结论。