某型柴油機振動異常檢測與排查

王光同 黃映云 劉亞峰 張瑞波

(海軍工程大學)

1 引言

振動問題普遍存在于工業生產和工程的各個領域，在柴油機的運行過程中，振動問題不僅會降低柴油機的性能，還可能會造成一些惡性事故。隨著使用年限的增加，某型柴油發電機組的振動問題也越來越突出，個別柴油機振動異常強烈，已嚴重影響了正常工作，以1號柴油機組為例，主要問題體現在該柴油機組多次振斷 (裂)管路，甚至將機腳螺栓振斷。由于柴油機結構復雜，振源多，主要包括壓力、進排氣門開啟和落座沖擊、活塞對缸壁的撞擊等，它們將激起柴油機系統在各自的固有頻率上作弱阻尼衰減振動〔1〕。某一零件出現故障常常被其它零部件運行中的振動信號和大量的隨機噪聲所淹沒，所以依靠單一方法很難查找到振動異常的真正原因，為此我們結合柴油機檢測常用方法，并利用振動信號分析法〔2〕對該1號柴油機組進行多方面的測試，同時對正常工作狀態的2號柴油機組進行測試作為對比。

2 故障檢測

該型柴油發電機隨著使用年限增加，振動問題日漸突出，針對其暴露的問題，研究人員主要從排溫及爆壓、瞬時轉速、振動烈度、機體振動、調速器振動、靜態管路模態等方面進行檢測與分析。

2.1 排溫及爆壓測試分析

使用機組自帶各缸排溫巡檢監控表和爆壓檢查表對兩臺機組的排氣溫度以及燃燒壓力數據進行測試和分析，判定柴油發電機組的工作性能及各缸工作均勻性。根據測量數據可知，各機組氣缸排氣溫度均小于技術指標，滿足技術要求;除空車及低負荷外，在接近額定負荷工況下，各氣缸排氣溫差均在正常范圍內。爆壓測試數據表明，1號機組爆壓均勻性較差，2號機組在正常范圍內，爆壓均勻性差可能與供油不均、油頭滴油、供油定時不合適有關，后期排查時應對燃油系統進行仔細校驗，從測量結果來看各缸排溫及爆壓的均勻性與機組振動關系不十分明顯。

2.2 瞬時轉速測試分析

曲軸瞬時轉速信號中蘊含著豐富的柴油機工作狀態信息，影響柴油機工作過程的許多重要參數都可以通過瞬時轉速反映出來，是柴油機狀態監測的主要技術指標〔3〕，分析瞬時轉速的波動可以得到其運行狀態和相關故障的信息。測試通過手持式采集器采集信號，從專用分析軟件進行分析得出的瞬時轉速波動幅值可以看出兩機組的轉速波動都很小，表明其工作的平順性較好，各缸工作的不均勻性不是引起機組振動過大的主要原因。

由瞬時轉速的主要頻率階次成分分布和瞬時轉速頻譜分析圖可以看出，振動最小的2號機組其頻譜呈規則的隨轉速階次的增高而逐漸減小的趨勢，1號機組第一階頻率處的幅值與其它階相比比較突出，因此該機組軸系有可能與機組振動過大有關。

2.3 振動烈度測試分析

振動烈度的測試共布置測點7個，主要分布在機體右側面，每個測點進行三個方向測試，根據測試結果可知，1號機組振動烈度評級為振C級，2號機組處于B級。作為對比分析的2號機組不僅振動烈度最小，各測點的頻譜結構中線譜特征不突出，且無固定頻率結構成分，在大負荷下振動烈度低于12mm/s，而1號機組其振動烈度最大，在大負荷下振動烈度超過25mm/s，柴油機上部測點振動明顯大于下部，且在機組橫軸線方向垂直的水平方向上異常大，速度有效值最大超過35 mm/s。測點頻率線譜特征突出，各測點各方向頻率突出成分接近。

2.4 柴油機機體振動測試分析

由振動烈度的測試可以看出1號機組異常振動比較嚴重，為找出振動異常的準確位置，在測試振動烈度七個測點的基礎上再增加三個測點，分別是機體自由端齒輪傳動及軸系減振器右側、齒輪傳動左側和軸系減振器左側。通過上述測點振動加速度的測量結果可以看出，作為振動正常的機組，2號機組各測點沒有明顯的與轉速倍頻相關的線譜頻率成分出現，而1號機組在各運行轉速、工況下均出現明顯的與轉速倍頻相關的線譜成分。

2.5 調速器振動測試分析

由于1號機組調速器目測振動幅值較大，對其進行了振動測量。根據測試譜圖可以看出，1號機組振動明顯劇烈，加速度總值超過80m/s2，對其穩定運行產生一定影響 (見圖1)，作為對比，2號機組譜圖中基本沒有低頻線譜存在。

圖1 1號機組額定轉速時調速器振動加速度

2.6 柴油機管路靜態測試分析

本測試的目的是測量柴油機主要管路及振動較大管路的共振頻率、彈性軟管的傳遞特性，以摸排管路是否與柴油機運行發生共振、管路最低共振頻率、以及彈性軟管的振動衰減等情況。采用靜態錘擊法進行測試，即機組處于完全停機 (靜止)狀態，用ICP力錘激勵管路，用加速度傳感器測量管路的響應，同時記錄激勵力和加速度信號，分析力與加速度響應的傳遞特性和加速度響應特性。測點布置在柴油機主要管路，儀器采用ICP力錘、測試分析儀及加速度傳感器，分析頻率1kHz。力錘信號觸發，4次平均。測試結果顯示1號機組滑油管通閥管路支撐太弱，且第1階、第2階位于額定轉速倍頻附近，極易引發強共振，1號機組調速器結構靜態測試頻譜顯示其首階模態頻率在額定轉速倍頻附近。由于前述兩部位位于柴油機自由端中、上部，頻率接近，實測振動表現強烈，因此必須加以重視。

3 綜合分析

根據排溫及爆壓、瞬時轉速、振動烈度、機體振動、調速器振動、靜態管路模態等測試結果進行分析，以及與參照對象的比對，可以綜合判斷，1號機組柴油機振動異常的主要原因是與曲軸相關的旋轉運動部件異常導致，初步判斷為柴油機曲軸軸瓦異常、曲軸減振器銷柱磨損過大。

4 故障排查

針對上述測試結果，具體的排查工程主要包括以下幾個方面:

(1)檢查擺式減振器擺銷與襯套的尺寸及配合間隙、磨損情況。

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拆檢發現擺式減振器一處襯套與擺銷配合處出現明顯磨損。同時發現其中一個擺塊上2只襯套橢圓度超差。通過換新、調整安裝角度等辦法對此進行了修復。

(2)擺式減振器相對擺塊進行稱重調整及外形尺寸復核。

擺式減振器相對擺塊進行稱重檢查，外形尺寸復核未見異常。但是有三對相對擺塊重量差達到100克以上，可見擺式減振器相對擺塊重量超差嚴重。對此，采取了重新選換蓋板或在蓋板相應位置去除部分重量等措施進行了修復。

(3)檢查曲軸各平衡塊、軸承座的緊固情況本項檢查未見異常。

(4)檢查全部主軸承情況。

檢查發現，第2道主軸承上、下軸瓦有3道超過修理標準的明顯劃痕、第6道主軸承下軸瓦有5mm長的裂紋。對此工程上采取了更換左柴油機損壞的第2道上、下軸瓦和第6道下軸瓦，對劃痕較多的第2、4、6道主軸頸采用砂布和滑油拋光銳邊處理等措施。

5 排查前后對比

根據機組異常振動的不同原因和工程實施內容，工程實施完工后對機組進行了測量評價，以判斷其異常振動的排查效果。

(1)爆壓及排溫

經測量，排查后各缸爆壓及排溫均在正常范圍，其中各缸排溫溫差不超過25℃，爆壓相差不超過1MPa。

(2)振動烈度

排查前為容忍工作狀態;排查后為正常工作狀態，排查后柴油機振動狀態有很大改善，與其它機組相比，已達到較好工作狀態。排查前測點速度超過35mm/s，特別是在機體飛輪端頂部和集體自由端頂部振動很大，經過排查后振動烈度達到A級。

(3)機體振動加速度

排查前后柴油機機體振動加速度測試數據表明，排查后機體振動加速度明顯減小，除機體自由端頂部測點以外，其它都小于11m/s2，總體呈現正常振動狀態。

6 結論

1號機組排查后柴油機振動狀態改善明顯，振動烈度由容忍工作狀態改善為正常工作狀態，振動加速度也下降明顯，已達到較好工作狀態，因此，基于振動信號分析法并且結合柴油機常規技術指標的測量，對柴油機的故障診斷和排查具有實用價值。

〔1〕柯維，張永祥，郭彬.柴油機振動信號二階循環平穩特性分析〔J〕.武漢理工大學學報 (交通科學與工程版)，2012，36(2):328－331.

〔2〕李敏通.柴油機振動信號特征提取與故障診斷方法研究〔D〕.陜西:楊凌，2012.

〔3〕劉鵬.TBD620柴油機動力傳遞機構與配氣機構耦合動力學特性研究〔D〕.武漢:海軍工程大學，2011.