基于多元信息的船用空壓機故障診斷技術

路 瑤，王艷武，高洪濱

(1.中國人民解放軍92601部隊， 廣東 湛江 524009；2.武漢東湖學院 機電工程學院， 武漢 430212)

船用空壓機作為一種重要的輔助設備，由于其結構相對復雜，工作環(huán)境惡劣，經(jīng)常會發(fā)生各種故障，直接影響船舶航行的安全性，因此開展船舶空壓機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術研究，具有重要的工程實際意義。

設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷具有多種技術手段，例如油液分析法、振動噪聲分析法、電分析法、壓力分析法、應力分析法、熱紅外分析法、無損檢測法等。張明悅等[1]、孫斌等[2]、宮能春等[3]利用振動測試診斷方法，在測量計算空壓機組固有頻率的基礎上，對空壓機共振故障進行分析治理；吳詩謙等[4]利用默認閾值小波去噪對船舶空壓機振動信號進行分析，對其狀態(tài)診斷，提出修理方案，解決該空壓機振動過大的問題；王曦等[5]、馬仲翦等[6]、李秀芳[7]利用潤滑油監(jiān)測診斷方法，對空壓機磨損故障進行分析診斷；趙軍等[8]利用振動及油液分析技術，對船用空壓機狀態(tài)評估進行實例分析研究。從當前船用空壓機狀態(tài)監(jiān)測與診斷實施情況來看，沒有哪一種方法能分析所有的故障問題。因此結合船用空壓機實際工作特點，開展多元信息測量診斷研究，對于提高空壓機診斷的準確性將有重要幫助。

1 振動測試分析

某船有2臺同型號空壓機，額定功率10.5 kW，額定轉速1 470 r/min，柔性支撐。在運行過程中，發(fā)現(xiàn)二者振動較大。由于船舶航行過程中條件限制，僅僅攜帶便攜式振動監(jiān)測設備。監(jiān)測診斷實施中，首先采用振動測試，并同步采集潤滑油油樣回實驗室分析。

采用VIBXPERT Ⅱ振動分析儀測量了2臺空壓機的振動信號。通頻振動烈度(0.01～1 kHz的振動速度均方根值)測量結果如表1所示。按照GB/T 16301—2008標準，1#空壓機和2#空壓機振動等級均為D級，需要檢修。特別是2#壓縮機振動嚴重超標，缸蓋橫向振動烈度高達102.8 mm/s。

表1 空壓機振動烈度

為進一步分析振動超標原因，測量了該空壓機振動速度波形和頻譜。振動速度波形如圖1～圖3，速度頻譜如圖4～圖6。通過分析發(fā)現(xiàn)兩臺空壓機組振動速度都是以轉頻(24.5 Hz)成分為主。結合空壓機額定轉速，分析可能的原因有：激勵的變化(例如轉子不平衡、軸系不對中、增壓空氣的氣動作用等)、結構不良(例如底座剛度不足、松動)和共振，但具體是那種原因，還需要進一步分析判斷。

圖1 1#空壓機缸蓋垂向振動速度波形

圖2 2#空壓機缸蓋垂向振動速度波形

圖3 2#空壓機缸蓋橫向振動速度波形

圖4 1#空壓機缸蓋垂向振動速度頻譜

圖5 2#空壓機缸蓋垂向振動速度頻譜

圖6 2#空壓機缸蓋橫向振動速度頻譜

為了判斷是否是共振或者底座剛度不足，采用敲擊法對2臺空壓機的垂向和橫向固有頻率進行了測量。結果如表2所示。

表2 空壓機固有頻率測量結果

以單自由度系統(tǒng)為例，系統(tǒng)的放大系數(shù)為：

由于兩臺空壓機的質量、隔振器型號和安裝基本一致，從理論上來說其固有頻率應該差不多。但實際測量結果表明，2臺空壓機固有頻率差別很大，可能原因有：安裝位置的底板剛度不一致；2#空壓機結構松動或者隔振器損壞。

2 潤滑油檢測分析

從振動監(jiān)測診斷結果來看，難以準確確定兩臺空壓機振動超標的原因[9]。為了準確定位故障原因，對2臺空壓機的潤滑油油樣進行了檢測分析。

表3為1#空壓機光譜分析結果。鐵元素含量(102 ppm)嚴重超標。圖7為鐵譜分析典型譜圖。鐵譜分析結果表明，整個譜片上附有大量的鐵系磨粒鏈、中量的疲勞磨粒和鐵的紅色氧化物。圖7(a)是入口端磨粒鏈上附著的球磨粒，最可能為滾動疲勞磨損；圖7(b)為一層狀磨粒；圖7(c)為譜片中端一帶有藍色回火色的有色金屬疲勞磨粒。說明摩擦副存在潤滑不良、疲勞磨損和輕微的腐蝕磨損。

表4為2#空壓機光譜分析結果。鐵元素含量(335 ppm)嚴重超標，鋁元素含量(11.5 ppm)超標。鐵譜分析結果表明，整個譜片上附有中量的鐵系磨粒鏈、疲勞磨粒和暗金屬氧化物。圖8(a)是入口端磨粒鏈上附著的層狀磨粒；圖8(b)為附著在磨粒鏈上的切削磨粒和疲勞磨粒；圖8(c)為出口端的腐蝕磨粒和暗金屬氧化物。說明摩擦副存在潤滑不良和嚴重的疲勞磨損。

表3 1#空壓機光譜檢測結果

表4 2#空壓機光譜檢測結果

圖7 1#空壓機鐵譜圖

圖8 2#空壓機鐵譜圖

3 基于多元信息的船用空壓機診斷研究

油液分析結果表明2臺空壓機的摩擦副均存在明顯的磨損。空壓機的主要摩擦副有：連桿和曲軸、連桿與活塞銷、活塞和缸套、氣閥和閥座。因此，前3個摩擦副磨損會導致轉子不平衡性變差，氣閥和閥座磨損會導致氣動故障。從前述潤滑油檢測分析結果可以確定的是兩臺空壓機存在磨損，但是磨損原因及部位難以確定。結合振動測試，從圖9和圖10可以看出，2臺空壓機缸蓋垂向振動加速度波形明顯不同。1#空壓機每轉有2個明顯沖擊，2#空壓機每轉有1個明顯沖擊，而沖擊信號與氣閥關系密切，說明其中1臺空壓機氣閥可能存在問題。結合油液分析結果，1#空壓機單純鐵質元素含量較高，其他金屬元素含量在允許范圍之內。結合船用空壓機結構及其常用材料，如果單純鐵元素超標，說明機組磨損部位組成材料以鐵元素為主，分析空壓機的摩擦副，認為最大可能是氣閥和氣閥座存在磨損，并最終導致空壓機振動超標；2#空壓機從振動監(jiān)測與油液檢測結果綜合分析，由于其橫向固有頻率與機組額定轉頻接近，機組振動又主要集中在轉頻，分析認為由于基礎機構變化誘發(fā)局部共振；另外根據(jù)油液分析，發(fā)現(xiàn)鐵元素和鋁元素含量超標，且鐵譜分析存在高溫回火色，分析結果認為機組局部產生一定程度共振，導致活塞和缸套磨損，而活塞和缸套的磨損導致機組運行過程中存在不平衡力進一步激勵較大振動。

圖9 1#空壓機缸蓋垂向振動加速度波形

圖10 2#空壓機缸蓋垂向振動加速度波形

根據(jù)多元信息分析結果可知，該船空壓機振動超標，1#機存在問題是氣閥組件磨損；2#機是由于基礎結構導致局部共振，引發(fā)活塞缸套磨損進一步激勵振動。船舶在后期進廠修理，更換潤滑油，對1#機氣閥拆檢研磨，機組恢復正常并使用至今。2#機檢測了隔振器，并進行更換加強，同時更換潤滑油，對活塞組件進行了檢修后，也恢復正常。

4 結論

1) 通過沖擊法測量獲得兩臺空壓機組固有頻率表明，2臺空壓機固有頻率差別明顯，1#空壓機正常，2#空壓機1階橫向固有頻率與機組額定轉頻接近，存在共振問題；

2) 通過空壓機潤滑油原子發(fā)射光譜和鐵譜檢測，發(fā)現(xiàn)2臺空壓機均存在一定程度磨損，其中2#空壓機磨損更嚴重；根據(jù)油液監(jiān)測結果，2#空壓機最大可能是活塞和缸套部分發(fā)生磨損，并導致不平衡故障，運轉時不平衡力激起較大振動，并存在一定程度共振；1#機氣閥磨損可能會導致氣動作用異常，需要對摩擦副進行詳細檢查；

3) 通過對同一船舶兩臺同型號空壓機實施振動和潤滑油檢測，并利用測量信號進行綜合分析，可以有效解決空壓機故障診斷采用單一手段難以準確定位故障部位和故障原因問題，提高空壓機診斷準確性。