船用柴油發(fā)電機軸承的早期缺陷監(jiān)測

陳 昕，吳善躍，王嘉志，呂 躋，奚銀華

（1.92957 部隊，浙江舟山 316000；2.91991 部隊，浙江舟山 316000）

0 引言

作為艦船電力系統(tǒng)的關鍵設備，發(fā)電機對全船作戰(zhàn)、生活等系統(tǒng)的正常運行有著重要作用。一旦發(fā)電機出現(xiàn)故障，不僅會讓艦船瞬間失去戰(zhàn)斗力，還會造成船只各系統(tǒng)癱瘓的嚴重后果，因此，加強對艦船發(fā)電機的監(jiān)測、及早發(fā)現(xiàn)故障隱患是開展艦船裝備監(jiān)測工作的重要內(nèi)容。船用柴油發(fā)電機的轉(zhuǎn)子一般通過其兩端的滾動軸承支撐，由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量大、轉(zhuǎn)速高，軸承出現(xiàn)早期缺陷后如未引起重視會致使缺陷進一步擴大直至軸承損壞，輕則導致發(fā)電機無法運行，重則將會造成發(fā)電機整機報廢。因此，針對發(fā)電機軸承的早期缺陷監(jiān)測尤為重要。

當滾動軸承的缺陷處于早期階段時，缺陷處發(fā)出的沖擊信號跟常規(guī)振動信號相比處于極低的量級，通過普通的振動監(jiān)測方法往往不能檢測出早期的缺陷，因此需要專門的技術(shù)手段對上述沖擊信號進行處理以獲取軸承的故障特征數(shù)據(jù)。PeakVue 技術(shù)可以捕獲和保留這些真實的低能量周期性損壞信號，對故障位置和嚴重程度做出準確的判斷。在對某船只發(fā)電機組實施振動監(jiān)測的過程中，采用PeakVue 技術(shù)成功發(fā)現(xiàn)了一處發(fā)電機軸承早期缺陷。

1 PeakVue 技術(shù)基本原理

當動力載荷（沖擊載荷）作用于彈性物體時，在物體內(nèi)部會產(chǎn)生應力波。軸承的老化、摩擦或損壞，通常會使軸承在運轉(zhuǎn)時由于金屬間的沖撞而產(chǎn)生應力波。應力波的發(fā)生是短時的，一般持續(xù)幾微秒到幾毫秒。這種初期的異常信號，能量一般很低，往往隱藏在振動頻譜底層的背景能量當中，通過常規(guī)振動頻譜分析時無法發(fā)現(xiàn)。PeakVue 技術(shù)可以分離這些低能量的周期性損壞信號，并且可以捕獲和保留這些真實的沖擊信號，從而更準確地顯示損壞根源和反映故障的嚴重程度。

工作時，PeakVue 首先使用固定的（約100 kHz）高頻采樣采集原始數(shù)據(jù)，并使用高通濾波器從振動時域波形中分離出應力波的脈沖信號，再經(jīng)過二次采樣等信號處理手段提取峰值，同時保留真實的脈沖幅值，得到PeakVue 時域波形，最后通過FFT快速傅里葉變換得到PeakVue 頻譜。PeakVue 技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程如圖1 所示[1-2]。

圖1 基于PeakVue 技術(shù)的故障檢測原理

2 某船發(fā)電機監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與分析

2.1 柴油發(fā)電機組基本情況

某船只共有3 臺柴油發(fā)電機組，發(fā)電機型號為1FC5456-6TA92Z，由Z12V190BCD1-2 型柴油機驅(qū)動。發(fā)電機組功率500 kW，轉(zhuǎn)速1000 r/min。發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩端采用6324C3 軸承，工作時軸承外圈固定、內(nèi)圈轉(zhuǎn)動，軸轉(zhuǎn)速為1000 r/min 時可得軸承故障特征頻率，內(nèi)圈故障頻率BPFI、外圈故障頻率BPFO、保持架故障頻率FTF 和滾動體故障頻率BSF 分別為81.1 Hz、52.2 Hz、6.5 Hz 和36.6 Hz。

2.2 數(shù)據(jù)采集與分析

測點位于發(fā)電機輸入端和自由端的軸承位置對應的箱體表面，每個測點分別測量水平、垂向和軸向的振動，在測量水平振動的同時進行PeakVue 數(shù)據(jù)的采集。1 號～3 號發(fā)電機各測點方向的振動速度有效值見表1。

表1 1 號～3 號發(fā)電機測點振動速度有效值

從表1 可以看出，3 臺發(fā)電機的振動烈度沒有明顯的差異（2 號發(fā)電機帶負載運行）。參考GB/T 16301—2008《船舶機艙輔機振動烈度的測量和評價》標準，這3 臺發(fā)電機振動烈度評價均為優(yōu)良，并且各方向的振動幅值也未見異常。但對PeakVue圖譜進行分析時，發(fā)現(xiàn)1 號發(fā)電機自由端測點的PeakVue 頻譜圖上出現(xiàn)了52.48 Hz 及其多倍譜線，而發(fā)電機輸入端的PeakVue 頻譜圖上雖然也有52.48 Hz 譜線，但未出現(xiàn)多倍譜線，且幅值明顯小于自由端（圖2）。

圖2 1 號發(fā)電機PeakVue 頻譜圖

由于52.48 Hz 與發(fā)電機轉(zhuǎn)頻（16.67 Hz）無關，同時又與6324C3 軸承的外圈故障頻率較吻合，因此懷疑1 號發(fā)電機自由端的軸承外圈存在缺陷。文獻[3]報告了一例采用PeakVue 技術(shù)診斷電機軸承故障，在外圈嚴重磨損的情況下PeakVue 幅值達到了11.46g。與之相比，該發(fā)電機自由端軸承的PeakVue 幅值僅為0.03g，可以認為缺陷還處于早期狀態(tài)。

1 號發(fā)電機自由端各方向的普通振動頻譜如圖3 所示。可以看出，頻譜圖中振動分量主要為8.33 Hz、16.67 Hz 及其倍頻，這些分量來自由柴油機活塞往復運動和柴油機組軸旋轉(zhuǎn)引起的振動。僅在垂直方向頻譜圖上能看到幅值極小的52.48 Hz分量，如果沒有結(jié)合PeakVue 圖譜則該頻率分量很難被發(fā)現(xiàn)。

圖3 1 號發(fā)電機自由端各方向普通振動頻譜圖

2.3 修理后監(jiān)測情況

由于該船即將執(zhí)行遠航任務，為此更換了1 號發(fā)電機自由端軸承，并再次對發(fā)電機進行振動監(jiān)測。自由端測點的PeakVue頻譜如圖4 所示，可以看出52.48 Hz 譜線消失，未見其他異常譜線且PeakVue 幅值也顯著降低，故障隱患排除。

圖4 1 號發(fā)電機自由端軸承更換后PeakVue 頻譜圖

拆解軸承外圈后，可以看到外圈與滾動體接觸的內(nèi)表面局部區(qū)域存在一系列平行的條形凹痕，類似“搓板”狀（圖5）。從缺陷形態(tài)來看，懷疑缺陷產(chǎn)生的原因是由于軸電流過大、擊穿了滾道與滾動體間的油膜，引起電火花從而發(fā)生電蝕[4]。由于這些缺陷僅表現(xiàn)為極淺的凹痕，滾道表面沒有出現(xiàn)明顯的起伏，驗證了缺陷還處于早期狀態(tài)。

圖5 故障軸承外圈缺陷

3 總結(jié)

發(fā)電機是保證艦船各系統(tǒng)正常運行的關鍵設備，在艦船裝備監(jiān)測工作中應重視對發(fā)電機特別是軸承部位的監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)故障隱患，確保艦船能夠隨時保持戰(zhàn)斗力。

由于軸承早期缺陷引起的振動能量很小，不僅在振動總幅值方面體現(xiàn)不出與正常軸承的差別，而且在常規(guī)頻譜圖上也難以辨別故障特征頻率，因此通過常規(guī)的振動監(jiān)測方法往往不容易發(fā)現(xiàn)軸承早期缺陷。

PeakVue 技術(shù)可以捕獲和保留這些真實的沖擊信號，通過FFT 快速傅里葉變換得到PeakVue 頻譜，在頻譜圖上顯示軸承故障特征頻率及其幅值，從而能夠更加準確地查找故障部位和反應故障的嚴重程度。