船舶主機中間支架軸向振動故障監測實例分析

吳善躍，任鳳華，陳 昕，呂 躋

(92957部隊，浙江 舟山 316000)

某船在航行過程中突發柴油主機故障，由于故障嚴重，加上該船需承擔后續任務，修理廠家進行了緊急修理，在較短時間內更換了1臺全新柴油主機。修后開展航行試驗，試驗過程中對主機及后傳動裝置進行了振動監測，根據監測結果發現該主機中間支架存在振動偏大問題。事后承修單位進行了多次檢查和調整，并進行了第2次航行試驗，問題仍未得到解決。考慮到承擔任務時間臨近，業務部門不得不以較大代價解決這一問題，協調設備廠家參與修理。問題雖最終得到解決，但相關經驗教訓值得總結。

1 基本過程

1.1 第1次航行試驗振動監測數據分析

在完成該船主機搶修后，開展了修后航行試驗。結果發現，主機振動良好，而中間支架卻存在軸向振動偏大問題，其中在轉速1 000 r/min工況(3～1 000 Hz)下，軸向振動速度有效值達到52.2 mm/s，明顯大于同型裝備相同工況值(其它3個中間支架軸向振動速度有效值分別為17.6 mm/s、10.7 mm/s、34.9 mm/s)，并已超過設備廠家推薦的限制值。該中間支架的徑向振動較小，在轉速1 000 r/min工況下，水平徑向(即橫向)、垂直徑向振動速度分別為12.5 mm/s、6.4 mm/s。

分析該中間支架軸向測點在轉速1 000 r/min工況下的振動時頻圖，軸向測點時域波形圖見圖1，軸向測點頻譜圖見圖2。由圖1、圖2發現具有如下特征：時域波形呈一定諧波狀；頻譜圖中1倍頻振動分量(即16.7 Hz)幅值較大，并伴有相對明顯的2倍頻分量(即33.6 Hz)。進一步分析軸向測點各振動參數隨轉速變化關系，可確認：振動速度有效值、1倍頻分量與轉速基本呈線性關系，軸向振動主要來源于1倍頻分量，軸向測點振動參數隨轉速變化圖見圖3。

上述特征與我單位曾經監測過的另外一艘同型船的中間支架振動故障情況類似。當時維修廠家反映萬向聯軸器滑動副存在嚴重磨損問題，在更換滑動副襯套后開展修后監測，軸向振動恢復正常。因而，根據測試結果，并參考歷史監測情況，認為：該中間支架振動存在異常，需進行檢查，不排除萬向聯軸器存在故障的可能，應將其列為排查重點。

該船發生主機故障前，剛從A廠完成等級修理，而此次主機故障修理是由B廠承擔。為了排查是否因為此次緊急搶修導致中間支架振動大，我們調閱了歷史監測資料，然而，令人遺憾的是，由于客觀方面原因，A廠的出廠試航并未開展中間支架振動監測。若當時出廠航行試驗開展過振動監測，并且狀態良好，那么此次故障排查就可排除萬向聯軸器和高彈性聯軸器存在問題。

圖1 軸向測點時域波形圖

圖2 軸向測點頻譜圖

圖3 軸向測點振動參數隨轉速變化圖

1.2 承修單位排查故障及第2次航行試驗監測

返航后，承修單位B廠檢查主機安裝情況時，發現主機存在明顯的沉降情況，有可能導致主機與中間支架對中不良。為此，他們對主機安裝以及中間支架與主機、高彈性聯軸器和萬向聯軸器之間的對中情況進行了檢查和調整。

事后，又進行了第2次航行試驗，結果發現1號中間支架軸向振動依舊偏大，且相對前次結果有所增加(轉速1 000 r/min工況下，軸向振動速度有效值為59.4 mm/s)。此后，又再次調整對中情況，問題仍未得到解決。

1.3 設備廠家排查故障及第3次航行試驗監測

由于該船即將承擔航行任務，為盡快解決問題，業務機關決定由中間支架設備廠家參加排查故障，A、B廠協助。鑒于引起中間支架軸向振動大有多種可能，加上排查故障時間有限，修理中采取了較為全面的處理措施：不僅重新檢查對中情況，而且更換了高彈性聯軸器和萬向聯軸器。

修后，開展了第3次航行試驗和振動監測，在轉速1 000 r/min工況下，軸向振動速度有效值為16.7 mm/s，遠小于修前數據和廠家限值，且與正常支架振動水平相同，表明軸向振動問題得到順利解決。

事后，我們向船方了解排查故障情況。船方反映，設備廠家檢查時，發現主柴油機輸出法蘭與中間支架法蘭軸向安裝距離存在問題，有一處軸向距離偏小。

2 故障分析

2.1 中間支架及其相關后傳動部件結構

引起中間支架振動大的原因有多種情況，不僅有中間支架自身原因，也與整個后傳動系統有關，應從整個系統角度出發，分析可能產生振動故障的原因。圖4為該船主機與齒輪箱后傳動裝置系統示意圖，系統包括高彈性聯軸器、中間支架、萬向聯軸器。

圖4 主機與齒輪箱后傳動裝置系統示意圖

中間支架是一種彈性支撐軸承，它在柴油主機和齒輪箱之間起到支撐高彈性聯軸器和萬向聯軸器的基本作用。支架核心部件為2個安裝在箱體上的滾動軸承，支架箱體底部安裝有隔振器。

高彈性聯軸器除了傳遞功率、轉速外，具有減振降噪及補償軸向、徑向和角向位移的基本作用。其基本結構部件包括扭轉彈性部件、撓性桿部件和連接件。其中，扭轉彈性部件為2排多片扇形彈性元件，具有補償徑向位移作用；撓性桿部件具有補償軸向和角位移作用。

萬向聯軸器為十字軸式，除傳遞功率和轉速外，還具有補償柴油機彈性支撐和齒輪箱剛性安裝之間相對位移的能力。其中，核心運動部件主要為十字軸承、滑動套及滑槽、傳扭滑塊。

2.2 引發中間支架振動大的多種可能性因素

由上文所述后傳動系統結構，結合旋轉機械振動故障基本理論，引發中間支架異常振動的多種可能性因素見表1。

表1 引發中間支架異常振動的多種可能性因素

2.3 中間支架軸向振動故障原因分析

軸向振動大、徑向振動小，且軸向振動以1倍頻為主，是此次中間支架故障主要特征。據此特征，并結合前文進行分析，中間支架軸向振動大故障存在多種可能原因：①高彈性聯軸器撓性桿件故障；②萬向聯軸器滑動副組件出現異常磨損或潤滑不良；③柴油機輸出法蘭與中間支架法蘭對中不良。

高彈性聯軸器撓性桿件斷裂會影響軸向力平衡，進而引發中間支架軸向振動，但振動信號的時域特征和頻譜特征如何、時域波形是否存在沖擊現象，這些都缺乏實際案例參考。如果之前有實際案例參考，那就可通過振動信號時頻特征排除此種故障可能性。

萬向聯軸器滑動副組件磨損或潤滑不良會引發中間支架振動軸向振動，這是因為磨損嚴重或潤滑不良會極大增加滑動副組件在軸向運動中的摩擦力，導致聯軸器在運轉中出現明顯的軸向作用力，中間支架在聯軸器軸向力作用下相應產生軸向振動。由于該軸向作用力周期與轉頻相關，中間振動頻率也相應地與轉頻有關。

柴油機輸出法蘭與中間支架法蘭對中包括平行對中、角度對中、軸向對中。平行不對中引發的振動雖以軸向為主，但頻譜中2倍頻分量幅值較高，并伴有1倍頻和高次諧波分量。角度不對中引發的振動在徑向和軸向均較大。這些特征均與問題中間支架故障不相符，故可排除這2種對中故障可能。

軸向對中是指柴油機輸出法蘭端面與中間支架法蘭端面軸向距離符合要求，一般要求以90°為間隔均勻取4點，測量端面之間的軸向距離。如果在某一角度方向兩法蘭端面軸向距離偏小，就會導致兩法蘭之間在該角度方向存在較大的軸向預應力，那么運轉過程就會引發中間支架軸向振動，并且振動頻率與轉頻相對應。因而，從故障機理上講，船方所述中間支架軸向對中問題與振動監測結果相符，可在理論上初步確認中間支架振動問題是軸向對中不良所致。軸向對中示意圖如圖5所示。

圖5 軸向對中示意圖

2.4 故障性質分析

軸向振動大是中間支架常見振動故障類型，盡管故障原因有多種，但多為萬向聯軸器滑動組件故障所致，而軸向對中故障、高彈性聯軸器故障所引發的軸向振動大問題相對少見。從故障性質上講，它們之間存在本質差別。萬向聯軸器故障屬于漸發性故障，滑動組件磨損量隨著設備運行時間會逐步增加，在無維護保養干預情況下該故障問題必然會出現，中間支架軸向振動會隨著故障發展逐步增大。軸向對中故障則是由于裝配問題引起的突發性故障，如果裝配初期正常，后期使用過程中一般不會出現這一故障問題(這與徑向對中故障存在區別，橡膠隔振器蠕變會引發主機出現沉降現象，進而導致柴油機輸出法蘭和中間支架法蘭出現徑向對中不良)。高彈性聯軸器撓性桿件斷裂一般屬于疲勞問題，雖然故障產生需要一定的時間積累，但故障現象出現卻具有一定的突發性。

根據以上故障性質分析，可得到如下結論：軸向對中故障僅是引發中間支架軸向振動大故障的原因之一，故障本身不具備普遍性；萬向聯軸器滑動組件故障是引發中間支架軸向振動大的常見原因；如果加強日常振動監測，通過振動數據趨勢分析，從故障性質角度入手可以鑒別出故障原因。

3 經驗教訓

回顧此次中間支架故障排除過程，振動監測雖然在故障隱患發現和修后質量評估2個方面起了重要作用，但在故障定位方面并未達到令人滿意的效果，本可以較小代價排除中間支架故障，卻不得不采取全面性修理措施，以下經驗教訓值得反思。

1) 忽視日常振動監測的組織開展，分析時缺少必要參考數據。根據近些年同型船動力系統振動監測情況看，主機、齒輪箱等重要核心設備振動故障問題較少，而后傳動裝置中間支架振動大問題卻較多。對此，船方和修理廠家應高度重視中間支架振動監測問題，積極協調監測人員開展定期監測或修前修后監測。一方面，能及時發現后傳動裝置故障，確保故障得到有效修理；另一方面，能積累相應的數據，作為突發故障排查參考。本次故障修理中，正是因為有關方面對中間支架振動重視不足，在前次廠修期間未開展修前修后監測，致使本次排查故障中缺少必要的歷史監測數據，無法排除高彈性聯軸器、萬向聯軸器故障可能性。

2) 沒有將齒輪箱輸入端作為中間支架振動分析輔助測點。萬向聯軸器兩端分別連接著中間支架和齒輪箱輸入端。正常情況下，萬向聯軸器在補償軸向位移過程中所產生的軸向作用力較小。然而，如果萬向聯軸器滑動副組件磨損嚴重或者潤滑不良，滑動副在相對運動過程中會因為干摩擦作用而產生過大的軸向力，該軸向力會同時作用于中間支架和齒輪箱輸入端，從而導致中間支架和齒輪箱輸入端軸向振動變大。因而，從理論上講，通過測量齒輪箱輸入端的軸向測點振動是有可能鑒別出萬向聯軸器是否存在故障的。只不過齒輪箱輸入端剛性較大，振動響應沒有中間支架明顯，有可能被其它振動響應所掩蓋。

3) 缺少完備的典型案例參考，無形中加大了分析難度。故障診斷分析需要理論聯系實踐，其中理論是指導，實踐是基礎。盡管從原理和結構出發可基本分析中間支架振動故障可能性原因，但這僅僅是理論上的設想。受結構、材料特性等其它因素影響，實際采集到的信號特征與理論設想會存在差異。如果分析時機械地搬用教材中的相關理論，就有可能就會出現較大的結論偏差。因而，實際診斷工作強調典型案例的參考作用。然而，在我們以往的中間支架監測工作中，較少能獲得故障拆檢情況反饋，所形成的案例偏少，尤其缺少軸向對中不良引發的中間支架振動故障案例。在無相關參考案例情況下，監測人員的分析導向有可能會偏離正確方向。為了今后更好地開展類似問題分析，可將本實例作為中間支架軸向振動大的代表性案例。

4) 工廠檢修工藝不過關，在一定程度上誤導了診斷分析方向。在本次故障修理中，B廠先后多次進行了對中檢查及調整，軸向振動大問題依舊存在，從而給監測人員分析造成錯覺：對中可能沒有問題，應將萬向聯軸器等其它故障可能性列為關注重點。然而事實是，直到設備廠家參與排查故障，才發現B廠軸向對中存在問題。一方面說明B廠修理人員在技術能力方面尚存在不足，另一方面也表明中間支架對中工藝具有一定的技術難度。由此也提醒我們，在今后有關中間支架振動故障分析中，應考慮到中間支架對中檢查與調整的復雜性，以及人為因素影響。

4 相關建議

建議中間支架軸向振動故障按以下步驟分析。

1)分析振動速度通頻值是否超過限制值。目前雖無嚴格的技術標準規定中間支架限制值，但可根據承制單位的推薦限制值進行振動狀況控制。對于通頻值已超過推薦限制值的，應檢查；通頻值雖未超過限制值、但明顯大于歷史參考值或其它同型支架數值的，應加強監測，視情檢查。

2)分析振動信號是否符合軸向振動故障特征。在確認振動速度通頻值偏大后，應進一步分析中間支架振動是否符合軸向振動故障特征，即：軸向振動大、徑向振動小，且軸向振動以1倍頻為主，振動速度有效值、1倍頻分量與轉速基本呈線性關系。需要注意與軸向和徑向振動均較大的情況相區別(此故障現象一般為徑向對中不良所致)。

3)分析故障部位和故障原因。齒輪箱輸入端軸向測點振動是否存在偏大現象，若存在，可能為萬向聯軸器滑動副組件故障所致。

對比歷史監測數據分析，中間支架軸向振動幅值隨著運行時間具有明顯的逐步增加趨勢，可初步確認是萬向聯軸器故障所致。若振動為突發性增加，應考慮以下2種情況：詢問船方近期是否對主機或后傳動裝置進行過維修，如果存在這一情況，有可能存在裝配因素導致的軸向對中不良問題；如果近期未開展過相關修理，則考慮高彈性聯軸器是否存在故障的可能。

5 結束語

軸向振動大是中間支架常見振動故障形式之一，由于故障原因具有多種可能，需綜合多種信息進行分析，才能準確診斷故障部位、故障原因。本文所述監測工作案例，其故障分析和經驗教訓總結有助于指導相關人員對類似故障開展監測診斷工作。文中觀點仍需在實踐中不斷發展和檢驗。