某船中間支架異常振動故障診斷與分析

劉建良，張明悅，董思遠

（1. 海軍裝備部駐廣州地區軍事代表局，廣州 520020；2. 92601 部隊，廣東湛江 524000；3. 上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

設備的異常振動會直接影響設備儀器的工作精度[1]，加劇各構件的磨損，甚至會引起結構的周期性疲勞，降低設備的強度、提前折損使設備喪失其功能特性[2]，因此，對設備運轉產生的振動進行檢測并及時消除異常振動就顯得尤為重要[3-6]。在對設備進行振動監測時，常用振動烈度即振動速度值作為評價指標[7]，振動烈度的絕對值需要在標準規定的范圍之內。除此之外，一些振動標準還規定，振動幅值的相對變化，不管是變大還是變小，也需要格外關注[8]。

1 前期基本概況

某型船中間支架振動大一直是困擾船員的老大難問題，嚴重影響設備正常運轉和設備使用的安全性。該型船某艘船進廠修理后，4臺中間支架振動問題得到很好的解決，振動烈度總體上明顯低于同型號其他船中間支架的振動烈度。表1為該船修理前后中間支架振動烈度監測數據。

表1 修理前后中間支架振動烈度比較

將該型船中間支架的振動烈度按照優秀（A）、良好（B）、可容許（C）、不可容許（D）進行振動級別劃分，根據以往監測情況來看，各級界限經驗值分別為：A/B界限值18 mm/s，B/C界限值29 mm/s，C/D界限值46 mm/s。由表1可看出，該船中間支架修理后振動均處于良好狀態，其中1#、4#中間支架振動烈度相比修理前明顯下降。一般認為，振動越小，設備零部件的疲勞極限越大，零部件使用壽命越長。因此，從振動烈度數值上看，此次修理工作十分成功。

2 中間支架故障及初步原因分析

該船所有修理工作完成后進行航行試驗。出海航行期間，在主機1 000 r/min時，4臺中間支架振動情況正常，3#中間支架振動烈度均在20 mm/s左右。運行一段時間后，在對各設備運轉情況巡檢時發現，3#中間支架振動劇烈增加，經監測，主機905 r/min時，3#中間支架水平徑向振動烈度高達130.3 mm/s，時域圖見圖1。

圖1 中間支架振動故障信號

隨后立即組織技術人員對3#中間支架進行檢查。初步檢查發現，3#中間支架減振器固定螺栓出現松動現象。將松動螺栓緊固后，3#中間支架振動烈度恢復到20 mm/s，振動烈度時域圖見圖2。因此，在固定螺栓不松動的情況下，中間支架振動是安全的，滿足日常使用要求。但是，在良好的振動水平下，該螺栓發生松動故障的現象十分少見，需要對中間支架系統進行進一步檢查。

圖2 緊固螺栓后中間支架振動信號

3 中間支架故障原因進一步分析

對中間支架-減振器系統的水平徑向固有頻率進行了測量，并與同型號其他船中間支架進行了比較。同型號另一艘船的各中間支架-減振器系統的水平徑向第一階固有頻率均接近20 Hz，而本船各中間支架-減振器系統的水平徑向第一階固有頻率在32 Hz左右，見圖3。進一步檢查發現，每臺中間支架均有4根螺栓直接連接了減振器上下壓板，相當于減振器短接，增加了中間支架的支撐剛度，從而減小了支架振動。在正常安裝狀態下，轉子不平衡量大，或者軸系對中差，中間支架就會產生強烈振動。因為該螺栓的存在使得整體的剛度增大，中間支架-減振器系統的固有頻率高于其他同型號船。

圖3 某中間支架水平徑向固有頻率

經與廠家溝通得知，貫穿了上下壓板的螺栓主要是在中間支架運輸或者安裝過程中輔助限位和保護中間支架減振器的，在安裝完成后應該拆除。上述3#中間支架的異常振動問題，就是因為輔助安裝螺栓的存在掩蓋了轉子平衡不良或者軸系對中不良的問題，雖然受力很大，但是支撐剛度也很大，振動不大，振動烈度值較低。長時間運行后，4個輔助螺栓沒有任何防松措施，在交變力作用下逐漸松動；轉子平衡不良或者軸系對中不良產生的徑向力較大，進一步引起減振器固定螺栓松動，導致中間支架支撐剛度嚴重不足，振動強烈。

4 中間支架故障處理

通過以上分析可知，應當拆除輔助螺栓，恢復正常安裝狀態。出海時再次測量了中間支架振動，各中間支架振動烈度結果見表2。可以看出，拆除螺栓后中間支架支撐剛度變低，4臺中間支架振動烈度均有不同程度增加，1#、2#、4#中間支架振動烈度在允許的范圍內，3#中間支架振動烈度嚴重超標。

表2 拆除輔助螺栓后中間支架振動烈度

中間支架水平徑向剛度和軸向剛度較低是中間支架振動大的結構原因，但改變艦船主動力設備的結構需要復雜的程序。降低振動主要有3個基本途徑，即降低振源、改善傳遞途徑和自身防護。在該故障案例中，降低振源是最有效、最根本的解決方法，也是最合理的選擇。更換3#主機的高彈聯軸器，重新進行了對中。再次測量時，3#中間支架水平徑向振動烈度變為12.4 mm/s，振動信號見圖4。

圖4 更換高彈聯軸器后中間支架振動信號

5 結論

1）在對設備進行振動評價時，振動烈度的相對變化要引起關注。如果振動烈度有明顯的相對變化，不管是變大還是變小，都要進行詳細查明原因。

2）固有頻率是結構的固有屬性，主要取決于結構的質量分布、剛度和邊界條件，與外界激勵無關。固有頻率的變化可以反應設備的結構性問題，如安裝不正確、結構松動和結構損傷等問題。在條件允許的情況下，對重要設備和系統的固有頻率進行監測十分必要。如果條件允許，對結構的固有模態（包括固有頻率和固有振型）進行測量能得到更多的信息。

3）中間支架橫向剛度增加后，橫向振動明顯降低。中間支架橫向剛度不足是該型船中間支架橫向振動大的結構原因。

4）在海上執行任務期間，很難做好高彈聯軸器動平衡。即使在岸上，周期也較長。所以，如果中間支架振動較大又來不及處理，可以考慮用螺栓連接上下壓板，臨時固定中間支架；待任務完成后，再對高彈聯軸器進行處理。