某柴油机振动故障分析

高洪滨，赵纯领，贾智年

(92601部队，广东 湛江 524009)

设备振动变大的原因可能是激励的改变，也可能是结构特性的改变。当结构特性改变时，系统的固有频率一般会发生改变。因此，检查系统的固有频率是否变化，是区分系统激励异常还是结构异常的重要手段。转子裂纹、结构松动都是可能导致固有频率变化的结构故障。对于弹性支承设备，隔振器问题导致结构特性改变的故障更为常见。

隔振器设计要考虑尽量隔离设备振动向外传递和减少外来冲击响应，这就要求隔振器的刚度要小；但是也要考虑设备自身的振动响应不能太大，这就要求隔振器的刚度要大。因此，隔振器的设计要同时考虑隔振抗冲击效果和降低设备自身振动。尤其要注意的是，在任何方向上，均要避免共振。

某船有多台同型号的柴油发电机组，额定转速1 500 r/min，额定功率550 kW，弹性支撑。在额定转速下，1#机组振动明显大于其它同型号机组，柴油机前端横向振动最大，前端机脚和底座振动大于机体和缸盖振动。对其进行了振动监测，发现隔振器存在问题，导致柴油机振动超标。

1 数据采集与分析

采用VIBXPERT Ⅱ频谱仪对该船1#和2#发电机组柴油机进行了振动监测。在1 500 r/min、20%负荷时，采集了柴油机通频振动烈度(2 Hz～1 000 Hz)、机体和机脚振动速度波形和频谱。柴油机通频振动烈度测量结果如表1所示。1#机组振动烈度大，柴油机前端机脚横行振动烈度最大。按照GB/T 7184-2008，1#机组振动等级为C级。柴油机前端机脚振动烈度比前端机体烈度大得多。一般情况下，柴油机侧推力方向是横向，因此横向振动大。一般刚性支撑柴油机机体上部横向振动大于机脚横向振动；弹性支撑柴油机不一定如此，但是，弹性支撑柴油机机脚横向振动远大于机体上部横向振动的情况也很少见。

表1 柴油机通频振动烈度测量结果 mm/s

1#机组前端右侧机脚横向振动速度波形和频谱如图1和图2所示，2#机组的如图3和图4所示。

图2 1#机组前端右侧机脚横向振动速度频谱

图1 1#机组前端右侧机脚横向振动速度波形

图3 2#机组前端右侧机脚横向振动速度波形

图4 2#机组前端右侧机脚横向振动速度频谱

1#机组振动速度幅值大而且稳定，速度频谱中转频成分极其突出(大于其它频率成分5倍以上)。正常情况下，四冲程柴油机振动速度频谱中，基频为单缸发火频率，为转频的一半，基频的各阶倍频均存在，幅值大小不一，个别或者几个频率成分略大，但是一般没有极其突出的频率成分。1#机组柴油机振动速度频谱异常现象的原因可能是转频共振或与转频有关的激励有明显变化。

2 横向固有频率测量

为确定是否存在共振问题，采用敲击法测量了机组的固有频率。设定预触发时间1 s，采样时间长度5 s，采样频率512 Hz。得到敲击响应速度波形如图5所示。前1 s数据是噪声信号。根据信号前后对比，冲击响应信号信噪比较高的时段在1～2 s之间。2 s以后主要是噪声。如果只对1～2 s之间的信号进行分析，一方面噪声虽然相对小但是依然存在，另一方面频率分辨能力不够。因此，首先对前半段(0～2.5 s)信号进行频谱分析，得到1#机组横向敲击响应前半段有用信号和噪声信号综合频谱如图6所示。再对后半段(2.5～5.0 s)信号进行分析，得到噪声信号频谱如图7所示。图6显示前4阶固有频率分别为8.0 Hz、12.8 Hz、26.0 Hz、30.4 Hz。图7中，上述4个频率成分均明显小于图6中对应值。因此，这4个频率均是系统固有频率，只是频率分辨率略差。对全部5 s数据进行频谱分析，得到有用信号和噪声信号综合频谱如图8所示，得到1#机组横向前4阶固有频率约为8.0 Hz、13.0 Hz、25.8 Hz、30.8 Hz。可以看出，1#机组横向第3阶固有频率十分接近于转频，因此在额定转速时该机组共振。

图5 1#机组前端右侧机脚横向敲击响应速度波形

图6 1#机组横向敲击响应前半段有用信号和噪声信号综合频谱

图7 1#机组横向敲击响应后半段噪声信号频谱

图8 1#机组横向敲击响应有用信号和噪声信号综合频谱

采用同一方法得到2#机组横向前4阶固有频率约为8.4 Hz、13.6 Hz、27.4 Hz、32.4 Hz。2#机组前4阶固有频率均大于1#机组，2台机组重量一样，隔振器型号和布置一样，固有频率应该十分接近。但是目前1#机组固有频率降低，而且机脚和基座的振动大于机体上部振动，说明机组隔振器存在问题的可能性较大，要重点检查机组公共基座下的隔振器。虽然共振不是振源，但会放大振动。振源的主要频率成分是1倍转频，因此还要确保设备轴系对中满足要求、曲轴减振器安装符合要求。

3 检修结果

测试时该船在厂坞修。厂家检查了隔振器，发现隔振器多个螺栓松动。按照规定上紧螺栓后，再次对该机组进行了振动监测。1#机组修理后通频振动烈度如表2所示，可以看出，修理后的1#机组振动烈度明显下降，其前端机脚横向振动速度频谱如图9所示。

表2 1#机组修理后通频振动烈度 mm/s

图9 1#机组修理后前端右侧机脚横向振动速度频谱

按照GB/T 7184-2008，该机组振动等级为B级，可以正常使用。但是1#机组振动烈度仍然大于2#机组，转频成分仍然很突出。测量了修理后的1#机组横向固有频率，1#机组横向前4阶固有频率约为8.4 Hz、14.0 Hz、27.4 Hz、32.8 Hz，比较接近2#机组。

4 结束语

1)设备振动变大的原因可能是激励的改变，也可能是结构特性的改变。当结构特性改变时，系统的固有频率一般会发生改变。因此，检查系统的固有频率是否变化，是区分激励异常还是结构异常的重要手段。

2)对船用设备采用敲击法测量固有频率时，要注意减少噪声影响。因此，尽量靠码头接岸电时测量，尽量避免周围设备运转，尽量采集时域波形，以便检查噪声。敲击前采集几组噪声信号进行分析，对于排除敲击响应中的噪声十分重要。

3)一般情况下，柴油机机体上部横向振动大于机脚和基座横向振动，如果实测结果机脚振动明显大于机体上部振动，隔振器存在问题的可能性就较大。