振动检测技术在工程船舶中的应用.pdf

今 日 自 动 化Automation Today自动化技术与应用Automation technology and Application2 0 2 3.5 今日自动化 912 0 2 3 年第5 期2023 No.5与航运类船舶相比，工程船舶的设备配置更为密集，且有更强的专业性、更大的负载变化、更恶劣的运行工况等特点，一旦有故障发生，难以实现准确定位，不利于抢修工作的快速开展，导致经济损失较为严重。在船机管理早期阶段，管理人员通过触摸设备、感受噪音状态特征等，来判断是否存在某些简单故障，同时提出修复措施。然而，随着现代化生产的发展，以及科学技术水平的不断提高，现代化设备结构的复杂化、自动化程度显著升高，功能也愈加完善，如果判断故障时，仍按照经验和感官，会导致某些故障无法及时发现，影响船舶设备运行，增加经济损失。因此，分析工程船舶故障时，振动检测技术的应用尤为重要。1 振动检测技术概述振动检测是一种状态检测手段，无论何种机械，输入能量向有用功转化时，振动均会产生，振动强弱的变化与故障密切相关，振动感非正常增强情况下，说明产生较为严重的故障。振动特性不同，表现出的故障类型也不同，且即使振动相同，故障也可能不同。振动信号产生于机器运转过程中，因而故障检测与分析可在不停机情况下进行1。机械运动消耗的能量不仅做有用功，且正常振动也会在各种机械摩擦损耗中产生，如果振动不正常，说明有故障发生。判断振动正常与否时，可通过分析振动信号实现，采集振动参数、处理振动信号、提取特征信息、对机械运行状态做出判断的过程即为振动检测。振动检测开展的目的主要体现在4方面：机器运转情况下检查其振动特征；检验机械设备承受震动与冲击的能力，并测试系统动态响应特性；分析其振动产生原因，找出振源，将可靠依据提供给避振和减振措施制订人员；监控工作机故障情况，预防发生重大事故3。在振动检测技术中，振动信号分析属于重要环节，目前常用的分析方法有以下几种3。（1）波形分析法。振动信息源中，时间波形是最原始的，通常振动信号来源于传感器时，均是时间波形，波形特征明显情况下，可直接用来初步检验、判断设备性能状况，例如，冲击波形以大约等距离的尖脉冲为特征，削波表示存在摩擦，正弦波表示存在不平衡等。（2）轨迹分析法。以轴承座为中心，转轴轴心的运动轨迹可将转子瞬时运动状态直观的反映出来，在其运动轨迹中，与机械运动状态相关的信息比较多，因此，多通过分析其轨迹信息来检验设备是否正常运行。轴心轨迹类型有两种，一种是未滤波的，通常轨迹较为凌乱，清晰特征获取难度较大，另一种是提纯的，此种更加简洁，且相关故障的成分被突出，具有更大的诊断价值。（3）轴心位置分析法。在轴承系统中，转子运转平稳性判断时，轴心位置及偏位角为重要参数之一，摘 要诊断及分析旋转设备故障时，广泛采用振动检测技术，在计算机技术与传感器技术不断发展过程中，该项技术的应用频率逐渐升高。船舶设备运转期间，不可避免地会出现各种故障，不仅会降低运行效率，也存在较大的安全隐患，要通过规范化检验工作的开展，及时发现并处理机械故障，保障设备安全运行，提高经济效益。文章在介绍振动检测技术基础上，分析了其在工程船舶中的应用，为振动检测技术的应用普及和相关科研提供参考。关键词工程船舶；振动检测技术；故障中图分类号U674.3 文献标志码A 文章编号20956487（2023）05009103Application Analysis of Vibration Detection Technology in Engineering ShipsSHAO GuangyiAbstractVibration detection technology is widely used in the diagnosis and analysis of rotating equipment faults.In the process of continuous development of computer technology and sensor technology,the application frequency of this technology is gradually improved.During the operation of ship equipment,various faults will inevitably occur.Once they occur,not only the operation efficiency will be reduced,but also there will be great safety risks.It is necessary to timely discover and deal with mechanical faults through standardized inspection work,so as to ensure the safe operation of equipment and improve economic benefits.Based on this,based on the introduction of vibration detection technology,the paper analyzes its application in engineering ships,and provides reference for the popularization of vibration detection technology and related scientific research.Keywordsengineering ship;vibration detection technology;failure振动检测技术在工程船舶中的应用邵光义（日照港股份有限公司第二港务分公司，山东日照276826）今 日 自 动 化Automation Today自动化技术与应用Automation technology and Application92 2 0 2 3.5 今日自动化2 0 2 3 年第5 期2023 No.5工作状态正常情况下，轴心的位置与偏位角基本不会改变，若是二者发生改变，表示存在故障。（4）频谱分析法。该方法的实际使用频率较高，通过分解构成信号的各种频率成分，识别出振源，进而有效判断是否有故障存在。2 工程船舶机械设备典型振动产生的原因研究发现，工程船舶机械设备设计、制造均正常情况下，其非正常损害的原因主要有以下几种。（1）不平衡。其是最常见的振动产生原因，指转轴几何中心线与质量中心线不重合，或质量中心线不重合于旋转轴线。通过振动，其以回转频率发生，且与轴向振幅相比，径向振幅会升高至少2倍，经此现象，能判断出不平衡。在频谱中，可发现1倍转频具有较高的幅值。因有着不同的刚度，所以水平振值要大于垂直振值6。不平衡故障类型具体有以下几种7：静不平衡。特征：1X 径向，在频谱中，无论垂直方向，或是水平方向，均有较高的1X 转频幅值，而在轴向上，则有较低的1X 幅值，如果在无摩擦轴承上防止转子，旋转会自动进行，以最低位置为重点，静不平衡校正时，采取单面平衡校正方法，静不平衡使1X 力产生于转子两侧轴承中，两侧轴承总是有一致的力方向，因而同向振动信号也是一致的且同相的；频谱：1X 幅值在径向上较高，在轴向上较低；时域波形：速度单位情况下为正弦波，若不是，不对中、轴弯、轴承翘曲等故障可能存在；幅值：设备为卧式时，若水平振值高出垂直振值至少2倍，应怀疑是共振或基础松动；相位：同一轴承位置上，水平相位与垂直相位间存在90差，如果属于纯静不平衡，两侧轴向同一方向具有一致的相位。力偶不平衡。特征：1X 径向，频谱上表现与静不平衡相同，转子力偶不平衡时，可能静态下处于平衡状态，但旋转转子后，方向相反的离心力会产生在轴承两侧，校正此不平衡时，要利用双面平衡校正法；频谱、时域波形、幅值均与静不平衡相同；相位：轴承位置相同时，水平相位、垂直相位差90，如果属于纯力偶不平衡，在同一方向上两侧轴承存在180相位差。动不平衡。特征：1X 径向，其组合了静不平衡与力偶不平衡，当转子跨度长于直径时，容易发生此故障，动不平衡校正方法与力偶不平衡相同；频谱、时域波形与上两个不平衡类型相同；相位：轴承位置相同时，水平相位、垂直相位差90，在同一方向上，两侧轴承有30、150相位差。立式设备。特征：1X 径向（水平），测量径向方向过程中，1X 转频具有较高的幅值，为明确不平衡的具体部件，须把联轴器脱开，让电机单独运行，如果仍有较高1X 幅值，表示发生故障的是电机，否则为泵故障；频谱：径向1X 具有较高的幅值；时域波形：速度单位情况下表现为正弦波；幅值：最小刚度处有最高的振值，通常最高的是电机顶部，最小的是沿着管道方向；相位：方向相同时具有一致的相位。悬臂设备。特征：1X 轴向高，1X 径向，悬臂设备无论是哪个方向，均有较高的1X 幅值，而之所以1X 轴向高，原因是不平衡导致弯矩出现在转子中，造成轴承箱沿轴向移动；频谱：1X 径向高，但最高的是1X 轴向；时域波形：速度单位下为正弦波；相位：轴承位置相同时，水平和垂直有90相位差，两侧轴承的径向、轴向均有一致的相位。（2）不对中。其导致振动出现的形式可能是轴的旋转频率，也可能是2倍或3倍旋转频率。不对中具体类型有3种8：平行不对中。以“2X径向，1X径向较小”为特征，如果不对中轴有平行的中心线但未重合，则属于平行不对中，该故障会让剪切力、弯矩产生在耦合的两根轴末端，对于此种故障，1X、2X、3X、4X、5X 径向都会有较高的幅值，且2X 高于1X，不对中程度及联轴器类型共同决定了3X、4X、5X 等的幅值，水平位与垂直位的相位差可能是0，也可能是180，联轴器两侧则有相反方向的垂直相位，其时域波形组合了1X、2X 或其他频率，因而呈“M”形或“W”形。角不对中。1X 轴向，1X 径向及2X 轴向均较小，不对中轴在某点相交其中心线，可判定为角不对中，其会使弯矩出现在每根耦合的轴上，两个轴承位的1X 轴向幅值较大，而2X 轴向幅值较小，径向上，1X、2X 幅值均比较大。轴弯曲。其振动特性相同于不对中，轴弯以1X 轴向振动为主，如果弯曲与转轴中心位置较接近，由1X 主导振动，但若是与联轴器相接近，那么振动主导为2X，不过轴向测量转轴四周相位时，有约180的相位差，尤其轴承与弯曲比较接近，会有更大的相位差。（3）润滑不良。设备旋转期间，润滑不良现象经常出现，这与润滑油不足、使用含杂质的润滑油密切相关。该故障发生后，会升高冲击脉冲幅值，若加速度高频，底部噪音较高，说明出现润滑不良问题。（4）松动。旋转部件、轴承座及结构是经常出现松动的零部件。旋转部件松动时，以1X 谐频径向为特征，滑动、滚动轴承之间存在较大的间隙时，1X谐频会产生，冲击可抬起底部噪声，严重磨损滚动轴承后，松动会发生，旋转部件的松动可让“随机”振动出现，因此无稳定的相位，由于时域波形中有非常明显的冲击，gs 或 mm/secs 等加速度单位为最佳。今 日 自 动 化Automation Today自动化技术与应用Automation technology and Application2 0 2 3.5 今日自动化 932 0 2 3 年第5 期2023 No.5轴承座松动时，特征体现为1X、2X、3X 径向，轴承座如存在裂纹、松动，故障隔离器，使独特松动出现，因设备运动，1X、2X 幅值较大，由于1X 幅值可能小于2X 幅值，容易被误认为是不对中，某些情况下，3X 会产生，还会出现1/2X 等亚倍频振动，受到运动方式影响，并不会出现一直稳定的相位，这是与不对中最明显的区别，且也无恒定的时域波形循环周期9。结构发生松动时，以1X 水平为特征，其松动原因包含基础刚度变弱、设备安装支架及底座等，减小刚度后，设备振动更加自由，导致升高1X 转频幅值。（5）共振。其属于单一自然频率，指振动出现在部件上，例如，轴转速达到临界频率后就会发生振动，减慢运行速度后，共振即可被检测出。3 振动检测技术在工程船舶振动诊断中的具体应用策略3.1 船舶振动检测技术原理设备稳定运转情况下，其各零部件运转的频率是相对固定的，当有故障发生，冲击变化会出现，通过收集设备运转时轴承位060 000 Hz 的振动数据，再以不同设备故障类型为依据，将相应的故障分析图谱计算和解调出来4。对于每个冲击频率，分析其来源、大小、成因，把故障根源找出。故障发展过程与趋势给予定时检测、观察，可实现在适当时机精确维修故障设备5。3.2 振动诊断操作步骤先进行相关信息的充分收集，包含机器工作原理、历史故障、结构参数等，接着在机组运行状态下，测取其振动信号，计算测得的信号，将噪声干扰成分取出，把可将机体运行状态反映出来的有用信息提取出来，再与信号特征等信息相结合，识别机器运行状态，分析故障部位、发展趋势，最后将检测结论给出，并给出操作及维修建议。船舶振动检测分为两种：（1）设备在线监测。在须监测设备的监测点上安装传感器，在线振动监测全船重要设备和容易损坏设备，形成报警系统，通过在线实时监测，结合实际工况及既往维修情况，可保证设备故障预警、报警标准更加可靠与实用。（2）定期巡检。即每间隔一定时间周期开展检测工作，由专业振动检测工程师负责，利用手持式仪器测量、检测机器，并以检测结果为依据，借助相关软件诊断和分析故障10。利用振动检测技术检测设备状态后，可对部件故障情况做出预知，进而及时将设备运行环境改善，并在适当时机开展维护管理工作，最大限度地避免故障发生，及过度维修造成的资源浪费，保证机器设备能正常运行，预防突然失效，最终延长设备使用寿命，提高设备运行的安全性。4 结束语应用振动检测技术监测船舶关键性设备后，可将存在的重大隐患及时发现，让预防性维修工作适时开展，避免发生重大机损事故，保障机器设备能平稳、安全的运行，提高运行的经济效益与安全性。参考文献1 罗仕超.船舶检验中常见船舶机械故障及处理方法分析J.珠江水运，2022（16）：75-77.2 周舰，邓晓凝，田鹏.在线振动检测技术在冶金行业的应用 J.中国金属通报，2022（7）：1-3.3 朱赖红，王娟.基于神经网络的船舶电力系统故障诊断方法 J.舰船科学技术，2022，44（11）：132-135.4 王晨煜.船舶轮机设备多发故障信号监测方法初探 J.内江科技，2022，43（4）：38-39.5 魏静姿，杨凯，王萌，等.振动检测技术在转子不对中故障诊断中的应用 J.工业技术与职业教育，2022，20（1）：1-3.6 邓军，孟杰，潘志城，等.基于振动检测技术的电力变压器故障概率预测模型 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