船用柴油发电机轴承的早期缺陷监测

陈 昕，吴善跃，王嘉志，吕 跻，奚银华

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

0 引言

作为舰船电力系统的关键设备，发电机对全船作战、生活等系统的正常运行有着重要作用。一旦发电机出现故障，不仅会让舰船瞬间失去战斗力，还会造成船只各系统瘫痪的严重后果，因此，加强对舰船发电机的监测、及早发现故障隐患是开展舰船装备监测工作的重要内容。船用柴油发电机的转子一般通过其两端的滚动轴承支撑，由于发电机转子质量大、转速高，轴承出现早期缺陷后如未引起重视会致使缺陷进一步扩大直至轴承损坏，轻则导致发电机无法运行，重则将会造成发电机整机报废。因此，针对发电机轴承的早期缺陷监测尤为重要。

当滚动轴承的缺陷处于早期阶段时，缺陷处发出的冲击信号跟常规振动信号相比处于极低的量级，通过普通的振动监测方法往往不能检测出早期的缺陷，因此需要专门的技术手段对上述冲击信号进行处理以获取轴承的故障特征数据。PeakVue 技术可以捕获和保留这些真实的低能量周期性损坏信号，对故障位置和严重程度做出准确的判断。在对某船只发电机组实施振动监测的过程中，采用PeakVue 技术成功发现了一处发电机轴承早期缺陷。

1 PeakVue 技术基本原理

当动力载荷（冲击载荷）作用于弹性物体时，在物体内部会产生应力波。轴承的老化、摩擦或损坏，通常会使轴承在运转时由于金属间的冲撞而产生应力波。应力波的发生是短时的，一般持续几微秒到几毫秒。这种初期的异常信号，能量一般很低，往往隐藏在振动频谱底层的背景能量当中，通过常规振动频谱分析时无法发现。PeakVue 技术可以分离这些低能量的周期性损坏信号，并且可以捕获和保留这些真实的冲击信号，从而更准确地显示损坏根源和反映故障的严重程度。

工作时，PeakVue 首先使用固定的（约100 kHz）高频采样采集原始数据，并使用高通滤波器从振动时域波形中分离出应力波的脉冲信号，再经过二次采样等信号处理手段提取峰值，同时保留真实的脉冲幅值，得到PeakVue 时域波形，最后通过FFT快速傅里叶变换得到PeakVue 频谱。PeakVue 技术数据处理流程如图1 所示[1-2]。

图1 基于PeakVue 技术的故障检测原理

2 某船发电机监测数据采集与分析

2.1 柴油发电机组基本情况

某船只共有3 台柴油发电机组，发电机型号为1FC5456-6TA92Z，由Z12V190BCD1-2 型柴油机驱动。发电机组功率500 kW，转速1000 r/min。发电机转子两端采用6324C3 轴承，工作时轴承外圈固定、内圈转动，轴转速为1000 r/min 时可得轴承故障特征频率，内圈故障频率BPFI、外圈故障频率BPFO、保持架故障频率FTF 和滚动体故障频率BSF 分别为81.1 Hz、52.2 Hz、6.5 Hz 和36.6 Hz。

2.2 数据采集与分析

测点位于发电机输入端和自由端的轴承位置对应的箱体表面，每个测点分别测量水平、垂向和轴向的振动，在测量水平振动的同时进行PeakVue 数据的采集。1 号～3 号发电机各测点方向的振动速度有效值见表1。

表1 1 号～3 号发电机测点振动速度有效值

从表1 可以看出，3 台发电机的振动烈度没有明显的差异（2 号发电机带负载运行）。参考GB/T 16301—2008《船舶机舱辅机振动烈度的测量和评价》标准，这3 台发电机振动烈度评价均为优良，并且各方向的振动幅值也未见异常。但对PeakVue图谱进行分析时，发现1 号发电机自由端测点的PeakVue 频谱图上出现了52.48 Hz 及其多倍谱线，而发电机输入端的PeakVue 频谱图上虽然也有52.48 Hz 谱线，但未出现多倍谱线，且幅值明显小于自由端（图2）。

图2 1 号发电机PeakVue 频谱图

由于52.48 Hz 与发电机转频（16.67 Hz）无关，同时又与6324C3 轴承的外圈故障频率较吻合，因此怀疑1 号发电机自由端的轴承外圈存在缺陷。文献[3]报告了一例采用PeakVue 技术诊断电机轴承故障，在外圈严重磨损的情况下PeakVue 幅值达到了11.46g。与之相比，该发电机自由端轴承的PeakVue 幅值仅为0.03g，可以认为缺陷还处于早期状态。

1 号发电机自由端各方向的普通振动频谱如图3 所示。可以看出，频谱图中振动分量主要为8.33 Hz、16.67 Hz 及其倍频，这些分量来自由柴油机活塞往复运动和柴油机组轴旋转引起的振动。仅在垂直方向频谱图上能看到幅值极小的52.48 Hz分量，如果没有结合PeakVue 图谱则该频率分量很难被发现。

图3 1 号发电机自由端各方向普通振动频谱图

2.3 修理后监测情况

由于该船即将执行远航任务，为此更换了1 号发电机自由端轴承，并再次对发电机进行振动监测。自由端测点的PeakVue频谱如图4 所示，可以看出52.48 Hz 谱线消失，未见其他异常谱线且PeakVue 幅值也显著降低，故障隐患排除。

图4 1 号发电机自由端轴承更换后PeakVue 频谱图

拆解轴承外圈后，可以看到外圈与滚动体接触的内表面局部区域存在一系列平行的条形凹痕，类似“搓板”状（图5）。从缺陷形态来看，怀疑缺陷产生的原因是由于轴电流过大、击穿了滚道与滚动体间的油膜，引起电火花从而发生电蚀[4]。由于这些缺陷仅表现为极浅的凹痕，滚道表面没有出现明显的起伏，验证了缺陷还处于早期状态。

图5 故障轴承外圈缺陷

3 总结

发电机是保证舰船各系统正常运行的关键设备，在舰船装备监测工作中应重视对发电机特别是轴承部位的监测，及早发现故障隐患，确保舰船能够随时保持战斗力。

由于轴承早期缺陷引起的振动能量很小，不仅在振动总幅值方面体现不出与正常轴承的差别，而且在常规频谱图上也难以辨别故障特征频率，因此通过常规的振动监测方法往往不容易发现轴承早期缺陷。

PeakVue 技术可以捕获和保留这些真实的冲击信号，通过FFT 快速傅里叶变换得到PeakVue 频谱，在频谱图上显示轴承故障特征频率及其幅值，从而能够更加准确地查找故障部位和反应故障的严重程度。