某船中间支架异常振动故障诊断与分析

刘建良，张明悦，董思远

（1. 海军装备部驻广州地区军事代表局，广州 520020；2. 92601 部队，广东湛江 524000；3. 上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

设备的异常振动会直接影响设备仪器的工作精度[1]，加剧各构件的磨损，甚至会引起结构的周期性疲劳，降低设备的强度、提前折损使设备丧失其功能特性[2]，因此，对设备运转产生的振动进行检测并及时消除异常振动就显得尤为重要[3-6]。在对设备进行振动监测时，常用振动烈度即振动速度值作为评价指标[7]，振动烈度的绝对值需要在标准规定的范围之内。除此之外，一些振动标准还规定，振动幅值的相对变化，不管是变大还是变小，也需要格外关注[8]。

1 前期基本概况

某型船中间支架振动大一直是困扰船员的老大难问题，严重影响设备正常运转和设备使用的安全性。该型船某艘船进厂修理后，4台中间支架振动问题得到很好的解决，振动烈度总体上明显低于同型号其他船中间支架的振动烈度。表1为该船修理前后中间支架振动烈度监测数据。

表1 修理前后中间支架振动烈度比较

将该型船中间支架的振动烈度按照优秀（A）、良好（B）、可容许（C）、不可容许（D）进行振动级别划分，根据以往监测情况来看，各级界限经验值分别为：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，该船中间支架修理后振动均处于良好状态，其中1#、4#中间支架振动烈度相比修理前明显下降。一般认为，振动越小，设备零部件的疲劳极限越大，零部件使用寿命越长。因此，从振动烈度数值上看，此次修理工作十分成功。

2 中间支架故障及初步原因分析

该船所有修理工作完成后进行航行试验。出海航行期间，在主机1 000 r/min时，4台中间支架振动情况正常，3#中间支架振动烈度均在20 mm/s左右。运行一段时间后，在对各设备运转情况巡检时发现，3#中间支架振动剧烈增加，经监测，主机905 r/min时，3#中间支架水平径向振动烈度高达130.3 mm/s，时域图见图1。

图1 中间支架振动故障信号

随后立即组织技术人员对3#中间支架进行检查。初步检查发现，3#中间支架减振器固定螺栓出现松动现象。将松动螺栓紧固后，3#中间支架振动烈度恢复到20 mm/s，振动烈度时域图见图2。因此，在固定螺栓不松动的情况下，中间支架振动是安全的，满足日常使用要求。但是，在良好的振动水平下，该螺栓发生松动故障的现象十分少见，需要对中间支架系统进行进一步检查。

图2 紧固螺栓后中间支架振动信号

3 中间支架故障原因进一步分析

对中间支架-减振器系统的水平径向固有频率进行了测量，并与同型号其他船中间支架进行了比较。同型号另一艘船的各中间支架-减振器系统的水平径向第一阶固有频率均接近20 Hz，而本船各中间支架-减振器系统的水平径向第一阶固有频率在32 Hz左右，见图3。进一步检查发现，每台中间支架均有4根螺栓直接连接了减振器上下压板，相当于减振器短接，增加了中间支架的支撑刚度，从而减小了支架振动。在正常安装状态下，转子不平衡量大，或者轴系对中差，中间支架就会产生强烈振动。因为该螺栓的存在使得整体的刚度增大，中间支架-减振器系统的固有频率高于其他同型号船。

图3 某中间支架水平径向固有频率

经与厂家沟通得知，贯穿了上下压板的螺栓主要是在中间支架运输或者安装过程中辅助限位和保护中间支架减振器的，在安装完成后应该拆除。上述3#中间支架的异常振动问题，就是因为辅助安装螺栓的存在掩盖了转子平衡不良或者轴系对中不良的问题，虽然受力很大，但是支撑刚度也很大，振动不大，振动烈度值较低。长时间运行后，4个辅助螺栓没有任何防松措施，在交变力作用下逐渐松动；转子平衡不良或者轴系对中不良产生的径向力较大，进一步引起减振器固定螺栓松动，导致中间支架支撑刚度严重不足，振动强烈。

4 中间支架故障处理

通过以上分析可知，应当拆除辅助螺栓，恢复正常安装状态。出海时再次测量了中间支架振动，各中间支架振动烈度结果见表2。可以看出，拆除螺栓后中间支架支撑刚度变低，4台中间支架振动烈度均有不同程度增加，1#、2#、4#中间支架振动烈度在允许的范围内，3#中间支架振动烈度严重超标。

表2 拆除辅助螺栓后中间支架振动烈度

中间支架水平径向刚度和轴向刚度较低是中间支架振动大的结构原因，但改变舰船主动力设备的结构需要复杂的程序。降低振动主要有3个基本途径，即降低振源、改善传递途径和自身防护。在该故障案例中，降低振源是最有效、最根本的解决方法，也是最合理的选择。更换3#主机的高弹联轴器，重新进行了对中。再次测量时，3#中间支架水平径向振动烈度变为12.4 mm/s，振动信号见图4。

图4 更换高弹联轴器后中间支架振动信号

5 结论

1）在对设备进行振动评价时，振动烈度的相对变化要引起关注。如果振动烈度有明显的相对变化，不管是变大还是变小，都要进行详细查明原因。

2）固有频率是结构的固有属性，主要取决于结构的质量分布、刚度和边界条件，与外界激励无关。固有频率的变化可以反应设备的结构性问题，如安装不正确、结构松动和结构损伤等问题。在条件允许的情况下，对重要设备和系统的固有频率进行监测十分必要。如果条件允许，对结构的固有模态（包括固有频率和固有振型）进行测量能得到更多的信息。

3）中间支架横向刚度增加后，横向振动明显降低。中间支架横向刚度不足是该型船中间支架横向振动大的结构原因。

4）在海上执行任务期间，很难做好高弹联轴器动平衡。即使在岸上，周期也较长。所以，如果中间支架振动较大又来不及处理，可以考虑用螺栓连接上下压板，临时固定中间支架；待任务完成后，再对高弹联轴器进行处理。