舵机液压泵组弹性套柱销联轴器故障分析_陈昕.pdf

设备管理与维修2023 2（上）0引言液压控制系统具有功率大、响应快、控制精度高等特点，在大中型船舶上大都采用液压装置作为舵机的动力源。液压泵组作为液压舵机的核心设备，主要由电机、液压泵和联轴器组成，其作用是输出高压油至操舵装置，驱动舵叶对外做功。电机通过联轴器向液压泵传递扭矩，如果联轴器出现松动或失效，将会引发泵组的异常振动，严重时会影响船舶的安全航行1。本文通过对某船舵机液压泵组弹性套柱销联轴器故障的分析，探究故障信号特征与故障机理间的关系，总结故障分析规律，可为船舶旋转机械的故障诊断提供参考。1监测对象与修理前监测某船舵机液压主泵由电机、液压泵和联轴器组成，其中联轴器采用弹性套柱销连接，起传递扭矩和减缓冲击的作用。据船员反映，该船舵机右主泵振动较大，并伴有异常噪声。为方便对比，技术人员对型号相同的左、右主泵都进行了振动监测，测点布置在电机自由端、输出端和泵部的输入端、自由端，每个测点分别测量水平径向（H）、垂直径向（V）和轴向（A）的振动（图 1）。表 1 给出了泵组各测点方向的振动速度有效值及泵组的整机振动烈度。由表 1 可知，右主泵振动烈度（7.28 mm/s）明显大于左主泵（3.28 mm/s），参考标准GB/T 163012008 船舶机舱辅机振动烈度的测量和评价，右主泵振动评级达到 C 级，左主泵为 B 级。进一步比较表中各数据，可发现右主泵振动较大的值主要集中在电机输出端，该测点水平径向、垂直径向和轴向振动速度有效值分别为左主泵对应测点方向的 6.6 倍、3.2 倍、4.4 倍。图 2 为右主泵输出端 3个方向的振动时域图和频谱图。分析图 2 可发现：加速度时域波形具有明显的脉冲信号，脉冲间隔为 0.039 8 s，对应于 1倍轴频 25 Hz；速度频谱图中，1 倍轴频振动分量幅值较大，并出现明显的高次谐波分量；PeakVue 频谱图中存在明显的 1 倍轴频及高次谐波分量。2维修情况与修理后监测维修人员对泵组拆检时，发现联轴器下方有掉落的橡胶碎表 1修理前各测点振动速度有效值设备名称测点H 向/（mm/s）V 向/（mm/s）A 向/（mm/s）当量烈度振动评级舵机左主泵测点 11.0712.1160.8123.28B测点 21.6142.9771.772测点 31.1432.134-测点 42.7131.7152.704舵机右主泵测点 12.4954.4061.5427.28C测点 210.656.8157.502测点 31.7083.295-测点 43.0162.5362.506舵机液压泵组弹性套柱销联轴器故障分析陈昕1，吴善跃1，王嘉志1，钱沣2（1.中国人民解放军 92957 部队，浙江舟山316000；2.中国人民解放军 91937 部队，浙江舟山316000）摘要：分析船舶舵机液压泵的弹性套柱销联轴器故障案例，探究故障信号特征与故障机理间的关系，总结故障，分析规律，为类似故障问题的诊断分析提供参考。关键词：舵机；液压泵；联轴器；振动；松动；故障诊断中图分类号：U664.4+1文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.02.46图 1舵机液压泵组结构及测点12 m（基频）和 22 m（基频）。（2）对于发电机转子存在不稳定匝间短路故障的机组，轴系平衡前获得当下的振动热变量是保证空负荷和满负荷下振动都满意的先决条件。（3）实测 5#、6#瓦水平瓦振的振动热变量较 2020 年 5 月 B修后的数值有所减小，与此次 C 修中 RSO 检测中发现 B 修中存在的一个固定短路点消失相吻合，由此表明监测振动可以有效监测发电机转子匝间的短路状态。（4）今后运行观察，如果带负荷状态下 5#瓦水平振动有明显增长，表明发电机转子匝间短路故障加重。参考文献1李泽敏，李浩.吸收式热泵应用于电厂循环水余热利用系统管路吹扫、冲洗过程及建议 J.科技信息，2012（9）：369，388.2贾荣品，赵乐方，田建旭.一台 200 MW 汽轮机组碎瓦的原因分析与处理 C.全国火电 200 MW 级机组技术协作会第 24 届年会论文集，2006：290-294.3杨璋，尹小波，舒相挺.某型核能汽轮发电机组轴系振动的稳定性分析及动平衡治理 J.热力发电，2022，51（5）：121-126.编辑吴建卿115设备管理与维修2023 2（上）片，将联轴器拆解后发现弹性套柱销外层包裹的橡胶已经严重剥落，有的柱销甚至能看到内部的金属成分（图 3）。更换弹性套柱销后，对右主泵进行复测，当量振动烈度为 2.15 mm/s，相比修理前明显降低（表 2）。修理后右主泵输出端 3 个方向的振动时域图和频谱图如图 4 所示，时域图上的脉冲信号已经消失，频谱图中虽仍能看到 1 倍频及其高次谐波分量，但其幅值已大为减少；PeakVue 图谱虽然仍有梳状谱线，但加速度幅值比修理前小了 1 个量级；由于液压泵为斜盘式轴向柱塞泵，运行过程中本身存在柱塞的往复运动，由此带来的冲击导致图 4 b）的PeakVue 图谱中仍存在梳状谱线，同时频谱图上出现幅值较低的多次谐波分量2-3。3联轴器故障原因与特征弹性套柱销联轴器的柱销外部包裹有弹性橡胶材料，能够补偿两轴的相对位移，并且具有吸收振动和缓和冲击的作用。弹性套柱销联轴器在传递扭矩的过程中，柱销外层的橡胶受到长期的交变载荷作用，容易产生疲劳失效；橡胶材料如果使用过久没有及时更换也会老化。橡胶材料失效、老化剥落后，柱销连接部位产生比较大的间隙，联轴器在传递扭矩的过程中会导致较严重的振动，并且伴有冲击现象。从图 2 中时域图的冲击信号和 PeakVue 图谱存在的梳状谱线可以看出明显的冲击特征，且冲击频率为 1 倍轴频。联轴器松动与常见的松动故障特征有所区别。旋转机械常见的松动故障有以下 3 种：由结构松动，机械支座刚度图 3联轴器拆检实物图 2修理前右主泵输出端振动图谱表 2修理后舵机右主泵各测点振动速度有效值设备名称测点H 向/（mm/s）V 向/（mm/s）A 向/（mm/s）当量烈度振动评级舵机右主泵测点 11.5722.133-2.15B测点 21.2161.2050.871测点 31.0251.165-116设备管理与维修2023 2（上）减弱，或基础、垫片损坏引起；底脚螺栓松动；转子支撑部位松动。这 3 类松动都会在频谱上出现明显的 1 倍轴频分量，其中第 1 类和第 2 类松动表现为垂向振幅明显大于水平振幅。但从表 1 可知，右主泵输出端的水平振幅大于其他两个方向的振幅，这是联轴器松动与第 1 类和第 2 类松动最明显的区别。第 3 类松动的频谱特征是出现轴频及其多次谐波，在振动比较严重时会有1/2、1/3 倍轴频及其多次谐波出现。从图 2 a）可见，在振幅已经达到 10 mm/s 左右的情况下，频谱图上仍未见到分数倍频的分量，因此联轴器松动的故障特征也不同于第3 类松动4。在设备监测与故障诊断实践中，联轴器最常见的故障是不对中，而不对中最明显的特征是频谱图上会出现幅值较大的 2倍轴频谱线5。本例中联轴器仅因为弹性套柱销外层包裹的橡胶失效剥落而产生松动故障，并不存在对中不良的问题，因此各测点方向频谱图上的 2 倍轴频谱线均不突出。监测诊断人员遇到此类故障时，很容易由于频谱图上未体现出不对中的特征而忽视了联轴器的松动问题。4总结舵机液压泵组联轴器松动故障的主要特征为泵组振动加剧并伴有异常噪声，电机输出端振动幅值明显高于其他测点，时域图上出现频率为 1 倍轴频的冲击信号，频谱图以 1 倍轴频为主并伴有高次谐波分量，PeakVue 频谱图表现为间距为 1 倍轴频的梳状图谱。在设备监测与故障诊断实践中，应注意区分联轴器松动故障与 3 种常见的旋转机械松动故障和联轴器不对中故障的不同特征。由于液压泵为斜盘式轴向柱塞泵，运行过程中本身存在柱塞的往复运动，因此正常状态的泵组在工作时 PeakVue图谱上也会体现冲击特征，并且频谱图上仍存在幅值较低的多倍轴频谐波分量。参考文献1宣元，何琳，廖健.梅花形弹性联轴器液压泵机组不对中故障振动分析 J.国防科技大学学报，2019，41（6）：94-99.2史啸曦，景东华.PeakVue 测振新技术的应用及评价 J.中国设备工程，2013（8）：7-9.3诸葛起，陈亚蒙，路甬祥.斜盘式轴向柱塞泵的结构模态、振动传递通道和振动响应分析 J.浙江大学学报，1988（S1）：41-47.4曲佳，兴成宏，李迎丽，等.基于故障特征的机械松动故障诊断 J.设备管理与维修，2010（7）：52-53.5张永祥，刘东风.舰艇装备检测与监用 M.北京：国防工业出版社，2009：90.编辑石跋序图 4修理后右主泵输出端振动图谱117