船舶柴油发电机组振动大故障分析

一、问题描述

某船列装有 4 台柴油发电机组（原动机为 TBD604BL6型柴油机），柴油机与发电机采用弹性联轴器连接，安装在公共机座上，机座与船体间安装有 10 个 Z-4 圆锥形减震器。

该船 2023 年进我厂二级修理，修前勘验时测量振动情况，除了 2# 发电机组正常外，其余 3 台发电机组振动烈度均超标（1# 机组最大振动烈度 57.94 mm/s，D级；

3# 机组最大振动烈度 70.9 mm/s，D 级；

4# 机组最大振动烈度 55.22 mm/s，D 级），且振动烈度最大的位置均在增压器。

修理过程中，工厂主要制定如下技术措施：

更换公共机座下 10 个减震器；

更换联轴器弹性橡胶；

更换柴油机硅油减震器及重新对机组对中检查等 [1]。

2024年3月29日发电机组系泊试验，1#、2# 发电机组运转振动情况正常，3#、4# 发电机组振动大故障依然存在，振动烈度最大的位置仍然在增压器。

技术部门组织分厂检查了机组对中，更换了机组隔振器、橡胶挠性接管，复核了柴油机喷油定时、配气定时，调整了排烟波纹管伸长量和同轴度，置换了增压器，对机架焊槽钢结构加强及对联轴器橡胶盘进行动平衡修正等，持续排查了近1个月，4月21日排除3#发电机组振动大故障，4月28日排除 4# 发电机组振动大故障。

二、原因分析

1、 1# 柴油发电机组振动大原因分析

1# 柴油发电机组修前的振动烈度偏大，修后正常，而 3#、4# 柴油发电机组故障依然存在。

经检查 1# 柴油发电机组的旧弹性联轴器，发现橡胶盘已异常磨损，齿间隙变大，且个别橡胶齿根部出现了裂纹，3#、4# 柴油发电机组旧弹性联轴器表面状态正常，大概率是 1# 柴油发电机组修前的振动烈度偏大的原因。

2、 3#、4# 柴油发电机组振动大原因分析

3#、4# 柴油发电机组振动大故障无法通过表象进行判断，产生振动的可能原因很多，排查起来非常困难，只能按主次和难易程度对可疑的因素逐一分析及排查：

复查对中数据→检查机座减震器、挠性接管等外围连接部件→固有频率→排查振动源及减小激振力等。

发电机组振动故障示意图，如图1所示。

图 1 发电机组振动故障示意图

三、解决措施及实施过程

1、复查机组对中

经对 3# 发电机组对中情况进行复测，柴油机、发电机法兰的曲折和偏移数值均小于 0.20 mm，数据符合标准要求。

为取得更好效果，将机组对中偏差值调整在0.05 mm 范围内，启动试验，振动烈度没有改善。

2、排查外围连接部件

1）检查柴油机外围连接的橡胶挠性接管、排气波纹管等，发现本次采购的橡胶挠性接管硬度偏大（原设计工作压力 1.0 MPa，实际采购的工作压力为 1.6 MPa），排气波纹管轴向拉长、径向偏移及倾斜角度偏大。

经对 3#、4# 柴油机外围连接的偏差进行了修正，启动试验，没有效果。

2）凭着以往其他船舶排除振动故障的经验，更换公共机座底下 10 个减震器，将减震器橡胶邵氏硬度从原来的 65°提升到 72°，用于消除外围连接产生的影响，装复试验，没有效果 [2]。

3、改善机座固有频率

检测振动的机构采用敲击法测量了机组公共机座水平方向的固有频率，1# 机组 26.8 Hz；

2# 机组 27.0 Hz；3# 机组 25.9 Hz；4# 机组 26.6 Hz。

可见，3#、4# 发电机组公共机座固有频率相对 1#、2# 发电机组偏低，其中 3# 机组机座固有频率更接近 1500 r/min 时的额定转速（25.9×60=1554）。

据有关资料显示：

激振力与固有振动频率接近时，会产生“共振”现象，使扭转振动得到巨大的动态放大作用。

因此，由于各机组的固有频率与额定转速对应频率的偏差均在 10% 以内，易引起共振。

为改善机座固有频率，工厂尝试对 4# 机组公共机座的结构进行加强，在机座中间水平方向加焊 1 条槽钢，装复试验，没有效果。

4、减小振动源的激振力

根据检测机构的监测报告：

“3# 柴油发电机组和 4#柴油发电机组的固有频率更接近于额定转频 25 Hz，因此额定转速运转时 3# 柴油发电机组和 4# 柴油发电机组处于共振状态。

但是共振只是放大振动，并不是振源，如果激振力小，振动仍然可以控制在较好的状态。

因此，1#柴油发电机组和 4# 柴油发电机组虽然固有频率接近，振动烈度仍然不同。”

既然机组被动部件的排查没有效果，只能转而考虑振动源产生激振力的影响。

发电机组的振动源在于旋转部件，产生激振力的主要有柴油机活塞连杆组、曲轴、硅油减震器、飞轮；

增压器转子、压气叶轮；燃油系统故障燃烧做功不良；

发电机转子（含风扇叶）及弹性联轴器等。

另外，还需考虑工作者施工质量的因素，主要排查工作如下：

1）燃油系统故障燃烧做功不良方面，柴油机厂家更倾向于燃油系统故障，如供油量不均匀、喷油定时角度不正确等导致燃烧做功不良，使整机振动偏大。

工厂经拆解高压泵油量及进一步优化调整，重新复查喷油定时角度，装复试验，没有效果。

2）柴油机活塞连杆组件方面，零部件出厂时柴油机厂家已严格控制了重量差，本次修理3#、4#柴油机各更换1个活塞，各缸最大重量差在 20 g 范围内，符合设计要求。

3）柴油机曲轴、硅油减震器、飞轮方面，出厂时柴油机厂家已对单个零部件严格控制了动平衡，基本能排除不平衡量产生的影响。

4）增压器转子、压气叶轮方面，3#、4# 发电机组振动烈度最大的位置均在柴油机的增压器，由于增压器转子是高速运动部件，若转子不平衡量偏大，会导致增压器振动大故障。

此次修理转子送江津增压器厂作动平衡调试，担心返厂后在工厂没有按照记号回装，产生不平衡偏差，于是拆卸端盖检查，发现压气叶轮与轴基本能对准记号安装。

另外，考虑到 3#、4# 柴油机同由1组师傅修理，可能存在安装质量的问题，尝试将3#柴油机与 1# 柴油机置换整台增压器，装复试验，没有效果。

5）发电机转子（含风扇叶）方面，4 台发电机同由 1组师傅修理，修理过程中，转子连同风扇叶整体作动平衡试验，拆时作相对标识，回装时对准记号，因此基本能排除转子不平衡量产生的影响。

6）弹性联轴器方面，该型弹性联轴器包含电机法兰、橡胶盘及铝法兰，为机组技术责任单位选型配置，本次修理 4 台发电机组联轴器的橡胶盘全部换新（电机法兰及铝法兰为金属部件一般不更换）。

咨询生产厂家，认为该联轴器按图纸加工，质量偏差小，一般不要求作动平衡试验。

各种分析进入了思维瓶颈，若全面分解整台发电机组检查，也要分清楚是柴油机的问题还是发电机，于是将 3# 发电机脱开，启动柴油机空载试验，发现柴油机在 1500 r/min 时的振动情况得到较大改善，与 2# 机组振动情况基本相同。

因此，在排除对中不良的因素外，故障最大的可能因素还是在振动源方面，且振动源不在柴油机，而在发电机或联轴器。

考虑到发电机转子已作动平衡，而弹性联轴器没有作动平衡，特别是 3#、4# 发电机组公共机座固有频率与额定转速相对接近，稍大的不平衡量即会产生较大的激振力，决定还是继续排查弹性联轴器。

4月21日将 3#发电机组铝法兰从原来位置旋转 180°，与联轴器橡胶盘相对错位，装复试验，效果明显，整体振动烈度大幅下降，最大振动烈度在增压器涡轮端 26.7 mm/s，达到 C级合格状态。

4月22日用同样方法将 4# 发电机组联轴器铝法兰相对橡胶盘旋转 180°安装，稍有好转，但振动烈度依然偏大，接着旋转 90°、270°安装，故障未能排除。

分析认为：

弹性联轴器各部件的不平衡量过大，难以通过旋转错位的方式优化组合进行消除，则需要对各部件的不平衡量进行修正，以达到整体优化降低的效果。

4月28日工厂重新采购一套经严格动平衡测试的弹性联轴器（包含橡胶盘和铝法兰），装复试验，效果明显，整体振动烈度大幅下降，增压器的最大振动烈度21.3 mm/s，达到 C 级合格状态。

5、完成情况及经验总结

经采取上述措施，3#、4# 发电机组振动大故障已排除。

经验总结如下：

1）对于远离固有频率的振动偏大故障，先考虑排查减振设备部件，如设备基座、隔振器、连接附件等影响固有频率的部件；对于接近固有频率的振动偏大故障，先考虑排查振动源产生激振力的相关部件。

2）排查振动源对振动的影响时，应采取措施尽量减小激振力。

如柴油机的振动源是曲轴、飞轮、活塞连杆组等旋转部件，柴油机燃烧工作时，旋转部件的不平衡量叠加，综合剩余的不平衡量产生振动；轴系的振动源主要有推进装置和螺旋桨，推进装置因传递扭转力矩而发出功率，不可避免会产生振动，若发出功率不均匀或粗暴也会导致轴系振动偏大；螺旋桨工作时切割、推进水，同时受到紊流影响，不可避免会产生振动，若螺距偏差大或不平衡量偏大也会导致轴系振动偏大。

3）高度重视旋转部件扭转振动带来的影响，即使是经动平衡的部件，在拆修时也需对旋转部件作记号，并按记号装复，因为多个旋转部件的不平衡量重叠，会引起轴系总不平衡量偏大，甚至超标。

4）高度重视旋转部件不平衡量叠加产生的扭转振动偏大故障，这种情况单个部件的不平衡量不足以引起大的振动，多个叠加才导致超标，往往这种故障最难排除，可将某个旋转部件旋转错开 180°后再试（这也是最优先考虑的方法），若还不符合标准要求，说明不平衡量过大，则需要对旋转部件的不平衡量进行修正。

四、结语

本文以某船柴油发电机组的振动故障进行研究分析，对机组对中、外围连接部件、固有频率及振动源等方面的影响因素有了一定的认识，也总结了一些行之有效的经验方法。

造成船舶设备振动的原因非常复杂，不同的设备有不同的特点，且现代科技日新月异，船舶设备技术更新迭代，固守现有经验方法难以满足要求，需要继续加强研究，不断提高设备修理保障能力。

参考文献：

[1] 陈浩.基于遗传算法优化 PID 算法的船舶柴油发动机转速控制方法 [J]. 电工技术 ,2023(22):5-7+11.

[2] 张炳烽 . 船舶柴油发动机工况参数的远程监控系统设计 [D].大连 : 大连交通大学 ,2023.

原创作者系：

湛江海滨船厂    黎清飞