某型燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)信號(hào)異常分析及處理

賈新旺，任 新，劉 飛

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七○三研究所無(wú)錫分部，江蘇 無(wú)錫 214151)

燃?xì)廨啓C(jī)因其具有體積小、重量輕、功率密度大、機(jī)動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于船舶、電廠發(fā)電、機(jī)械驅(qū)動(dòng)等[1]。因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)的振動(dòng)直接關(guān)系到軸系、葉片安全，所以振動(dòng)被作為燃?xì)廨啓C(jī)主要的保護(hù)參數(shù)之一[2]。及時(shí)、準(zhǔn)確地了解燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)狀態(tài)，并據(jù)此判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否發(fā)生真實(shí)的機(jī)械振動(dòng)，還是受到其他因素干擾，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行和維護(hù)至關(guān)重要。

1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

某型燃?xì)廨啓C(jī)配置的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由壓電式加速度傳感器、振動(dòng)監(jiān)測(cè)組件、低噪聲電纜等構(gòu)成，如圖1所示。其工作原理為：布置在燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)匣表面的壓電式加速度傳感器接受到燃?xì)廨啓C(jī)的振動(dòng)后， 輸出正比于振動(dòng)加速度的電荷信號(hào)至振動(dòng)監(jiān)測(cè)組件。振動(dòng)監(jiān)測(cè)組件采集到此信號(hào)后，通過(guò)積分、濾波、放大的信號(hào)處理模塊轉(zhuǎn)換后，將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成正比于振動(dòng)速度的電流、電壓信號(hào)分別傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)和臨時(shí)診斷設(shè)備。

2 振動(dòng)干擾案例

2.1 故障現(xiàn)象

在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示低壓壓氣機(jī)振動(dòng)多次出現(xiàn)尖波，超出振動(dòng)允許范圍，如圖2所示。由于振動(dòng)是燃?xì)廨啓C(jī)重要的監(jiān)測(cè)保護(hù)參數(shù)之一，因而，當(dāng)振動(dòng)值過(guò)大時(shí)，必須檢查分析振動(dòng)異常信號(hào)的真實(shí)性和來(lái)源。

當(dāng)振動(dòng)幅值出現(xiàn)較大幅值時(shí)，技術(shù)員將動(dòng)態(tài)信號(hào)頻譜分析設(shè)備連接至振動(dòng)監(jiān)測(cè)組件，從頻譜圖得到主要的振動(dòng)特征信號(hào)，判斷出振動(dòng)測(cè)試信號(hào)存在干擾。

一般引起振動(dòng)干擾的因素有：

(1) 振動(dòng)傳感器或連接電纜安裝不牢固或與周邊管路有接觸。燃?xì)廨啓C(jī)不同工況運(yùn)行時(shí)，相應(yīng)的管路內(nèi)油氣流通量也不同，會(huì)引起管路的不同頻振動(dòng)，進(jìn)而影響振動(dòng)傳感器有效測(cè)量，鄭月珍[3]對(duì)此有相關(guān)表述。

(2) 連接插頭松動(dòng)。運(yùn)行中機(jī)組的外殼振動(dòng)會(huì)使插頭松動(dòng),導(dǎo)致插頭脫位接觸不良，從而導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)異常。

(3) 溫度過(guò)高。壓電式加速度傳感器的使用環(huán)境溫度不能超過(guò)其允許值。若環(huán)境溫度過(guò)高，傳感器輸出的信號(hào)將發(fā)生失真，使得后端經(jīng)處理后的振動(dòng)信號(hào)無(wú)法反應(yīng)測(cè)點(diǎn)的真實(shí)振動(dòng)情況。

(4) 振動(dòng)監(jiān)測(cè)組件故障。振動(dòng)傳感器將采集的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào)輸出，電荷信號(hào)需通過(guò)電容轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并輸出到信號(hào)采集電路中以進(jìn)行后續(xù)積分、濾波、放大等處理[4]。因此若電荷放大電路或信號(hào)處理模塊失效，都會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)監(jiān)測(cè)組件性能失效。

(5) 接地環(huán)流干擾?，F(xiàn)場(chǎng)儀器設(shè)備根據(jù)各自工作特點(diǎn)和要求都需要接地，振動(dòng)電纜為了正常工作，其屏蔽層也應(yīng)該接地，但是由于各接地參考點(diǎn)之間存在電勢(shì)差，因而會(huì)存在接地環(huán)流，當(dāng)環(huán)流很大且超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)很高的共模噪聲電壓，并通過(guò)分布參數(shù)耦合到信號(hào)線上，產(chǎn)生串模干擾，對(duì)測(cè)量有很大影響[5-6]。

(6) 電磁干擾。電纜是導(dǎo)致電磁干擾的最主要因素，因?yàn)殡娎|本身就是一根高效的輻射、接收天線，且因各導(dǎo)線平行傳輸距離長(zhǎng)、間距小，因此導(dǎo)線中存在很大的電容和互感，而這也是電磁干擾的根本原因[7]。

2.2 排查過(guò)程

在發(fā)現(xiàn)低壓振動(dòng)信號(hào)異常后，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員首先外觀檢查確認(rèn)了振動(dòng)傳感器固定牢靠，與周?chē)苈窙](méi)有接觸，且連接插頭沒(méi)有松動(dòng)。另外，由于低壓振動(dòng)傳感器處于低溫區(qū)，使用環(huán)境溫度遠(yuǎn)低于其允許溫度，因而2.1節(jié)所述引起振動(dòng)干擾因素的前三項(xiàng)非本案例故障原因。技術(shù)員接著進(jìn)行排查：

(1) 燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)，對(duì)調(diào)低壓壓氣機(jī)與高壓壓氣機(jī)的振動(dòng)輸入通道。此時(shí)，高壓振動(dòng)通道顯示原低壓振動(dòng)依然存在異?，F(xiàn)象，而低壓振動(dòng)通道顯示原高壓振動(dòng)數(shù)值正常，無(wú)異?，F(xiàn)象。據(jù)此可以判定振動(dòng)監(jiān)測(cè)組件無(wú)故障，應(yīng)當(dāng)是振動(dòng)傳感器至振動(dòng)監(jiān)測(cè)組件段存在問(wèn)題。

(2) 由于(1)檢查排除振動(dòng)組件故障，所以將燃?xì)廨啓C(jī)停機(jī)，檢查、分析歷史記錄數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)低壓振動(dòng)數(shù)值會(huì)在升降油門(mén)瞬間突增，之后會(huì)隨著油門(mén)位置固定而穩(wěn)定在小幅變化范圍內(nèi)，如圖3所示。

(b) 油門(mén)下降時(shí)低壓振動(dòng)值變化圖3 低壓振動(dòng)隨油門(mén)升降變化

進(jìn)一步地，技術(shù)員發(fā)現(xiàn)在燃?xì)廨啓C(jī)處于停機(jī)狀態(tài)下，靜態(tài)升降油門(mén)位置，低壓振動(dòng)數(shù)值在油門(mén)變化的瞬間也會(huì)陡增。據(jù)此，判斷可能是噪聲干擾問(wèn)題，為了確定具體原因，繼續(xù)排查：

(3) 使用備用的低噪聲測(cè)試線纜，一端連接機(jī)上插座，另一端直接連接至振動(dòng)監(jiān)測(cè)組件。靜態(tài)升降油門(mén)位置，振動(dòng)值始終保持為0，因此可以排除振動(dòng)傳感器電纜問(wèn)題。

(4) 使用備用的低噪聲測(cè)試線纜，一端連接底架插頭，另一端直接連接振動(dòng)監(jiān)測(cè)組件。靜態(tài)升降油門(mén)位置，振動(dòng)值仍然為0，因此也可以排除機(jī)上連接電纜問(wèn)題。

(5) 故而，可以判斷為底架插座或至振動(dòng)組件的線纜存在問(wèn)題。技術(shù)員拆檢底架插座，發(fā)現(xiàn)芯孔對(duì)應(yīng)的屏蔽線已虛焊、松動(dòng)，導(dǎo)致屏蔽線接地效果減弱。重新焊接屏蔽線后，恢復(fù)原振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)線路，再次靜態(tài)升降油門(mén)位置，低壓振動(dòng)值仍會(huì)在油門(mén)位置變化瞬間而突增，但振動(dòng)峰值只有3 mm/s,較原先情況已有大幅改善。

(6) 進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)，底架至振動(dòng)監(jiān)測(cè)組件的電纜與油門(mén)控制線纜鋪設(shè)在同一管道內(nèi)，且相互重疊。技術(shù)員將振動(dòng)線纜與油門(mén)控制電纜分開(kāi)，并重新鋪設(shè)在管道外部后，再次靜態(tài)升降油門(mén)位置，振動(dòng)值始終保持為0 mm/s。

(7) 起動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)，再次升降油門(mén)位置，低壓振動(dòng)異常信號(hào)消失，至此排除振動(dòng)干擾噪聲。

3 振動(dòng)干擾原因分析

根據(jù)2.2節(jié)所述的故障排除過(guò)程，可以判斷引起振動(dòng)干擾噪聲的因素主要為信號(hào)串?dāng)_。信號(hào)串?dāng)_分為由磁場(chǎng)引起的電感性耦合噪聲和由電場(chǎng)引起的電容性耦合噪聲。本故障案例是典型的導(dǎo)體間電容性耦合噪聲現(xiàn)象。其產(chǎn)生機(jī)理，如圖4(a)所示,導(dǎo)體A為噪聲源，對(duì)地噪聲電壓為Us；導(dǎo)體B是受感應(yīng)導(dǎo)體，對(duì)地電阻為RL,對(duì)地電容為CL，Z為RL和CL并聯(lián)阻抗，UN為導(dǎo)體B的感應(yīng)噪聲電壓；A和B之間的分布電容為CS。

感應(yīng)噪聲電壓UN的頻率特性，如圖4(b)所示，當(dāng)噪聲電壓頻率f低于fp時(shí)，即電容CS與CL的阻抗之和大于RL，UN=2πfRLCSUS；當(dāng)噪聲電壓頻率f高于fp時(shí)，即電容CS與CL的阻抗之和小于RL，噪聲值接近于恒定值UN=CSUS/(CS+CL)。

(a) 導(dǎo)體間電容性耦合噪聲等效圖

(b) 感應(yīng)噪聲電壓的頻率特性圖4 導(dǎo)體間電容性耦合

因此，抑制電容性耦合噪聲的一個(gè)最基本方式便是減弱與噪聲導(dǎo)體間的分布電容CS，而減弱兩導(dǎo)體間的分布電容的最直接的方法便是增大與噪聲導(dǎo)體之間的距離。但有時(shí)受條件限制，無(wú)法增大噪聲導(dǎo)體之間的距離，此時(shí)采用靜電屏蔽的方法是十分有效的，且試驗(yàn)證明靜電屏蔽抑制電容性耦合噪聲效果比增大距離減小分布電容的效果更加明顯[8]。

本文案例中，油門(mén)控制線纜為導(dǎo)體A，振動(dòng)電纜為導(dǎo)體B。因油門(mén)控制線纜與振動(dòng)線纜鋪設(shè)在同一管道內(nèi)，距離很小，因而分布電容較大，導(dǎo)致振動(dòng)監(jiān)測(cè)受到油門(mén)控制信號(hào)干擾。另外，由于振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中出現(xiàn)屏蔽層接地不良情況，導(dǎo)致振動(dòng)電纜和屏蔽層之間的分布電容上沒(méi)有電流，振動(dòng)電纜接受到的噪聲電壓就是屏蔽層接受到的噪聲電壓UN。同時(shí)，針對(duì)這兩處問(wèn)題，采取相應(yīng)整改措施后，降噪效果也證明了靜電屏蔽措施尤為重要。

4 結(jié)論

在某型燃?xì)廨啓C(jī)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，因?yàn)闆](méi)有采用有效的防干擾措施，致使低壓壓氣機(jī)振動(dòng)信號(hào)多次出現(xiàn)異常。通過(guò)分析、排查，確定為電纜之間距離過(guò)小，以及屏蔽層接地不良導(dǎo)致。在采取相應(yīng)的改進(jìn)措施后，干擾消除，振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)恢復(fù)正常。整個(gè)故障排查思路以及相應(yīng)的原因分析、改進(jìn)措施等對(duì)工程實(shí)踐都有指導(dǎo)借鑒意義。