1. 技术诊断基础

设备

便携式平衡器和振动分析仪 Balanset-1A

€1,751.00

部件

振动传感器。

€90.00

部件

光学传感器（激光转速计）。

€124.00

设备

Balanset-4

€6,803.00

部件

磁座尺寸-60-kgf。

€46.00

部件

反射胶带。

€10.00

设备

Dynamic balancer "Balanset-1A" OEM

€1,561.00

1.1 技术诊断概述

技术诊断是一种系统性的方法，用于确定船舶设备的当前状况并预测其未来性能。工程师使用诊断技术在故障发展到灾难性故障之前识别它们，从而确保船舶的运行安全和经济效率。

技术诊断基本原理

技术诊断的基本原理依赖于设备状态与可测量物理参数之间的关联。工程师会监测反映机器内部状态的特定诊断参数。当设备开始老化时，这些参数会以可预测的模式发生变化，从而使专家能够检测并分类正在发生的问题。

诊断术语

理解诊断术语是有效状态监测程序的基础。每个术语都有其特定含义，可用于指导诊断决策：

识别算法和诊断模型

现代诊断系统采用复杂的算法，自动分析收集的数据并识别设备状况。这些算法利用模式识别技术将测量参数与已知的故障特征关联起来。

识别算法会同时处理多个诊断参数，并考虑它们各自的值及其相互关系。例如，监控船用燃气轮机的诊断系统可能会同时分析振动水平、温度曲线和油液分析结果，从而提供全面的状态评估。

控制参数优化

有效的诊断程序需要仔细选择监测参数和已识别的故障。工程师必须在诊断覆盖率与传感器成本、数据处理要求和维护复杂性等实际限制之间取得平衡。

维护方法的演变

海运业经历了多种维护理念的演变，每种理念都提供了不同的设备维护方法：

功能诊断与测试诊断

诊断方法主要分为两类，在船舶维护计划中用于不同的目的：

功能诊断 监控设备正常运行，在机器执行其预期功能时收集数据。这种方法提供了真实的状态信息，但限制了可能的测试类型。

测试仪诊断 对设备施加人工激励（通常在停机期间），以评估特定特性（例如固有频率或结构完整性）。

1.2 振动诊断

振动诊断已成为旋转船舶设备状态监测的基石。该技术利用了机械故障会产生特征振动模式这一基本原理，训练有素的分析师可以解读这些振动模式，从而评估设备状态。

振动作为主要诊断信号

旋转的船舶设备本身会通过各种机制产生振动，包括不平衡、错位、轴承磨损和流体流动扰动。健康的设备会表现出可预测的振动特征，而发生故障会导致这些模式发生明显变化。

船舶工程师之所以利用振动监测，是因为它在设备持续运行的同时，能够提前预警即将出现的问题。这种功能在船舶应用中尤其有价值，因为设备故障可能会危及船舶安全，甚至导致船舶在海上搁浅。

故障检测方法

有效的振动诊断需要系统的方法，从数据收集到故障识别，再到严重程度评估。该过程通常遵循以下阶段：

1. 基线建立： 记录设备运行良好时的振动特征
2. 趋势监测： 跟踪振动水平随时间的变化
3. 异常检测： 识别与正常模式的偏差
4. 故障分类： 确定正在发展的问题的类型
5. 严重程度评估： 评估维护需求的紧迫性
6. 预后： 估计剩余使用寿命

设备状况状态

振动诊断根据测量参数和观察到的趋势将船舶设备分为不同的状态：

诊断方法的类型

参数诊断 专注于跟踪特定的振动参数，例如总体水平、峰值或频率分量。这种方法非常适合趋势分析和警报生成。

故障诊断 通过分析振动特征来识别特定的故障类型。专家会寻找与轴承缺陷、不平衡、错位或其他常见问题相关的特征模式。

预防性诊断 旨在通过传统监控手段在故障症状显现之前检测出故障的起源。这种方法通常采用先进的信号处理技术，从噪声中提取细微的故障特征。

经济效益

在船舶作业中实施振动诊断，可以降低维护成本、提高设备可靠性并提升运营效率，带来显著的经济效益。研究表明，全面的振动监测方案通常可提供5:1到10:1的投资回报率。

2. 振动基本原理

2.1 机械振动的物理基础

了解振动基本原理为有效的诊断工作提供了必要的理论基础。振动是指机械系统围绕其平衡位置的振荡运动，其特征参数由工程师测量和分析，以评估设备状况。

机械振动：核心参数

机械系统表现出三种基本类型的振动运动，每种类型都能提供对设备状况的不同见解：

其中A表示振幅，ω表示角频率，t表示时间，φ表示相位角。

振动位移 测量机械从中立位置移动的实际距离。船舶工程师通常以微米 (μm) 或密耳 (0.001 英寸) 表示位移。位移测量对低频振动（例如大型低速运转机械中的不平衡）最为敏感。

振动速度 量化位移变化率，以毫米/秒 (mm/s) 或英寸/秒 (in/s) 表示。速度测量提供宽广的频率响应，并与振动能量含量具有良好的相关性，非常适合整体状况评估。

振动加速度 测量速度变化率，通常以米/平方秒 (m/s²) 或重力单位 (g) 表示。加速度测量擅长检测轴承缺陷或齿轮啮合问题等高频振动。

振动的统计测量

工程师使用各种统计方法来表征振动信号并提取诊断信息：

峰值 表示测量周期内的最大瞬时振幅。峰值测量有助于识别在其他测量中可能不明显的冲击事件或严重故障情况。

RMS（均方根）值 提供振动的有效振幅，其计算方式为瞬时值平方均方根。有效值测量值与振动能量相关，可作为大多数状态监测应用的标准。

峰峰值 测量正峰值和负峰值之间的总振幅。此参数对于位移测量和间隙计算非常有用。

波峰因数 表示峰值与均方根值之比，表明振动信号的“尖峰”程度。健康的旋转机械的波峰因数通常在3到4之间，而轴承缺陷或撞击会导致波峰因数超过6。

旋转设备作为振荡系统

船舶旋转设备是一个复杂的振动系统，具有多个自由度、固有频率和响应特性。了解这些系统特性有助于工程师正确解读振动测量结果并识别潜在问题。

每个旋转系统都具有固有的刚度、质量和阻尼特性，这些特性决定了其动态行为。转子、轴、轴承、基础和支撑结构都会影响整个系统的响应。

船舶系统中的振动类型

自由振动 系统在初始激励后以其固有频率振荡时发生。船舶工程师在设备启动、关闭或冲击事件后会遇到自由振动。

受迫振动 振动是由特定频率的连续激励引起的，通常与转速或流动现象有关。船舶设备中的大多数运行振动都是由各种激励源引起的受迫振动。

参数振动 当系统参数周期性变化时出现，例如损坏齿轮的刚度变化或支撑条件的变化。

自激振动 当机械通过诸如轴承中的油涡流或压缩机中的空气动力学不稳定性等机制产生自身激励时，就会发生这种情况。

指向性

振动发生在三个垂直方向上，每个方向都提供不同的诊断信息：

径向振动 径向力垂直于轴线，通常在旋转设备中占主导地位。径向测量可检测不平衡、错位、轴承问题和结构共振。

轴向振动 平行于轴线发生，通常表示推力轴承问题、联轴器问题或涡轮机械中的空气动力。

扭转振动 表示绕轴线的扭转运动，通常使用专门的传感器测量或根据转速变化计算。

固有频率和共振

每个机械系统都具有固有频率，而固有频率会导致振动放大。当激励频率与固有频率匹配或接近时，就会发生共振，从而可能导致剧烈振动并迅速损坏设备。

船舶工程师通过冲击试验、加速/减速分析或分析计算来确定固有频率。了解系统固有频率有助于解释振动模式并指导纠正措施。

船舶设备中的振动源

机械源 包括不平衡、错位、部件松动、轴承缺陷和齿轮问题。这些因素通常会产生与转速和部件几何形状相关的频率的振动。

电磁源 电机中的振动会产生两倍于工频和其他电频率的振动。电机磁不平衡、转子导条问题以及电源电压不平衡都会产生特征性的电振动信号。

空气动力/流体动力源 振动是由泵、风扇、压缩机和涡轮机中流体流动相互作用产生的。叶片通过频率、流动不稳定性以及空化现象会产生独特的振动模式。

2.2 振动测量单位和标准

标准化的测量单位和评估标准为整个海洋作业中一致的振动评估奠定了基础。国际标准确立了测量程序、验收限度和报告格式，以便对结果进行有意义的比较。

线性和对数单位

根据应用和动态范围要求，振动测量采用线性和对数尺度：

在处理振动测量中常见的宽动态范围时，对数单位的优势显而易见。分贝标度将较大的变化压缩到可控范围内，并强调相对变化而非绝对值。

国际标准框架

有几项国际标准规范了船舶应用中的振动测量和评估：

ISO 10816系列 为评估机械非旋转部件测量的振动提供了指导原则。该标准根据不同的工况建立了振动区域（A、B、C、D）。

ISO 7919系列 涵盖旋转轴的振动测量，尤其适用于大型船舶推进系统和涡轮机械。

ISO 14694 解决机器的振动状态监测和诊断，为测量程序和数据解释提供指导。

机器分类标准

标准根据影响振动限制和测量要求的几个特性对机械进行分类：

额定功率： 小型机器（高达 15 kW）、中型机器（15-75 kW）和大型机器（75 kW 以上）具有不同的振动耐受性，反映了它们的结构和支撑系统。

速度范围： 低速机器（600 RPM 以下）、中速机器（600-12,000 RPM）和高速机器（12,000 RPM 以上）表现出不同的振动特性，需要适当的测量方法。

支撑系统刚度： 标准根据机器运行速度和支撑系统固有频率之间的关系区分“刚性”和“柔性”安装系统。

测量点和程序

标准化的测量程序可确保在不同设备和操作条件下获得一致且可比的结果。关键考虑因素包括：

测量地点： 标准规定了轴承箱上最靠近主轴承的测量点，这些测量点位于捕捉主要振动模式的方向上。

工作条件： 测量应在额定转速和负载的正常运行条件下进行。启动或停机期间的瞬态条件需要单独评估。

测量时长： 充足的测量时间可确保读数稳定并捕捉振动水平的任何周期性变化。

评估标准和限制

标准根据机器类型、尺寸和安装条件规定了振动限值。这些限值代表了可接受和不可接受的振动水平之间的界限，用于指导维护决策。

评估标准既考虑绝对振动水平，也考虑随时间变化的趋势。即使绝对振动水平保持在可接受的范围内，缓慢增加的振动也可能表明问题正在出现。

3.振动测量

3.1 振动测量方法

有效的振动测量需要了解不同测量方法背后的物理原理及其在海洋环境中的实际应用。工程师会根据设备特性、诊断目标和操作限制来选择测量方法。

运动学与动态测量原理

运动测量 侧重于运动参数（位移、速度、加速度），而不考虑产生这种运动的力。大多数振动传感器基于运动学原理，测量表面相对于固定参考系的运动。

动态测量 动态测量同时考虑运动和产生振动的力。动态测量对于理解激励源和系统响应特性非常有价值，尤其是在诊断测试期间。

绝对振动与相对振动

绝对振动测量和相对振动测量之间的区别对于正确选择传感器和数据解释至关重要：

绝对振动 测量相对于固定参考系（通常为地固坐标系）的运动。安装在轴承座上的加速度计和速度传感器提供反映固定部件运动的绝对振动测量值。

相对振动 测量两个部件之间的运动，通常是轴相对于轴承座的运动。接近探头提供相对测量值，可直接指示轴承间隙内的轴动态行为。

接触式与非接触式方法

联系方式 需要在传感器和振动表面之间建立物理连接。这些方法包括直接安装在设备结构上的加速度计、速度传感器和应变计。

接触式传感器具有多种优点：

• 高灵敏度和准确性
• 宽频率响应
• 已建立的测量程序
• 经济高效的解决方案

非接触式方法 无需与受监控设备进行物理连接即可测量振动。接近探头、激光测振仪和光学传感器均提供非接触式测量。

非接触式传感器在以下应用领域表现出色：

• 高温环境
• 旋转表面
• 危险场所
• 临时测量

3.2 技术振动测量设备

现代振动测量系统融合了先进的传感器技术和信号处理能力，能够在充满挑战的海洋环境中采集准确的数据。了解传感器的特性和局限性，可确保正确应用并获得可靠的结果。

传感器特性和性能

所有振动传感器都表现出定义其功能和局限性的特征性能参数：

幅频响应 描述传感器输出在恒定幅度下如何随输入频率变化。理想的传感器在其工作频率范围内保持平坦的响应。

相频响应 表示输入振动与传感器输出之间的相移，是频率的函数。相位响应对于涉及多个传感器或定时测量的应用至关重要。

动态范围 表示最大可测振幅与最小可测振幅之比。船舶应用通常需要宽动态范围来处理低背景振动和高故障相关信号。

信噪比 将有用的信号强度与不需要的噪声进行比较，确定传感器能够可靠检测到的最小振动水平。

接近探头（涡流传感器）

涡流探头利用涡流原理测量探头尖端与导电目标（通常是旋转轴）之间的距离。这类传感器擅长测量轴承间隙内的相对轴运动。

接近探头的主要特性包括：

• 直流响应（可测量静态位移）
• 高分辨率（通常为 0.1 μm 或更高）
• 与轴无机械接触
• 温度稳定性
• 工作范围内的线性输出

速度传感器（地震传感器）

速度传感器利用电磁感应原理，在线圈内悬浮一个磁块。磁块与线圈之间的相对运动会产生与速度成比例的电压。

速度传感器为船舶应用提供了多种优势：

• 自发电（无需外部电源）
• 宽频率响应（通常为 10-1000 Hz）
• 坚固的结构
• 直接速度输出（符合 ISO 标准）

限制包括：

• 低频响应有限
• 温度敏感性
• 磁场干扰
• 尺寸和重量相对较大

加速度计

加速度计是最通用的振动传感器，采用压电、压阻或电容技术来测量加速度。压电加速度计因其卓越的性能特性，在船舶应用中占据主导地位。

压电加速度计 当晶体材料受到机械应力时，会产生与施加力成比例的电荷。常见的压电材料包括天然石英和合成陶瓷。

加速度计的关键选择标准包括：

• 频率范围匹配应用要求
• 适合预期振动水平的灵敏度
• 温度和湿度的环境等级
• 安装方法兼容性
• 电缆连接器类型和密封

传感器安装方法

正确的传感器安装可确保测量准确，并防止传感器损坏。不同的安装方法会产生不同的频率响应和测量保真度：

螺柱安装 通过螺纹螺柱将传感器刚性连接到测量表面，提供最高的频率响应和最佳精度。

粘合安装 为临时测量提供了便利，同时保持高达几千赫兹的良好频率响应。

磁性安装 能够在铁磁表面上快速放置传感器，但由于安装共振而限制频率响应。

探头/刺杆安装 允许在难以进入的位置进行测量，但进一步降低了频率响应。

信号调理设备

振动传感器需要信号调理，将原始传感器输出转换为可用的测量信号。信号调理系统提供电源、放大、滤波和信号转换功能。

电荷放大器 将压电加速度计的高阻抗电荷输出转换为适合通过长电缆传输的低阻抗电压信号。

电压放大器 将低电平传感器输出提升到模数转换所需的电平，同时提供滤波和信号调节功能。

IEPE（集成电子压电）系统 在传感器内加入内置电子设备，简化安装并通过恒流激励提高抗噪能力。

数据采集系统

现代振动测量系统集成了传感器、信号调理和数据处理功能，这些系统专为海洋环境设计，可提供自动化数据收集、分析和报告功能。

船舶振动数据采集系统的主要特点包括：

• 多通道同时采样
• 可编程增益和滤波
• 环境保护（IP65或更高）
• 电池操作能力
• 无线数据传输
• 与船舶系统集成

校准和验证

定期校准可确保测量准确性和符合国家标准的可追溯性。船舶振动项目需要系统的校准程序，以应对恶劣的运行环境。

初级校准 使用精密振动校准器，提供特定频率下的已知加速度水平。实验室级校准器的不确定度可达到1%以下。

现场验证 采用便携式校准源来验证传感器和系统性能，而无需停止使用设备。

背靠背比较 比较测量同一振动源的多个传感器的读数，识别超出可接受公差范围的传感器。

4.振动信号的分析与处理

4.1 振动信号的类型

了解不同类型的振动信号有助于船舶工程师选择合适的分析方法并正确解读诊断结果。设备故障会产生特征性信号模式，训练有素的分析师能够识别和分类。

谐波和周期信号

纯谐波信号 代表最简单的振动形式，其特征是单一频率的正弦运动。虽然谐波分析在实际机械中并不常见，但它构成了理解更复杂信号的基础。

多谐波信号 包含具有精确谐波关系的多个频率分量。旋转机械通常会由于几何周期性和非线性力而产生多谐波信号。

准多谐波信号 表现出近乎周期性的行为，频率随时间略有变化。这些信号是由机械的速度变化或调制效应产生的。

调制信号

当一个信号参数根据另一个信号而变化时，就会发生调制，从而产生携带有关多个故障源的诊断信息的复杂波形。

调幅（AM） 信号幅度周期性变化时产生的。常见原因包括：

• 轴承外圈缺陷
• 齿轮齿的磨损模式
• 电源变化
• 轴弯曲或跳动

调频（FM） 当信号频率周期性变化时发生，通常表示：

• 速度变化
• 耦合问题
• 负载波动
• 驱动系统不稳定

相位调制（PM） 涉及周期性相位变化，可以指示驱动系统中的时间变化或机械间隙。

瞬态和冲击信号

脉冲信号 代表激发多个系统共振的短时高振幅事件。滚动轴承缺陷通常会在旋转过程中因受损表面的冲击而产生脉冲信号。

撞击信号表现出以下特征：

• 高波峰因数 (>6)
• 宽频内容
• 振幅快速衰减
• 周期性重复率

节拍信号 高频振荡是由紧密相邻频率之间的干扰引起的，从而产生周期性的振幅变化。拍频模式通常表明：

• 多个旋转元件
• 齿轮啮合相互作用
• 电混频
• 结构共振耦合

随机信号

平稳随机信号 表现出随时间保持不变的统计特性。湍流噪声和电气干扰通常会产生稳态随机振动。

非平稳随机信号 表现出随时间变化的统计特征，常见于：

• 空化现象
• 轴承表面粗糙度的影响
• 气动湍流
• 齿轮啮合变化

调幅随机信号 将周期性调制与随机载波信号相结合，这是轴承退化的特征，其中随机冲击通过几何缺陷频率进行幅度调制。

4.2 信号分析方法

有效的振动分析需要适当的信号处理技术，以提取诊断信息，同时抑制噪声和无关成分。船舶工程师会根据信号特征和诊断目标选择分析方法。

时域分析

波形分析 在时域中检查原始振动信号，以识别频率分析中不明显的信号特征。时间波形可以揭示：

• 冲击时间和重复率
• 调制模式
• 信号不对称
• 瞬态事件

统计分析 应用统计方法表征信号特性：

峰度 这对于轴承诊断特别有价值，因为健康轴承的峰度值通常接近 3.0，而发展缺陷则会导致峰度超过 4.0。

频域分析

傅里叶变换原理 实现时域和频域之间的转换，揭示时间波形中不可见的频率分量。离散傅里叶变换 (DFT) 处理数字信号：

快速傅里叶变换（FFT） 算法有效地计算二的幂长度信号的DFT，使得实时频谱分析在海洋应用中变得实用。

FFT 分析有几个主要优点：

• 识别特定的故障频率
• 跟踪频率成分的变化
• 隔离多个振动源
• 可以与既定模式进行比较

数字信号处理考虑因素

模数转换 将连续振动信号转换为离散的数字样本，以便计算机处理。关键参数包括：

采样率： 必须超过感兴趣的最高频率的两倍（奈奎斯特准则），以避免混叠失真。

防止混叠 需要抗混叠滤波器在采样之前去除奈奎斯特频率以上的频率成分。

窗口函数 在分析非周期信号或有限持续时间的信号时最小化频谱泄漏：

过滤技术

滤波器隔离特定频带以进行重点分析，并消除可能干扰诊断解释的不需要的信号成分。

低通滤波器 去除高频成分，有助于消除噪声并关注不平衡和错位等低频现象。

高通滤波器 消除低频成分，有利于在分析轴承、齿轮缺陷时消除不平衡的影响。

带通滤波器 隔离特定频带，从而能够分析单个机械部件或故障模式。

跟踪过滤器 随着机械速度的变化而遵循特定的频率成分，特别适用于分析启动和关闭期间与顺序相关的振动。

高级分析技术

包络分析 从高频信号中提取调制信息，对滚动轴承诊断特别有效。该技术包括：

1. 轴承共振频率附近的带通滤波
2. 幅度解调（包络提取）
3. 对包络信号进行低通滤波
4. 包络的 FFT 分析

倒谱分析 检测频谱中的周期性成分，有助于识别指示特定故障情况的齿轮啮合边带和谐波族。

订单追踪 将振动分量分析为转速的倍数，这对于以变速运行的机械至关重要。阶次分析可在阶次域中保持恒定的分辨率，不受速度变化的影响。

连贯性分析 测量两个信号之间作为频率函数的线性关系，有助于识别振动传输路径和机械部件之间的耦合。

4.3 振动分析技术设备

现代船舶振动分析依赖于先进的仪器，这些仪器将多种分析功能集成在适合船上使用的便携式、坚固耐用的封装中。设备的选择取决于应用需求、环境条件和操作员的专业水平。

振动计和分析仪

简易振动计 提供基本的整体振动测量，不具备频率分析功能。这些仪器适用于常规监测应用，其中整体水平趋势分析足以进行状态评估。

倍频程分析仪 将频谱划分为标准倍频程或分数倍频程，在提供频率信息的同时保持简洁性。船舶应用通常使用 1/3 倍频程分析进行噪声和振动评估。

窄带分析仪 采用FFT处理技术，提供高频率分辨率，可进行诊断应用的详细频谱分析。这些仪器构成了综合振动测试程序的支柱。

便携式系统与永久系统

便携式（离线）系统 为跨多台机器的定期测量提供灵活性。优点包括：

• 降低每台机器的成本
• 测量灵活性
• 多机覆盖
• 详细分析能力

便携式系统的局限性：

• 手动测量要求
• 有限的持续监测
• 操作员技能依赖性
• 错过事件的可能性

永久（在线）系统 通过自动数据收集和警报生成对关键机械进行持续监控。

永久性系统的优点：

• 持续监测能力
• 自动生成警报
• 一致的测量条件
• 历史数据收集

虚拟仪器

虚拟仪器将通用硬件与专用软件相结合，打造灵活的分析系统。这种方法为船舶应用带来了诸多优势：

• 可定制的分析功能
• 轻松的软件更新
• 与船舶系统集成
• 经济高效的扩展

虚拟仪器通常采用：

• 商业数据采集硬件
• 标准计算机平台
• 专业分析软件
• 自定义用户界面

监控系统架构

综合船舶振动监测系统集成了分层架构中的多个组件，可适应各种设备类型和监测要求。

本地处理单元 从多个传感器收集数据，进行初始处理并与中央系统通信。这些单元提供分布式智能，并降低通信带宽要求。

中央监控站 从当地单位接收数据，执行高级分析，生成报告并与船舶管理系统接口。

远程访问功能 使岸上专家能够访问船上监控系统以获得技术支持和高级诊断。

数据管理系统

有效的振动程序需要强大的数据管理系统来存储、组织和检索测量数据以用于分析和报告目的。

数据库设计 考虑因素包括：

• 测量数据存储
• 设备层级定义
• 分析结果存档
• 用户访问控制

数据压缩 技术在保留诊断信息的同时降低了存储需求。常见的方法包括：

• 光谱数据缩减
• 统计参数提取
• 趋势数据压缩
• 基于异常的存储

5.振动控制和状态监测

设备

便携式平衡器和振动分析仪 Balanset-1A

€1,751.00

部件

振动传感器。

€90.00

部件

光学传感器（激光转速计）。

€124.00

设备

Balanset-4

€6,803.00

部件

磁座尺寸-60-kgf。

€46.00

部件

反射胶带。

€10.00

设备

Dynamic balancer "Balanset-1A" OEM

€1,561.00

5.1 验收测试和质量控制

振动验收测试为新船用设备建立了基准性能标准，并在投入使用前验证其是否符合规格。这些程序可以防止可能影响设备可靠性的制造缺陷和安装问题。

输入/输出振动控制方法

设备调试期间的系统振动控制可确保正确安装和初始性能。控制方法包括服务前验证和性能确认程序。

安装前测试 船上安装前验证设备状况：

• 工厂验收测试
• 运输损害评估
• 收货检验程序
• 储存条件验证

安装验证 确认正确的安装、对准和系统集成：

• 基金会合规性检查
• 对准公差验证
• 管道应力评估
• 电气连接验证

制造和安装缺陷检测

振动分析能够有效识别传统检测方法可能遗漏的常见制造和安装问题。早期检测可防止渐进式损坏和代价高昂的故障。

制造缺陷 可通过振动分析检测的包括：

• 转子平衡质量偏差
• 轴承安装问题
• 加工公差违规
• 装配对准错误

安装缺陷 振动测试通常发现：

• 软脚状况
• 联轴器错位
• 管道应变
• 基金会共鸣

技术标准和规范

船舶设备振动验收依赖于既定的技术标准，该标准定义了各种机械类型的测量程序、评估标准和验收限度。

设备磨合程序

新型船舶设备需要系统的磨合程序，使部件能够逐步磨合，同时监测异常情况。磨合期间的振动监测可以提前预警潜在问题。

闯入监控阶段：

1. 初始启动验证
2. 低负荷运行评估
3. 渐进式负荷评估
4. 满载性能确认
5. 扩展操作验证

在磨合过程中，随着部件的稳定和磨损模式的形成，工程师预计振动特性会逐渐变化。突然的变化或持续升高的振动水平表明存在潜在问题，需要进行调查。

5.2 振动监测系统

全面的振动监测系统可对关键船舶设备进行持续监控，从而实现早期故障检测、趋势分析和预测性维护规划。系统设计必须能够适应海洋环境的独特挑战，同时提供可靠的诊断功能。

数据库开发与管理

有效的监控程序需要强大的数据库系统，以可访问的格式组织设备信息、测量数据和分析结果，以供决策使用。

设备层次结构：

• 容器液位识别
• 系统分类（推进、电力、辅助）
• 设备类型分类
• 组件级细节
• 测量点定义

数据类型和组织：

• 时间波形存储
• 频谱存档
• 统计参数趋势
• 运行状况记录
• 维护历史记录集成

设备选择和程序开发

成功的监控程序需要根据关键性分析、故障后果和诊断有效性系统地选择设备和测量参数。

关键性评估因素：

• 设备故障对安全的影响
• 停机的经济后果
• 备件供应
• 修复复杂性和持续时间
• 历史故障频率

测量参数选择：

• 预期故障的频率范围
• 测量方向（径向、轴向）
• 传感器位置和数量
• 采样率和数据分辨率

测量规划和调度

系统的测量调度确保一致的数据收集，同时优化资源利用率并最大限度地减少运营中断。

测量频率指南：

警报级别设置和基线建立

正确的警报配置可以防止误报和遗漏故障情况，同时及时通知正在发生的问题。

基线建立程序：

1. 在良好的运行条件下收集多个测量值
2. 验证一致的运行参数（负载、速度、温度）
3. 计算统计参数（平均值、标准差）
4. 使用统计方法建立警报级别
5. 记录基线条件和假设

报警等级设置方法：

• 统计方法（平均值+3σ）
• 基于标准的限制（ISO 区域）
• 基于经验的阈值
• 特定组件标准

趋势分析和变化检测

趋势分析能够识别设备状态的渐进变化，在问题达到临界水平之前就预示其发展。有效的趋势分析需要一致的测量程序和恰当的统计解释。

趋势参数：

• 总体振动水平
• 特定频率成分
• 统计测量（波峰因数、峰度）
• 包络参数

变化检测方法：

• 统计过程控制
• 回归分析
• 累积和技术
• 模式识别算法

5.3 技术和软件系统

现代船舶振动监测依赖于集成硬件和软件系统，这些系统提供专为海事应用设计的自动数据收集、分析和报告功能。

便携式系统架构

便携式振动监测系统为全面的机械调查提供了灵活性，同时保持了适合海洋环境的专业分析能力。

核心组件：

• 加固型数据采集器
• 多种传感器类型和电缆
• 分析和报告软件
• 数据库管理系统
• 通信接口

海洋特定要求：

• 本质安全操作
• 耐温耐湿性
• 抗冲击和振动能力
• 电池寿命长
• 直观的用户界面

永久监测系统

永久监控系统通过自动数据收集、处理和警报生成功能对关键设备进行持续监控。

系统架构：

• 分布式传感器网络
• 本地处理单元
• 中央监控站
• 通信基础设施
• 远程访问功能

永久性系统优势：

• 持续状态监测
• 自动生成警报
• 一致的测量条件
• 历史数据保存
• 与船舶系统集成

软件要求和功能

监测软件必须提供全面的分析能力，同时保证不同振动专业水平的船舶工程师能够轻松使用。

软件基本功能：

• 多域分析（时间、频率、顺序）
• 自动故障检测算法
• 可定制的报告格式
• 趋势分析与预测
• 数据库集成

用户界面要求：

• 图形数据呈现
• 专家系统指导
• 可定制的仪表板
• 移动设备兼容性
• 多语言支持

6. 旋转船舶设备的诊断

6.1 机械零部件的振动特性

不同的机械部件会产生特征性的振动信号，使训练有素的分析人员能够识别具体问题并评估其严重程度。了解这些特征是船舶应用中有效振动诊断的基础。

滚动轴承诊断

滚动轴承是船舶机械中的关键部件，其状况会显著影响设备的可靠性。轴承缺陷会产生独特的振动模式，分析人员可以识别和追踪。

轴承缺陷频率： 当出现缺陷时，每种轴承几何形状都会产生特定的故障频率：

其中：N = 滚动体数量，d = 滚动体直径，D = 节圆直径，φ = 接触角

轴承状况评估阶段：

1. 第一阶段-发病： 高频噪声基底略有增加
2. 第二阶段——开发： 出现离散轴承频率
3. 第 3 阶段 - 进展： 谐波和边带发展
4. 第 4 阶段 - 高级： 次谐波和调制增加
5. 第五阶段-决赛： 宽带随机振动占主导地位

滑动轴承（径向轴承）分析

船舶应用中的滑动轴承，特别是大型柴油发动机和涡轮机械中的滑动轴承，与滚动轴承相比表现出不同的故障模式和振动特性。

常见的滑动轴承问题：

• 油膜旋涡： 发生在大约 0.4-0.48× RPM
• 油鞭： 频率锁定至第一临界速度
• 轴承磨损： 增加同步振动（1× RPM）
• 错位： 创建 2× RPM 组件

齿轮系统诊断

船舶应用中的齿轮系统包括主减速齿轮、辅助齿轮箱和各种传动系统。齿轮问题会产生与齿啮合和载荷分布相关的特征频率模式。

基本齿轮频率：

• 齿轮啮合频率（GMF）： 齿数×转速÷60
• 边带频率： GMF±轴频率
• 狩猎牙齿频率： 与牙齿数量关系相关

齿轮故障指示器：

• GMF 振幅增加
• 围绕 GMF 的边带开发
• 谐波产生
• 调制模式

轴和转子动力学

与轴相关的问题会产生反映旋转组件的机械状况和动态行为的振动模式。

常见的轴问题：

• 不平衡： 主要为 1× RPM 振动
• 弓/弯轴： 1× 和 2× RPM 组件
• 耦合问题： 2× RPM 振动
• 松弛： RPM 的多次谐波

错位类型和特征：

叶轮和流动相关的振动

泵、风扇和压缩机会产生与流体流动模式和叶轮状况相关的振动。这些液压或空气动力源会产生独特的频率模式。

与流相关的频率：

• 叶片通过频率（BPF）： 叶片数量×转速÷60
• BPF的谐波： 指示流动扰动
• 次同步组件： 可能表明存在气蚀或再循环

泵特定问题：

• 气蚀： 随机高频振动
• 叶轮损坏： 增强带通滤波器和谐波
• 再循环： 低频随机振动
• 流动湍流： 宽带振动增加

6.2 故障检测与识别

系统故障检测需要将频谱分析与时域技术、统计方法和模式识别相结合，以识别正在发展的问题并准确评估其严重性。

故障检测的频谱分析

频域分析通过揭示与不同故障模式相关的特征频率分量，提供了识别特定故障类型的主要工具。

谐波分析： 许多机械故障会产生谐波序列，有助于识别问题的来源和严重程度：

• 不平衡： 主要为 1× RPM，谐波极小
• 错位： 强劲的 2× RPM，具有潜在的 3× 和 4× 谐波
• 松弛： 多次谐波（高达 10× RPM 或更高）
• 摩擦： 分数谐波（0.5×、1.5×、2.5× RPM）

边带分析： 调制效应在主频率周围产生边带，指示特定的故障机制：

• 齿轮齿问题在啮合频率附近产生边带
• 轴承座圈缺陷调节高频共振
• 电气问题在线路频率附近产生边带

时域分析技术

时域分析通过揭示频谱数据中不明显的信号特征来补充频率分析，特别是对于脉冲或瞬态现象。

波形形状分析：

• 正弦： 表示简单周期性激励（不平衡）
• 剪辑/截断： 暗示影响或间隙问题
• 已调制： 显示幅度或频率变化
• 随机的： 表示湍流或随机激励

故障检测的统计参数：

• 波峰因数： 峰值/均方根比表示信号尖峰
• 峰度： 对冲击敏感的四阶矩统计量
• 偏度： 三阶矩统计量表明不对称
• RMS 趋势： 总能量含量变化

轴承诊断的包络分析

包络分析（幅度解调）从高频信号中提取调制信息，使其对于检测产生周期性影响的滚动轴承缺陷特别有效。

包络分析过程：

1. 结构共振周围的带通滤波器（通常为 1-5 kHz）
2. 应用包络检测（希尔伯特变换或校正）
3. 对包络信号进行低通滤波
4. 对包络进行 FFT 分析
5. 识别包络谱中的轴承故障频率

包络分析的优势：

• 增强对早期轴承故障的敏感性
• 减少其他振动源的干扰
• 提供清晰的轴承故障频率识别
• 实现故障严重程度评估

高级模式识别

现代诊断系统采用复杂的模式识别算法，可以根据学习模式和专家知识自动分类故障类型并评估严重程度。

机器学习方法：

• 神经网络： 从训练数据中学习复杂的故障模式
• 支持向量机： 使用最佳决策边界对故障进行分类
• 决策树： 提供逻辑故障识别程序
• 模糊逻辑： 处理故障分类中的不确定性

专家系统： 结合经验丰富的分析师的领域知识来指导自动故障检测并提供诊断推理。

6.3 故障严重程度评估

确定故障严重程度可以确定维护措施的优先顺序并估计设备的剩余寿命，这是海上作业中的关键因素，因为计划外停机可能会造成严重后果。

定量严重程度指标

有效的严重程度评估需要将振动特性与实际部件状况和剩余使用寿命联系起来的定量指标。

基于幅度的指标：

• 相对于基线的故障频率幅度
• 振幅随时间增加的速率
• 故障频率与总振动的比率
• 与既定严重程度限值的比较

统计严重程度指标：

• 波峰因子进展趋势
• 峰度发展模式
• 包络参数变化
• 光谱分布修改

预测模型

预测模型通过分析当前状况趋势并应用基于物理或数据驱动的退化模型来预测剩余使用寿命。

趋势分析方法：

• 线性回归： 简单趋势稳定下降
• 指数模型： 加速退化模式
• 幂律模型： 可变的降解率
• 多项式拟合： 复杂的退化轨迹

基于物理的模型： 结合基本退化机制，根据操作条件和材料特性预测故障进展。

数据驱动模型： 使用历史故障数据和当前测量值来预测剩余寿命，无需明确的物理建模。

维护决策支持

诊断结果必须转化为可行的维护建议，其中考虑到操作限制、备件可用性和安全要求。

决策因素：

• 当前故障严重程度
• 预测降解率
• 故障的运营后果
• 维护窗口可用性
• 备件和资源可用性

根据严重程度建议采取的措施：

7. 振动调整和调谐

7.1 轴对中

正确的轴对中是影响船舶设备可靠性和振动水平的最关键因素之一。不对中会产生过大的力，加速磨损，并产生诊断系统容易检测到的特征振动信号。

轴对中基础知识

轴对中可确保连接的旋转元件在正常运行条件下中心线重合。海洋环境带来了独特的挑战，包括热效应、船体挠度和地基沉降，这些因素使对中程序变得复杂。

错位类型：

• 平行（偏移）错位： 轴中心线保持平行但有位移
• 角度错位： 轴中心线以一定角度相交
• 组合错位： 平行和角度条件的组合
• 轴向错位： 耦合部件之间的轴向定位不正确

静态和动态错位检测

静态错位 指设备不运行时测量的对中状态。传统的对中程序侧重于静态条件，使用千分表或激光对中系统。

动态错位 表示实际运行对中条件，由于热增长、地基移动和运行力，可能与静态对中有很大差异。

基于振动的检测方法：

• 高 2× RPM 振动组件
• 耦合间的相位关系
• 定向振动模式
• 负载相关的振动变化

测量方法和精度限制

现代船舶校准程序采用基于激光的测量系统，与传统的千分表方法相比，可提供更高的精度和文档。

激光准直系统优点：

• 更高的测量精度（典型值为±0.001英寸）
• 调整过程中实时反馈
• 自动计算修正动作
• 数字文档和报告
• 减少设置时间和复杂性

测量精度因素：

• 测量时地基的稳定性
• 温度稳定性
• 耦合柔度效应
• 仪器校准状态

软脚检测与校正

当机械安装脚与地基表面没有正确接触时，就会出现软脚状况，从而产生影响对准和振动特性的可变支撑条件。

软脚类型：

• 平行软脚： 脚悬在地基上方
• 有角度的软脚： 机架变形
• 诱导软脚： 因螺栓拧得过紧而导致
• 弹跳软脚： 基金会合规问题

检测方法：

• 系统性螺栓松动及测量
• 塞尺测量
• 位置变化的激光测量
• 安装共振的振动分析

8. 振动诊断的未来展望

8.1 当前技术趋势

在传感器技术、信号处理能力、人工智能以及与更广泛的船舶管理系统集成的推动下，船舶振动诊断领域持续快速发展。了解这些趋势有助于船舶工程师为未来的诊断能力做好准备，并规划技术投资。

先进的传感器技术

下一代传感器提供增强的功能，克服传统的限制，同时为海洋应用提供新的测量可能性。

无线传感器网络： 无需大量布线，同时提供灵活的传感器位置，并降低安装成本。现代无线传感器提供：

• 电池寿命长（一般 5 年以上）
• 强大的通信协议
• 边缘计算能力
• 自组织网络拓扑
• 数据安全加密

基于MEMS的传感器： 微机电系统提供具有集成信号处理能力的紧凑、经济高效的传感解决方案。

光纤传感器： 在危险环境中提供抗电磁干扰和本质安全性，同时实现沿光纤长度的分布式传感。

人工智能和机器学习

人工智能技术通过自动化模式识别、实现预测分析和提供智能决策支持系统来改变振动诊断。

深度学习应用：

• 根据原始振动数据自动进行故障分类
• 复杂多维数据集中的异常检测
• 剩余使用寿命预测模型
• 嘈杂海洋环境中的模式识别

数字孪生技术： 创建物理设备的虚拟表示，将实时传感器数据与基于物理的模型相结合，从而实现：

• 实时状况评估
• 场景模拟与测试
• 维护策略优化
• 培训和教育平台

边缘计算和云集成

现代诊断系统采用分布式计算架构，平衡实时处理要求和综合分析能力。

边缘计算优势：

• 降低通信带宽要求
• 实时报警生成
• 通信中断期间继续运行
• 数据隐私和安全增强

云集成优势：

• 无限的存储和处理能力
• 全船队分析和基准测试
• 远程专家支持能力
• 持续的算法更新和改进

8.2 与船舶管理系统的集成

未来的振动诊断系统将与更广泛的船舶管理平台无缝集成，提供整体状况感知并实现自主维护决策。

综合状态监测

综合状态监测系统将振动分析与其他诊断技术相结合，提供完整的设备健康评估。

多参数积分：

• 机械状态振动分析
• 用于热状态评估的热成像
• 用于润滑和磨损监测的油液分析
• 结构完整性超声波检测
• 绩效监控，提高运营效率

数据融合技术： 先进的算法结合了多种传感器类型，比单一技术提供更可靠的状况评估。

自主系统集成

随着海运业走向自主运营，振动诊断系统必须提供可靠、自给自足的状态监测能力。

自主诊断功能：

• 自校准传感器系统
• 自动故障诊断和严重程度评估
• 预测性维护计划
• 应急响应协调
• 性能优化建议

决策支持集成：

• 风险评估与管理
• 资源配置优化
• 任务规划考虑
• 安全系统接口

监管和标准演变

国际海事组织继续制定纳入先进诊断技术同时确保安全和环境保护的标准和法规。

新兴标准：

• 互联系统的网络安全要求
• 数据共享和互操作性标准
• 自治系统认证程序
• 环境监测一体化