0 引　言

涡轮增压器是利用发动机废气的能量来压缩空气，通过增加发动机的进气量来提高发动机功率的高效节能部件^[1]。由于增压器是高速回转的精密机械，若增压器振动过大，会导致工作叶轮、涡轮被打坏，造成排烟管系振动加剧，甚至造成爆炸和人员伤亡的严重事件，给船舶运营带来巨大的安全隐患^{[2 − 3]}。

船舶柴油发电机组增压器出现的振动问题，国内不少学者进行了大量的研究。调查研究发现^{[4 − 6]}，增压器故障在柴油机故障中所占的比例逐年增加，而其中又以增压器的喘振最为常见，因此针对增压器出现的喘振现象，目前国内学者深入分析和研究了产生的机理，并结合实船出现的增压器喘振现象，能够快速排除和开展防振措施。在增压器服役过程中，因恶劣的工作环境会导致涡轮叶片裂纹、断裂等故障^[7]多有发生，开展柴油发电机组及其附件状态的异常振动监控和增压器使用寿命的预测研究也逐步开展，现阶段，通过采用主成分分析法进行降维，对船舶各性能参数进行无监督学习，以及基于维纳过程的寿命预测模型，能够在不同设备历史退化数据的情况下对增压器的剩余寿命进行准确地预测^{[8 − 9]}。为了控制柴油发电机组增压器振动，对增压器系统进行减振设计和振动控制绝对有必要。在目前的研究中，更多体现在增压器喘振的识别和治理，并有个别学者采用无油涡轮增压器以及所采用的空气箔片轴承以降低增压器的振动水平^[10]，但系统性地针对增压器振动故障分析和判断却鲜有报道，这需要借助经验，更需要借助专业振动噪声测试设备和故障诊断能力，查找振动源。

本文针对某船中速柴油机增压器振动问题，进行振动测试排查，逐步找出增压器剧烈振动的原因，并针对性提出振动控制措施，且得到实船测试验证，使得增压器振动问题成功解决，确保柴油发电机组稳定安全运行。该研究为船舶柴油发电机组增压器的振动控制提供参考和借鉴。

1 柴油机基本参数与增压器振动异常现象

本船采用电力推进系统，设有2台柴油发电机组，机组原动机选用某型船用中速柴油机，柴油发电机组主要参数如表1所示。

实船运行约700 h后，发现柴油机中冷器与机体连接面有水渗漏现象。设备厂家上船检修中冷器时发现部分螺栓产生断裂，并且现场伴随着增压器剧烈振动。另外，与增压器相连附件也表现出剧烈抖动，工作人员触碰增压器及相关附件时，有强烈的振感及麻木感。

其中，螺栓断裂主要体现在以下2处：

1）中冷器壳体与内芯固定螺栓共断裂3根；

2）增压器废气出口法兰（见图1）连接螺栓共断裂10根。

根据调研发现，柴油发电机组增压器出现振动异常故障，通常存在3种影响因素：旋转零件损坏和转子失去动平衡，增压器出现喘振，增压器与柴油机匹配存在问题。

针对以上3种可能的影响因素，逐一进行排查确认。

1）设备厂家将增压器拆下，解体检查并做动平衡试验，未发现有损伤，动平衡试验合格，排除了增压器本身的质量问题以及其他相关故障。

2）发生喘振的原因主要是柴油机的整个增压装置通道中的气体受阻、涡轮叶轮的叶片或压气损坏等。通过现场检查和试验，增压器没有发出沉重的喘息声或吼叫声，且增压器涡轮进口的温度正常，涡轮轴和进出口管道也没有严重的积碳等，故排除了增压器发生喘振现象。

3）验证增压器与柴油发电机组是否存在匹配问题。

为分析故障原因，将增压器重新装机后进行具体的振动测试及分析。

2 振动测试与原因分析 2.1 测点布置及振动测试

为了明确引起振动的激励源，进行振动信号采集。将振动传感器布置在增压器进气消音器外缘位置记为SD点，废气蜗壳法兰位置记为LG点，测点位置示意图如图2所示。通过测量涡轮增压器上的加速度时域信号，获得增压器的振动激励。其中，增压器一端与柴油发电机组刚性连接，另一端的排气口通过金属膨胀节与排烟管系进行连接。

测试工况：柴油发电机组在80%的额定功率下进行振动测试，使用数据采集分析软件B&K Pulse，对采集到的振动时域信号进行处理，通过傅里叶变换，将时域信号转换得到三向振动速度线谱的频域信号。测量的频率范围为10～1000 Hz，频谱分辨率为1 Hz，测试结果如图3～图4所示。

由测试结果可知，SD点振动速度在船长方向为60.5 mm/s，船宽方向为15.1 mm/s，垂向为78.3 mm/s；LG点振动速度在船长方向为38.9 mm/s，船宽方向为27.1 mm/s，垂向为37.1 mm/s。通过计算得出SD点和LG点的振动烈度值分别为101.5 mm/s和60.2 mm/s，根据设备厂家提供的增压器上述测点的振动烈度要求分别为71 mm/s和45 mm/s，说明目前增压器的振动是超过设备振动的限值要求。

通过对测量的频谱数据进行分析，振动峰值频率主要体现在44、50、56、62、69 Hz，均来自柴油发电机组基频（12.5 Hz）的倍频，说明振动能量主要来自于柴油机排气，柴油机作为激励源对增压机的振动有主要的能量贡献。通过对另外一台柴油发电机组增压器相同测点进行测试，得到的振动烈度水平基本相当。

现场对柴油发电机组的振动烈度进行测量，得到柴油发电机组的振动烈度为18.3 mm/s，说明设备振动是处于合格的状态，可以排除由发电机组本体振动过大引起振动传递导致增压器振动剧烈的情况。并且增压器出口连接一个金属膨胀节，起到热膨胀补偿和减振的作用。因此基本可以判定，增压器承受的载荷主要是柴油发电机组运转的激励振动，以及增压器自身运转产生的振动。通过测试结果的线谱结果可以看出，56 Hz的发电机组排气频率的峰值相较于其他频率明显增加。如果增压器与柴油发电机组存在匹配问题，即当增压器系统的固有频率与柴油发电机组排气频率接近时，会产生共振，加剧增压器系统的振动，影响增压器的寿命与柴油发电机组工作性能。

2.2 增压器系统敲击响应测试

在船舶瘫船的状态下，柴油发电机组等全船主动力设备均未开启时，采用简便的方法测试柴油发电机组增压器废气蜗壳的频率响应，检验是否因为柴油机激励频率与增压器的固有频率发生吻合而形成共振。将振动传感器布置在增压器废气蜗壳不同位置，分别记为1#和2#，对称布置，如图2蜗壳位置。分别测试其频率响应，测试结果如图5所示。

对增压器废气废气蜗壳频响曲线进行分析，增压器废气蜗壳振动响应频率主要为55.5 Hz和66 Hz，对比柴油发电机组基频和发火频率等特征频率，可以看出振动响应频率与柴油发电机组发火频率56.25 Hz十分接近，导致避开裕度不足，落入共振区（共振带一般界定在固有频率附近3 Hz或者15%~20%的频率范围）。为了对测试结果进行验证，对废气蜗壳其他区域进行敲击响应测试，与上述结果一致。说明增压器振动较大的原因主要是增压器废气蜗壳结构的固有频率与柴油发电机组发火频率吻合引起共振。

3 振动控制措施

根据振动对应工况与测试情况，确切地分析出柴油发电机组增压器产生剧烈振动的原因。为解决上述振动问题，需要对增压器采取针对性的振动控制措施。

对于机械振动系统，系统固有频率的计算式为：

$ {{f}} = \frac{1}{{2{\text π} }}\sqrt {\frac{{{k}}}{{{m}}}} 。$

(1)

式中：f为系统固有频率，Hz；k为系统刚度，N/mm；m为系统质量，kg。

可知，要改变系统的固有频率，可以通过改变系统刚度、系统质量，或者同时改变上述2个变量来实现。因此针对本船增压器振动问题，需从以下2个方面进行具体分析：

1）通过增大系统刚度，进而改变系统固有频率。现场观察增压器的安装布置型式，发现增压器比较突出柴油机本体，形成类似于悬臂梁的结构。由于受到柴油机机型的限制，无法对增压器做出大的结构布局改动或替换。因此，根据实际布置情况，进行局部结构优化，即增加废气端管路弯头的支撑。这样可以有效改变系统刚度，进而改变系统固有频率，如图6所示。

2）通过减小增压器部件重量，进而改变系统固有频率。即通过更改进气消声器安装型式，将刚性连接的增压器本体改为弹性连接，增压器本体消声器固定在船体上，见图7。

4 振动测试验证

在采取振动控制措施后，采用振动测量的试验方法对柴油发电机组增压器SD点和LG点的振动控制效果进行实船验证。为便于进行振动控制前后的对比，测试方案与振动控制前保持一致。图8～图9分别为振动控制后发电机组80%额定功率的工况下SD点和LG点的振动测试结果，并将振动控制前后不同方向的振动速度以及振动烈度结果见表2。

通过对测试结果分析可知，在采取振动控制措施后，增压器SD点和LG点在船长方向、船宽方向以及垂向振动速度值均得到有效降低。更值得关注的是，增压器SD点振动烈度值由101.5 mm/s降低至52.9 mm/s，增压器LG点振动烈度值由60.2 mm/s降低至35.7 mm/s，满足增压器上述测点的振动烈度分别为71 mm/s和45 mm/s的振动限值要求，设备振动处于正常水平，优化后的增压器振动水平良好，并未形成新的共振区，说明柴油发电机组增压器在采取振动控制措施后共振问题得到很好的解决，增压器出现剧烈振动现象已基本消除，测试分析结果与实船验证结果吻合较好。

5 结　语

基于实船测试分析，对于本船出现的柴油发电机组增压器振动问题进行深入分析和测试，研究了振动控制措施在本船增压器结构产生振动前后的控制效果，主要结论与建议如下：

1）通过振动测试分析，得出增压器振动激励来源主要来自柴油机排气，并且2台发电机组增压器表现出相同的特征，通过对响应频率的测试得出，增压机结构固有频率与柴油发电机组发火频率吻合形成共振。

2）采取增加废气端管路弯头的支撑和减小增压器部件重量的方式，从而改变增压器系统的固有频率，避免发生共振。在振动控制措施作用下，增压器SD点振动烈度从101.5 mm/s降低到52.9 mm/s；LG点振动烈度从60.2 mm/s降低到35.7 mm/s，优化后的增压器振动表现良好，未形成新的共振区，证明振动问题得到有效解决。

3）从短期来看，增压器振动问题得到有效解决。但振动控制后仍需要一个较长时间的观察期以确保振动问题彻底解决，并通过检查螺栓断裂情况来进一步验证。

4）在柴油机与增压器的匹配设计方面，除了要考虑柴油机与增压系统的性能匹配外，还应注意安装布置结构的匹配，将增压器的结构固有频率避开柴油机的主要激振频率，从根本上将增压器的振动控制在合理的范围内，确保柴油机的稳定运行。