基于熱-電技術(shù)的船用柴油機(jī)主軸承磨損監(jiān)測方法研究.pdf

1、作為船舶心臟的船用柴油機(jī),其工作狀態(tài)的好壞直接影響船舶的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。船用柴油機(jī)工作條件惡劣，故障率較高，一旦發(fā)生故障，不僅降低柴油機(jī)整體性能，還影響到船舶航行安全。主軸承是船用柴油機(jī)關(guān)鍵零部件和易損件,其過度磨損會(huì)導(dǎo)致曲軸撓曲變形、抱熔折斷等惡性事故,產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)瑞典國際船舶保險(xiǎn)公司對船舶理賠事故的統(tǒng)計(jì)（2005年-2011年）：船用主柴油機(jī)主軸承故障位列船用低速柴油機(jī)最常見零部件故障率的第四位（占5.3％），平均

2、每次賠付額942,070美元。因此，船用柴油機(jī)主軸承磨損狀態(tài)的在線監(jiān)測研究具有十分重要意義，工程應(yīng)用價(jià)值高。
　　本文在分析國內(nèi)外船用柴油機(jī)主軸承磨損在線監(jiān)測技術(shù)基礎(chǔ)上，開展了基于熱-電技術(shù)的柴油機(jī)主軸承磨損監(jiān)測方法研究。研究采用理論計(jì)算分析與試驗(yàn)相結(jié)合研究路線，通過研究揭示柴油機(jī)主軸承磨損生熱產(chǎn)生溫度升高與熱電勢的變化規(guī)律，開發(fā)主軸承磨損-溫升-電勢測量系統(tǒng)，進(jìn)行柴油機(jī)主軸承磨損的故障模擬試驗(yàn)，以建立主軸承磨損量與熱電信號(hào)特征的

3、變化規(guī)律。主要研究內(nèi)容如下：
　　1、闡述了熱電效應(yīng)的基本理論，推導(dǎo)了兩種不同導(dǎo)體間熱電勢計(jì)算公式，分析了閉合導(dǎo)體回路熱電勢的產(chǎn)生機(jī)理。搭建了單轉(zhuǎn)子滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)了熱電信號(hào)測量的放大電路，進(jìn)行了滑動(dòng)軸承與轉(zhuǎn)軸熱電效應(yīng)的試驗(yàn)分析，驗(yàn)證了微弱熱電信號(hào)的可測性。完成了轉(zhuǎn)軸跟滑動(dòng)軸承的摩擦試驗(yàn)，分析了轉(zhuǎn)軸跟滑動(dòng)軸承摩擦產(chǎn)生的熱電效應(yīng)，得出了轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速越高，滑動(dòng)軸承與轉(zhuǎn)軸的摩擦強(qiáng)度越大，熱電效應(yīng)越明顯，熱電信號(hào)幅值越大。分析了熱-電法

4、監(jiān)測柴油機(jī)主軸承磨損的機(jī)理與實(shí)施過程。
　　2.從多體動(dòng)力學(xué)和模態(tài)縮減基本原理出發(fā)，分析了曲軸軸系多彈性體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，建立了柴油機(jī)曲軸軸系的有限元模型，采用模態(tài)縮減方法進(jìn)行了有限元模型自由度的縮減，用曲軸模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證了模態(tài)縮減的有效性和正確性；建立了柴油機(jī)主軸承摩擦功耗的計(jì)算模型和主軸承座二維多體動(dòng)力學(xué)模型，通過輸入模型軸系全局參數(shù)、加載氣缸壓力、定義體單元、連接單元和相關(guān)耦合關(guān)系，得到了柴油機(jī)曲軸-主軸承多體動(dòng)力學(xué)三維模型。

5、r>　　3.完成了柴油機(jī)曲軸軸系多體動(dòng)力學(xué)潤滑分析，研究了柴油機(jī)不同工況、不同軸承磨損狀態(tài)主軸承受力、瞬時(shí)摩擦功耗和軸心軌跡等變化。計(jì)算結(jié)果表明：①柴油機(jī)第3檔主軸承負(fù)荷在第2缸發(fā)火和第3缸發(fā)火附近出現(xiàn)峰值；②隨柴油機(jī)負(fù)荷和主軸承磨損的增加，主軸承載荷亦隨之增大；③柴油機(jī)主軸承摩擦功耗對應(yīng)于不同的摩擦強(qiáng)度等級(jí)，隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速增加，其摩擦功耗下降。隨柴油機(jī)負(fù)荷增加，摩擦功耗先增加后減?。虎苤鬏S承嚴(yán)重磨損時(shí)，瞬時(shí)摩擦功耗在氣缸發(fā)火對應(yīng)的曲柄角

6、度急劇增加；隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和主軸承磨損的增大，其軸心運(yùn)動(dòng)范圍逐漸擴(kuò)大；隨柴油機(jī)負(fù)荷增加，軸承軸心軌跡運(yùn)動(dòng)范圍逐漸變小。
　　4.完成了小型柴油機(jī)主軸承磨損試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)：①柴油機(jī)轉(zhuǎn)速增加，軸心軌跡運(yùn)動(dòng)范圍不斷變大；柴油機(jī)負(fù)荷增加，軸心軌跡運(yùn)動(dòng)范圍不斷變小。主軸承磨損量增加，軸心軌跡運(yùn)動(dòng)范圍逐漸變大。②柴油機(jī)主軸承摩擦功耗大小與熱電信號(hào)幅值的變化趨勢基本相同。在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速升高，熱電信號(hào)呈下降趨勢；柴油機(jī)負(fù)荷增加時(shí)，

7、熱電信號(hào)幅值先增大后減小；主軸承磨損量增大時(shí)，熱電信號(hào)幅值逐漸變大；主軸承嚴(yán)重磨損時(shí)，熱電信號(hào)幅值顯著增大，熱電信號(hào)具有對柴油機(jī)主軸承磨損狀態(tài)的可監(jiān)測性；③在柴油機(jī)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速和主軸承磨損量不變時(shí)，熱電信號(hào)峰值指向故障主軸承所在氣缸的發(fā)火點(diǎn)，可根據(jù)柴油機(jī)發(fā)火順序確定磨損主軸承的位置，熱電信號(hào)監(jiān)測主軸承磨損狀態(tài)具有可定位性。④柴油機(jī)主軸承運(yùn)行中存在干摩擦、邊界潤滑與正常潤滑狀態(tài)，干摩擦?xí)r熱電信號(hào)峰值大于邊界潤滑，熱電信號(hào)峰值與主軸承磨損程度