摘 要

在柴油机的各部件中，主轴承的故障率较高。随着主轴承的不断磨损，主轴承与轴瓦间的间隙会不断增大引起轴心轨迹发生变化，从而导致轴颈与轴瓦间的冲击力增大，会直接影响柴油机的工作机能。曲轴的过度磨损可能还会导致曲轴断裂，造成巨大的经济损失并危害生命财产安全。传统的监测方法不能迅速检测和预测出主轴承的磨损故障。热-电监测法是一种基于热电效应的测量方法，通过测量轴承-轴瓦组成的热电偶回路中的热电势能够对柴油机主轴承磨损状态进行在线监测，降低由主轴承磨损故障造成的财产损失。本文以4120SG柴油机滑动轴承为研究对象。基于热-电监测轴承磨损的机理，通过模拟连杆大端轴承和主轴承三种不同的磨损故障状态（磨损前，磨损中，磨损后），测量不同转速、负荷以及不同材料下的热电势信号，并利用LabVIEW软件分析热电信号，提取各缸的热电信号幅值进行比较。研究结果表明：在一定范围内，热电信号的幅值随着转速的增大而减小；随着负荷的增大而减小；随着柴油机轴承磨损量的增大而增大；不同的轴瓦材料产生的热电信号的幅值不同。

关键词：主轴承，故障诊断，热电监测

Abstract

The fault rate of the main bearing is high in all parts of diesel engines. With the wear of main bearing constantly, the bearing clearance may enlarge, causing the change of axle center trajectory, which would increase the impact to the main bearing, and directly affect the working performance of the diesel engine. Excessive wear of the crankshaft may lead to crankshaft breakdown, which would cause huge economic losses and endanger the safety of life and property. Traditional monitoring methods can’t timely find and predict the wear fault of the main bearing. Thermoelectric monitoring method is a kind of measurement method based on thermoelectric effect, we can monitor the diesel engine main bearing wear condition online by measuring the thermoelectric force in the thermocouple loop composed of bearing- bearing alloy, as a result, it can reduce the damage to property caused by main bearing wear fault. The journal bearings of 4120SG diesel engine are taken as research subject in the paper. Based on the thermoelectric monitoring mechanism of bearing wear, through the simulation of the connecting-rod big end bearing and main bearing in three different wear fault condition(before wear, being worn, after wear), thermoelectric signals under different speed, load and different bearing alloy materials are measured and analyzed using LabVIEW software, extracting thermoelectric signal amplitude of each cylinder to compare . The results prove that: the amplitude of thermoelectric signal decreases with the increase of rotating speed and load within certain limits; but increases with the increase of the bearing clearance; the amplitude of thermoelectric signal generated by different bearing alloy materials are different.

Key Words: Main bearing; Fault diagnosis; Thermoelectric monitoring method

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 国内外柴油机轴承磨损监测研究现状 1

1.2.1 温度监测法 1

1.2.2 振动监测法 2

1.2.3 油液分析法 2

1.2.4 应变法 3

1.2.5 声发射法 3

1.2.6 热电监测法 4

1.3 研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施 4

1.3.1 研究的基本内容 4

1.3.2 研究的目标 4

1.3.3 拟采用的技术方案及措施 4

1.4 论文框架 5

第2章 热-电监测轴承磨损机理 7

2.1 热电势的产生 7

2.1.1 热电效应现象 7

2.1.2 热电偶回路中热电势的产生 8

2.2 热-电法监测轴承磨损的机理 9

2.3 本章小结 10

第3章 热-电法监测轴承磨损模拟试验 11

3.1 测试系统组成 11

3.2 测量传感器 12

3.3 试验方案 13

3.4 本章小结 14

第4章 试验结果分析 15

4.1 LabVIEW软件及程序介绍 15

4.2 试验结果分析 18

4.2.1 连杆大端轴承热电信号分析 18

4.2.2 主轴承热电信号分析 26

4.3 本章小结 35

第5章 结论与展望 36

5.1 结论 36

5.2 展望 36

参考文献 37

致谢 39

1. 绪论

本章主要介绍热电监测轴承磨损的研究目的及意义，国内外柴油机主轴承磨损监测研究的现状和论文研究的基本内容及拟采用的技术方案。

• 1. 研究的目的及意义

船舶主动力装置是整个船舶的心脏,其稳定可靠地运行才能保证船上生命财产的安全，保证公司的效益。目前海上航行的船舶中，柴油机是最常用的主动力装置。据民用船舶的统计数据，在诸多海上事故发生的原因中，因为机械方面的故障导致的事故排名第一（占22％），而机械导致的故障中船舶柴油机的故障占了45%。故障的发生导致柴油机的能耗比和载荷能力降低，就会对船舶的正常运作以及企业的经济效益造成不好的影响，更重要的是会影响船舶在海上的航行安全^[1]。曲轴与主轴承以及曲轴与连杆大端轴承都是柴油机中的主要摩擦副，是柴油机的重要部件和易损件。因为主轴承通常是在气体压力以及往复惯性力的作用下运转，并且还可能由于维护不当、生产工艺不好或者超负荷运转等，容易造成主轴承的过度磨损^[2]。随着主轴承的不断磨损，主轴颈与轴瓦间的间隙会不断增大引起轴心轨迹发生变化，导致轴颈对轴瓦的冲击力就会加剧，会对柴油机的工作性能造成影响。曲轴的过度磨损可能还会导致曲轴断裂，造成巨大的经济损失并危害生命财产安全。传统的检测方法可以利用压铅法测量轴承间隙间接测量轴承磨损量，此方法要拆卸主轴承盖；也可以通过比较旧轴瓦与新轴瓦薄厚差异确定其磨损量；也可不拆卸轴承用测深尺测量^[3]，但这几种方式都不能迅速检测和预测出主轴承的磨损故障，所以主轴承的故障诊断技术对于减少船舶运行中事故的发生，降低由此造成的财产损失意义重大。

• 1. 国内外柴油机轴承磨损监测研究现状

船舶主柴油机故障监测诊断是一门结合了多种学科理论知识的技术，是以多种故障诊断技术为基础的，对柴油机故障监测诊断技术进行研究有利于我们在早期发现故障，避免船舶发生严重的事故，也会减少给船东造成的经济损失^[4]。 目前国内外已经有很多单位在开发柴油机故障的监测诊断系统，其中常利用的监测诊断方式有温度监测法、振动监测法、油液分析法、应变法和声发射法。

• • 1. 温度监测法

温度监测法是热力参数分析法中常用的一项技术，主要是用温度传感器监测轴承温度，分析温度与故障之间的关系。主轴承受力比较复杂，不仅要承受往复惯性力，还要承受作用在活塞上的气体力。当主轴承磨损时，与轴瓦间的间隙会慢慢增大导致润滑油膜被破坏，可能会出现边界摩擦甚至干摩擦，继而主轴承磨损更加严重，轴承温度急剧升高，所以可以通过监测轴承的温度来判断轴承的磨损程度。1984年初德国一家主轴承生产商ZOLLERN BHW开发出一套发动机主轴承温度在线测量系统，它是通过将测量元件安装在主轴承的轴瓦内来监测轴承的温度^[5]。2010年挪威的康斯伯公司是将热电偶安装在主轴承的轴瓦内，对主轴承的温度进行直接测量，现在这种测量方法已经在一些发动机的监测系统中使用 ^[6]。

温度监测法可以快速判断发生故障的部位，但由于材料的热传导需要一定的时间会导致信号采集延时，并且测量数据受环境和传感器的安装位置的影响较大，对传感器的耐油性和耐温性也有很高的要求。

• • 1. 振动监测法

柴油机轴承间隙不断增大时，曲轴与轴瓦间的油膜的形状会遭到破坏,从而直接影响润滑油膜的正常建立，曲轴旋转时轴心不在一条线上，主轴颈就会与轴瓦直接撞击,并经轴承座传到柴油机表面,机体就会产生局部振动^[7]。因而可以通过采集分析机身表面的振动信号来实现轴承磨损在线监测。振动监测法不用拆装主轴承，监测过程不影响机器的正常运行，并且传感器的安装与测量易于实现，具有诊断速度快、准确率高等优点。周轶尘等人测量了几种柴油机机型的振动信号，并且在对信号进行处理后做了研究分析^[8]。Xia Wang等人对测得的柴油机振动信号进行滤波和分解后，提出了一种新的基于振动的柴油机故障监测诊断方法，通过对柴油机振动信号中的故障特征参数进行提取，能够进行故障监测诊断^[9]。胡以怀等人在2135Ca型柴油机上进行了活塞-缸套和滑动主轴承的磨损振动研究，并对机身的振动信号进行了测量，证明了利用监测振动信号的方式来在线监测轴承的磨损状态是可以实现的^[7]。Lei You等人使用先进的PXI测试平台,采用16位分辨率A/D设备和FPGA技术设计，可以准确地测量振动加速度和速度信号,并分析振动严重程度和振动信号的振幅谱^[10]。