CN102840983B - 船用柴油机滑动主轴承磨损监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实时精确地掌握船用柴油机滑动主轴承磨损或故障状态的船用柴油机滑动主轴承磨损监测装置及方法。包括有安装在曲轴自由端端面上的曲轴适配器，曲轴适配器依次连接有信号引出单元、信号处理单元和信号分析单元，其中，所述的信号引出单元包括有变送探头，变送探头并联有孔式增量编码器和滑环变送器，所述的信号处理单元包含有热电势信号转化单元和曲轴转角信号处理单元，以及采用上述装置，进行采集分析热电势信号和曲轴转角信号的方法。本发明装置能够实时精确地监测主轴承的磨损状态，可以直接判断出故障轴承的位置，保障了柴油机的安全运行、节约了维修时间和人力成本。

Description

船用柴油机滑动主轴承磨损监测装置及方法

技术领域

本发明属于柴油机设备技术领域，尤其涉及一种船用柴油机滑动主轴承磨损监测装置及监测方法。

背景技术

柴油机主轴承是曲轴的位置支承和校准部件，其性能的优劣直接影响柴油机的正常安全运行。目前监测船用柴油机主轴承磨损状态的方法主要有油液法、温度法、振动法和应变法等方法，这些方法均不能准确的定位具体的故障轴承。柴油机主轴承在正常运转情形下，曲轴和轴瓦之间有润滑油油膜隔开，避免了两种金属直接接触，减少了摩擦损耗。在柴油机起动、重载等不良工况下，会导致曲轴与轴瓦之间油膜的破坏，形成干摩擦或边界摩擦。摩擦产生的高温令轴瓦严重磨损，甚至使曲轴和轴瓦产生抱熔，轻则造成柴油机停止运行，重则造成曲轴弯曲折断的重大事故。为防止此种重大事故发生，之前采用了油液法、温度法、振动法和应变法等主轴承磨损监测方法，但是受柴油机内部信号激励源多、活动部件运动复杂等原因，这些方法的实时性、准确性还有待提高。如何及时对轴承的干摩擦或边界摩擦提出预警，且在多档主轴承确定故障轴承位置和程度是主轴承磨损故障监测的一个难点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述存在的不足，提供一种实时精确的掌握船用柴油机滑动主轴承磨损或故障状态的船用柴油机滑动主轴承磨损监测装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

船用柴油机滑动主轴承磨损监测装置，其特征在于：包括有安装在曲轴自由端上的唯一曲轴适配器，曲轴适配器依次连接有信号引出单元、信号处理单元和信号分析单元，其中，所述的信号引出单元包括有与曲轴适配器联结的变送探头，变送探头并联有孔式增量编码器和滑环变送器，信号引出单元还包括一个毫欧级电阻，其一端连接有滑环变送器，另一端接地，所述的信号处理单元包含有热电势信号转化单元和曲轴转角信号处理单元，热电势信号转化单元对应连接滑环变送器，曲轴转角信号处理单元对应连接孔式增量编码器。

在上述方案中，所述的曲轴适配器与曲轴自由端的端面配合并对中。

在上述方案中，所述的曲轴适配器与信号引出单元的变送探头通过弹性联轴器进行联接，以减轻来自柴油机机体等部件的振动对热电势信号的干扰。

在上述方案中，所述的弹性联轴器两端设有抱剎螺钉锁紧机构。

在上述方案中，所述的热电势信号转化单元按照信号处理顺序，依次包含有信号调理电路、信号放大电路和A/D转换电路。

在上述方案中，所述的曲轴转角信号处理单元按照信号处理顺序，依次包含有放大整形电路、脉冲转换电路和角度置零及累加电路。

本发明采用的磨损信号引出单元，通过引出曲轴与轴瓦因热电偶效应而产生的电信号，从而监测主轴承内部温度的变化。由于温度的变化与摩擦的剧烈程度直接相关，因而能够实时精确地监测主轴承的磨损状态，为船用柴油机主轴承的稳定高效运行提供了有效的保护手段。通过将异常的热电势信号与对应的发火缸位即轴承位置结合分析，可以直接判断出故障轴承的位置。这无疑保障了柴油机的安全运行、节约了维修时间和人力成本、创造了社会效益。

本发明的工作原理：

根据摩擦副之间润滑膜的形成原理和特征，润滑状态可以分为：(a) 流体动压润滑；(b) 流体静压润滑；(c) 弹性流体动压润滑；(d) 边界润滑；(e) 干摩擦状态等五种基本类型。对于实际机械中的摩擦副，通常总是处于几种润滑状态同时存在的混合润滑状态。主轴承不同的磨损状态对应于不同的油膜厚度，不同的油膜厚度又决定了主轴承与轴颈间不同的摩擦强度，不同的摩擦强度又意味着不同的机械能损耗，损耗的机械能转化为热能使摩擦副的温度升高；根据塞贝克热电效应理论，凡是两种不同的接触金属都可以构成热电偶——这样由于相互的接触，主轴承与曲轴构成热电偶的两个电极，产生了热电效应。热电信号强度的变化反映了摩擦副温度的变化，摩擦副的温度表明摩擦的强度等级，从热电信号的变化规律能够准确判断主轴承的磨损程度。

由热电偶的工作机理，产生热电势的原因有温度差、密度差和逸出功差（可达数十毫伏）。由温度差产生的电势又叫汤姆逊电势，对同种匀质金属导体A，设两端温度为T₁（工作端），T₂（参比端），且T₁＞T₂，则温差电势                                               为：

 

对于金属导体A、B组成的闭合回路，温差电势的代数和为：

 

                                                      （1）

上式中，K为玻尔兹曼常数，K=；T为开尔文温度，单位为K；e为电子电量，e=；为温度T时金属A的自由电子的密度，为温度T时金属B的自由电子的密度。

将金属导体A和B相互接触，两者之间也发生电子交换，达到平衡后, 回路中就产生了接触电势差。产生接触电势差的原因是：（1）两种金属电子的逸出功不同；（2）两种金属的电子密度不同。

温度T_１ 端接点产生的接触电势为：

 

同理可得另一接点处的接触电势，这样闭合回路中一对接触电势的代数和为：

 

                                             （2）

在金属导体A，B接成的闭合回路中，既有接触电势，又有温差电势,总热电势为两者的代数和，将式（1）、（2）代数相加有：

 

 

 

 

                                                       （3）

由上式可以看出，闭合回路热电势的大小不仅与金属导体材料A、B有关，而且与温度T₁和T₂有关，当热电极材料确定后，热电势大小就取决于T₁和T₂的大小。实践已证明，热电势的大小与温差dT成近似正比，即，为金属A、B的热电势率，即塞贝克系数。

将（3）式按泰勒级数展开只保留一、二次项有：

                                  （4）

式（4）就是通常用于热电偶电势计算的内插公式。

在本发明中，滑动主轴承的温升和热电势的相互关系用下式表示：

                                           （5）

其中E是热电势；c_i是电压系数，由主轴承轴瓦与曲轴的金属特性来决定；a₀，a₁，a₂是经验系数，来源于曲轴高速旋转产生的电磁效应。t₉₀是主轴承的实际温升，单位为国际温标ITS-90定义下的摄氏度。式（5）等式右边首项为指数函数的麦克劳林级数展开式，次项为修正项。在参照主轴承温升的前提下，提取热电势测量结果中反映主轴承磨损的特征量，从而可以实现监测主轴承磨损的目的。

本发明采用曲轴适配器、弹性减振器、滑环变送器等高精密变送及采集部件，测取曲轴与轴瓦因塞贝克效应而产生的热电信号，同时对其进行细致合理的分析，能够实时精确地监测主轴承的磨损状态，为船用柴油机主轴承的稳定高效运行提供有效保护手段。通过将异常的热电势信号与对应的发火缸位即主轴承位置结合分析，可以判断出故障轴承的位置。

按照上述技术方案，提供了一种船用柴油机滑动主轴承磨损监测方法，其特征在于，采用如下步骤：

利用曲轴适配器对曲轴与轴瓦产生的热电势信号以及曲轴转角信号进行收集，并传递给变送探头。

变送探头同时将热电势信号传递给滑环变送器，将曲轴转角信号传递给孔式增量编码器。

由热电势信号转化单元对滑环变送器传送来的热电势信号进行处理，其中，依次经过信号调理电路、信号放大电路和A/D转换电路，将热电势信号转化为数字信号。

由曲轴转角信号处理单元对孔式增量编码器送来的曲轴转角信号进行处理，依次经过放大整形电路、脉冲转换电路和角度置零及累加电路，将曲轴转角信号转化为数字信号。

由信号分析单元对经过处理的热电势信号和曲轴转角信号进行对比，由于每一瞬时热电势信号的来源对应整段曲轴的轴承，曲轴转角转到不同角度对应不同发火缸的轴承，将异常的热电势信号与对应的曲轴转角角度结合分析，可以判断出故障轴承的位置。

本发明的有益效果是：

能够实时精确地监测主轴承的磨损状态，可以直接判断出故障轴承的位置，为船用柴油机主轴承的稳定高效运行提供了有效的保护手段，保障了柴油机的安全运行、节约了维修时间和人力成本。

附图说明

图1为本发明实施例监测原理示意图；

图2为本发明实施例主轴承磨损热电信号极坐标示意图；

图3为本发明实施例整体结构示意图；

图中： 1.曲轴；2. 曲轴适配器；3. 弹性联轴器；4. 变送探头；

5. 孔式增量编码器；6. 滑环变送器；7. 信号引出单元；8. 信号处理单元；

9. 信号分析单元。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。

如图1至图3所示，船用柴油机滑动主轴承磨损监测装置，包括有安装在曲轴1上的曲轴适配器2，曲轴适配器2依次连接有信号引出单元7、信号处理单元8和信号分析单元9，其中，所述的信号引出单元7包括有与曲轴适配器联结的变送探头4，变送探头4并联有孔式增量编码器5和滑环变送器6，所述的信号处理单元8包含有热电势信号转化单元和曲轴转角信号处理单元，热电势信号转化单元对应连接滑环变送器6，曲轴转角信号处理单元对应连接孔式增量编码器5。

在本实施例中，所述的曲轴适配器2与曲轴1自由端的端面配合并对中。

在本实施例中，所述的曲轴适配器2与信号引出单元7的变送探头4通过弹性联轴器3进行联接，以减轻来自柴油机机体等部件的振动对热电势信号的干扰。

在本实施例中，所述的弹性联轴器3两端设有抱剎螺钉锁紧机构。

在本实施例中，所述的信号引出单元7还包括一个毫欧级电阻，其一端连接滑环变送器6输出端，另一端接地，此毫欧电阻将回路中微弱的电流信号转换为容易测取的毫伏级电压信号。

在本实施例中，所述的热电势信号转化单元按照信号处理顺序，依次包含有信号调理电路、信号放大电路和A/D转换电路。

在本实施例中，所述的曲轴转角信号处理单元按照信号处理顺序，依次包含有放大整形电路、脉冲转换电路和角度置零及累加电路。

本发明实施例的原理在于：曲轴1在柴油机机架内带载荷旋转，由主轴承作为曲轴1的重力支撑、水平和垂直位置校中。二者的配合间隙一般在1mm以下，用滑油压力供油。当曲轴1旋转时，带入的滑油在其周围形成油楔，能承受相当大的交变负荷，此即热弹性流体动压润滑方式。安装在机架中的主轴承轴瓦一般由耐磨巴氏合金和加强钢背构成，合金层与曲轴1之间由润滑油油膜隔开，形成液体动压润滑；机架与主轴承轴瓦紧密贴合成等电势体，连接良好并接地。如果润滑油膜发生局部破坏，曲轴1和轴瓦之间的润滑状态变差，二者之间产生摩擦并发出大量的热，从而导致曲轴1、润滑油膜和主轴承轴瓦的温度均升高。轴瓦的合金层一般由锡基或铅基巴氏合金构成，与钢制曲轴制成材料不同，在高温的条件下，会产生热电偶效应。由于轴瓦和曲轴1金属电子的活动积极性与密度不同，产生热摩擦接触时，活动积极性与密度高的金属电子会向积极性与密度低的一方移动，丢失电子的金属一方带正电，得到电子的一方带负电，这就是所谓的隧道效应。此外，同种金属由于自身温度梯度的不同也会产生温差电势。当在外部用电阻R构成如图1所示的回路时，回路中就会有电流存在，流经电阻R两端产生电势差，摩擦接触的曲轴1和轴瓦构成回路的电源，电源的能量来源是摩擦产生的热能。本发明在曲轴端和接地端引入一个毫欧级的测量电阻R，摩擦产生的热电流几乎全部通过电阻R，在其两端产生毫伏级的电压，与测量电阻R并联的电压表V可以测出电压的大小。如果测量电阻R选得过大，热电流将无法流过电阻R，转而从其他电阻更低的通道流失，从而导致热电信号无法引出。当剧烈摩擦使轴瓦温度急剧升高时，由热电偶效应引起的流过电阻R的热电流迅速变大，当测量分析电路测得电阻R两端电压显著变化时，就可以向外界发出报警并采取相应措施。在柴油机实际运行当中，由于主轴承磨损故障产生的热电信号会较正常状态下数倍放大，主轴承磨损监测装置通常会作出及时准确的反应。

在船用柴油机诸多机型中，有六缸机、八缸机或V型16缸机等等，通常包含有多档主轴承，单纯依靠某一个时刻的热电势信号并不能确切知道是哪一档主轴承发生了磨损。然而柴油机的气缸是有发火顺序的，以第一缸发火为起点，其他各缸按照一定的曲轴转角规律依次发火。这样如果将第一缸的发火上止点作为零时刻，就可以通过曲轴转角的累加量来确定其他任一缸的发火时刻。由于发火时刻对主轴承的冲击最大，磨损也相应较大，主轴承的磨损在此时特征最为明显。由于曲轴转角和热电势信号都能以时间作参照，这样以时间作为桥梁，就能找到异常热电势信号所对应的缸位，以及可能发生磨损故障的主轴承。

船用柴油机中曲轴与各档主轴承构成了依次排列的摩擦副。如果用A₁～A_n+1表示各档主轴承， 通过图2可以表明在柴油机发火顺序为1-5-3-6-2-4时不同气缸点火时刻各档轴承所对应的热电势大小。从测量结果看，当柴油机2^#和5^#气缸处于发火上止点时，热电势具有增大的迹象，据此可判断最有可能出现故障的轴承是A2、A5号轴承。

按照本实施例，可以采用如下方法来进行船用柴油机滑动主轴承磨损监测：

利用曲轴适配器2对曲轴1与轴瓦产生的热电势信号以及曲轴转角信号进行收集，并传递给变送探头4；

变送探头4同时将热电势信号传递给滑环变送器6，将曲轴转角信号传递给孔式增量编码器5。

由热电势信号转化单元对滑环变送器6传送来的热电势信号进行处理，其中，依次经过信号调理电路、信号放大电路和A/D转换电路，将热电势信号转化为数字信号。

由曲轴转角信号处理单元对孔式增量编码器5送来的曲轴转角信号进行处理，依次经过放大整形电路、脉冲转换电路和角度置零及累加电路，将曲轴转角信号转化为数字信号。

由信号分析单元9对经过处理的热电势信号和曲轴转角信号进行对比，由于每一瞬时热电势信号的来源对应整段曲轴的轴承，曲轴转角转到不同角度对应不同发火缸的支撑轴承，将异常的热电势信号与对应的曲轴转角角度结合分析，可以判断出故障轴承的位置。

以上所述，仅是该发明的较佳实施例而已，并非对发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化和修饰，均仍属于本发明的范围内。

Claims (7)

1.船用柴油机滑动主轴承磨损监测装置，其特征在于：包括有安装在曲轴自由端上的唯一曲轴适配器，曲轴适配器依次连接有信号引出单元、信号处理单元和信号分析单元，其中，所述的信号引出单元包括有与曲轴适配器联结的变送探头，变送探头并联有孔式增量编码器和滑环变送器，信号引出单元还包括一个毫欧级电阻，其一端连接有滑环变送器，另一端接地，所述的信号处理单元包含有热电势信号转化单元和曲轴转角信号处理单元，热电势信号转化单元对应连接滑环变送器，曲轴转角信号处理单元对应连接孔式增量编码器。

2.如权利要求1所述的船用柴油机滑动主轴承磨损监测装置，其特征在于：所述的曲轴适配器与曲轴的自由端端面配合并对中。

3.如权利要求1或2所述的船用柴油机滑动主轴承磨损监测装置，其特征在于：所述的曲轴适配器与信号引出单元的变送探头通过弹性联轴器进行联接。

4.如权利要求3所述的船用柴油机滑动主轴承磨损监测装置，其特征在于：所述的弹性联轴器两端设有抱剎螺钉锁紧机构。

5.如权利要求1所述的船用柴油机滑动主轴承磨损监测装置，其特征在于：所述的热电势信号转化单元按照信号处理顺序，依次包含有信号调理电路、信号放大电路和A/D转换电路。

6.如权利要求1所述的船用柴油机滑动主轴承磨损监测装置，其特征在于：所述的曲轴转角信号处理单元按照信号处理顺序，依次包含有放大整形电路、脉冲转换电路和角度置零及累加电路。

7.采用权利要求1-6任一项所述的船用柴油机滑动主轴承磨损监测装置的监测方法，其特征在于，按照如下步骤进行：

利用曲轴适配器对曲轴与轴瓦产生的热电势信号以及曲轴转角信号进行收集，并传递给变送探头；

变送探头同时将热电势信号传递给滑环变送器，将曲轴转角信号传递给孔式增量编码器；

由热电势信号转化单元对滑环变送器传送来的热电势信号进行处理，其中，依次经过信号调理电路、信号放大电路和A/D转换电路，将热电势信号转化为数字信号；

由曲轴转角信号处理单元对孔式增量编码器送来的曲轴转角信号进行处理，依次经过放大整形电路、脉冲转换电路和角度置零及累加电路，将曲轴转角信号转化为数字信号；

由信号分析单元对经过处理的热电势信号和曲轴转角信号进行对比，由于每一瞬时热电势信号的来源对应整段曲轴的轴承，曲轴转角转到不同角度对应不同发火缸的轴承，将异常的热电势信号与对应的曲轴转角角度结合分析，可以判断出故障轴承的位置。