CN108844739A - 柴油机滑动轴承磨损热电法监测系统的验证试验台及方法 - Google Patents

柴油机滑动轴承磨损热电法监测系统的验证试验台及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柴油机滑动轴承磨损热电法监测系统的验证试验台，它的实验柴油机主轴通过支撑轴承设置在实验柴油机缸体中，实验柴油机主轴的一端通过第一联轴器连接伺服电机的动力输出轴，实验柴油机主轴的另一端通过第二联轴器连接热电传感器的输入轴，热电传感器的热电势信号输出端连接基于热电法的柴油机轴承磨损在线监测系统的信号输入端，实验柴油机主轴上安装实验凸轮，实验柴油机主轴上方的实验柴油机缸体上还固定有摇臂轴，所述摇臂轴上通过轴承设置有摇臂，所述摇臂的一端与实验凸轮接触，摇臂的另一端为施力端。本发明可以模拟不同工况的柴油机轴承载荷曲线。

Description

柴油机滑动轴承磨损热电法监测系统的验证试验台及方法
技术领域
本发明涉及柴油机状态监测技术领域，具体地指一种柴油机滑动轴承磨损热电法监测系统的验证试验台及方法。
背景技术
作为柴油机的主要摩擦副之一，曲轴和主轴承是柴油机的关键零部件和易损件。曲轴在运动过程中受力复杂，在柴油机工作循环中呈周期性变化的交变载荷作用下，主轴承容易发热和磨损。主轴承的不均匀过度磨损又会使得轴承间隙增大，引起轴颈对主轴承的冲击力增大，直接影响柴油机的总体性能；主轴承的过度磨损还会造成缸套、活塞和活塞环的快速磨损，导致燃烧室燃气窜气和燃油消耗率增加，直接影响柴油机的输出功率。资料统计表明，因摩擦造成的能量损失占柴油机总能量损失的80％，其中因轴承磨损导致的能量损失占柴油机总体摩擦功率损失的50％～60％。严重的主轴承磨损甚至会导致曲轴变形、抱熔折断和曲轴箱爆炸等恶性事故的发生，不但会带来重大经济损失，更重要的是会给柴油机的安全运行埋下巨大隐患。
目前监测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，受柴油机内部信号激励源多、活动部件运动复杂等原因，这些方法均不能实时、准确、定位具体的故障主轴承。柴油机主轴承正常运转情形下，曲轴和轴瓦间有润滑油油膜隔开，避免了两种金属直接接触，油膜摩擦产生热量，造成轴瓦温度大幅度升高，武汉理工大学杨建国、朱军也设计了基于热电效应的柴油机滑动轴承热-电传感器，能够引出曲轴—机体温差电势并根据热电信号识别有磨损主轴承，设计了柴油机滑动主轴承热电信号标定装置，能够标定不同轴承材料的磨损热电特征值，但其开发的基于热电法的柴油机滑动轴承磨损监测系统投入使用前需要进行调试，目前针对轴承状态在线监测系统的调试主要在实机上完成。这种调试方式费时费力，不易模拟故障情况，无法方便快捷的对监测系统进行全面的评价，也不便于监测系统的功能演示。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种柴油机滑动轴承磨损热电法监测系统的验证试验台及方法，它结构简单，调整方便，可以模拟不同工况的柴油机轴承载荷曲线，便于监测系统软硬件功能和软件开发调试。
为实现此目的，本发明所设计的一种柴油机滑动轴承磨损热电法监测系统的验证试验台，其特征在于：它包括伺服电机、第一联轴器、第二联轴器、实验柴油机缸体、摇臂轴、摇臂、实验凸轮、热电传感器、实验柴油机主轴、支撑轴承、基于热电法的柴油机轴承磨损在线监测系统和PLC，其中，实验柴油机主轴通过支撑轴承设置在实验柴油机缸体中，实验柴油机主轴的一端通过第一联轴器连接伺服电机的动力输出轴，实验柴油机主轴的另一端通过第二联轴器连接热电传感器的输入轴，热电传感器的热电势信号输出端连接基于热电法的柴油机轴承磨损在线监测系统的信号输入端，所述PLC的电机控制信号输出端连接伺服电机的控制端；
实验柴油机主轴上安装实验凸轮，实验柴油机主轴上方的实验柴油机缸体上还固定有摇臂轴，所述摇臂轴上通过轴承设置有摇臂，所述摇臂的一端与实验凸轮接触，摇臂的另一端为施力端。
一种述上验证试验台的验证试验方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：PLC控制伺服电机启动，伺服电机带动实验柴油机主轴转动，根据实验的需要给对应的摇臂另一端施加相应的力，使实验凸轮与对应的摇臂进行干摩擦；
步骤2：热电传感器采集各个采集实验凸轮与对应的摇臂摩擦产生的热电信号以及实验柴油机主轴的转角信号，其中，实验柴油机主轴的转角信号有两路信号，一路是实验柴油机主轴上止点信号用于分周期，一路是实验柴油机主轴转速信号，用于监测实验柴油机主轴运转平稳性；
步骤3：基于热电法的柴油机轴承磨损在线监测系统采集热电传感器输出的各个采集实验凸轮与对应的摇臂摩擦产生的热电信号以及实验柴油机主轴的转角信号，利用实验柴油机主轴上止点信号，对采集的热电信号、转速信号进行分周期处理，转速信号通过找上升沿来计算实验柴油机主轴的瞬时转速，并设置有报警阈值，保证试验台的正常运行；并利用布斯沃特低通滤波器处理热电信号，对滤波处理后热电信号的进行极坐标处理，从而定位故障点。
本发明的有益效果：
本发明可以通过改变凸轮的数量以模拟不同缸数的柴油机，还可以通过改变凸轮之间的相对夹角以模拟直列式或V型柴油机，通过摇臂施加不同载荷用于模拟轴承工作状态，通过改变凸轮型线用于模拟多档主轴承磨损故障，最后通过热电传感器采集热电信号，以便于柴油机主轴承磨损热电法在线监测系统软件的开发和调试，节约监测系统软件开发时间，可以全面有效验证监测系统的功能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的立体结构示意图；
图3为本发明中凸轮与主轴的结构示意图；
图4为本发明中摇臂与摇臂轴的结构示意图；
其中，1—伺服电机、2—第一联轴器、3—实验柴油机缸体、4—摇臂轴、5—摇臂、6—实验凸轮、7—第二联轴器、8—热电传感器、9—实验柴油机主轴、10—支撑轴承、11—基于热电法的柴油机轴承磨损在线监测系统、12—PLC、13—缸体轴承、14—平键、15—轴承、16—键。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明所设计的一种柴油机滑动轴承磨损热电法监测系统的验证试验台，如图1～4所示，它包括伺服电机1、第一联轴器2(弹性联轴器)、第二联轴器7(弹性联轴器)、实验柴油机缸体3、摇臂轴4、摇臂5、实验凸轮6、热电传感器(为现有专利2012102767273)8、实验柴油机主轴9、支撑轴承10(滑动轴承)、基于热电法的柴油机轴承磨损在线监测系统11(为现有系统见专利2017100854299)和PLC12，其中，实验柴油机主轴9通过支撑轴承10设置在实验柴油机缸体3中，实验柴油机主轴9的一端通过第一联轴器2连接伺服电机1的动力输出轴，实验柴油机主轴9的另一端通过第二联轴器7连接热电传感器8的输入轴，热电传感器8的热电势信号输出端连接基于热电法的柴油机轴承磨损在线监测系统11的信号输入端，所述PLC12的电机控制信号输出端连接伺服电机1的控制端；
实验柴油机主轴9上安装实验凸轮6，实验柴油机主轴9上方的实验柴油机缸体3上还固定有摇臂轴4，所述摇臂轴4上通过轴承15设置有摇臂5，摇臂轴4上还设有能将轴承15水平方向限位的键16，所述摇臂5的一端与实验凸轮6接触，摇臂5的另一端为施力端。
上述技术方案中，伺服电机1为可实现无级调速的可变转速电机，调速范围为100r/min～1500r/min。
上述技术方案中，所述实验凸轮6通过平键14安装在实验柴油机主轴9上。所述实验柴油机主轴9上通过平键14安装有与实验柴油机缸体3缸数一致的多个实验凸轮6。所述多个实验凸轮6在实验柴油机主轴9上按发火间隔角相错排列。所述摇臂轴4上通过轴承15设置个数与实验凸轮6相等的多个有摇臂5，每个摇臂5的一端与对应的实验凸轮6接触，每个摇臂5的另一端用于悬挂砝码。通过不同质量的砝码将摇臂抬起，使摇臂与凸轮摩擦。
上述技术方案中，实验柴油机主轴9的两端与实验柴油机缸体3的两个端面之间均通过缸体轴承13连接。所述支撑轴承10有多个，相邻两个实验凸轮6之间设置有一个支撑轴承10。
上述技术方案中，所述热电传感器8用于采集各个采集实验凸轮6与对应的摇臂5摩擦产生的热电信号以及实验柴油机主轴9的转角信号，其中，实验柴油机主轴9的转角信号有两路信号，一路是实验柴油机主轴9上止点信号用于分周期，一路是实验柴油机主轴9转速信号，用于监测实验柴油机主轴9运转平稳性。
上述技术方案中，所述基于热电法的柴油机轴承磨损在线监测系统11用于采集热电传感器8输出的各个采集实验凸轮6与对应的摇臂5摩擦产生的热电信号以及实验柴油机主轴9的转角信号，利用实验柴油机主轴9上止点信号，对采集的热电信号、转速信号进行分周期处理，转速信号通过找上升沿来计算实验柴油机主轴9的瞬时转速，并设置有报警阈值，保证试验台的正常运行；并利用布斯沃特低通滤波器处理热电信号，对滤波处理后热电信号的进行极坐标处理，从而定位故障点。
一种利用上述验证试验台的验证试验方法，它包括如下步骤：
步骤1：PLC12控制伺服电机1启动，伺服电机1带动实验柴油机主轴9转动，根据实验的需要给对应的摇臂5挂砝码，使实验凸轮6与对应的摇臂5进行干摩擦；
步骤2：热电传感器8采集各个采集实验凸轮6与对应的摇臂5摩擦产生的热电信号以及实验柴油机主轴9的转角信号，其中，实验柴油机主轴9的转角信号有两路信号，一路是实验柴油机主轴9上止点信号用于分周期，一路是实验柴油机主轴9转速信号，用于监测实验柴油机主轴9运转平稳性；
步骤3：基于热电法的柴油机轴承磨损在线监测系统11采集热电传感器8输出的各个采集实验凸轮6与对应的摇臂5摩擦产生的热电信号以及实验柴油机主轴9的转角信号，利用实验柴油机主轴9上止点信号，对采集的热电信号、转速信号进行分周期处理，转速信号通过找上升沿来计算实验柴油机主轴9的瞬时转速，并设置有报警阈值，保证试验台的正常运行；并利用布斯沃特低通滤波器处理热电信号，对滤波处理后热电信号的进行极坐标处理，从而定位故障点。
本发明的工作原理为：
根据摩擦副间润滑膜的形成原理和特征，润滑状态可以分为：1、流体动压润滑；2、流体静压润滑；3、弹性流体动压润滑；4、边界润滑；5、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。滑动轴承不同的磨损状态对应不同的油膜厚度，不同的油膜厚度又决定了滑动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Seekbeck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。
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EA(T1，T2)为：
对于金属导体A、B组成的闭合回路，温差电势的代数和EAB(T1，T2)为：
上式中，K为玻尔兹曼常数，K＝1.38×10-23J/K；T为开尔文温度，单位为K；e为电子电量，e＝1.6×10-19C；NA(T)为温度T时金属A的自由电子的密度，NB(T)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T1端接点产生的接触电势πAB(T1)为：
同理可得另一接点T2处的接触电势πAB(T2)，这样闭合回路中一对接触电势的代数和为：
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EAB(T1，T2)为两者的代数和，将式(1)、式(2)代数相加有：
由式(4)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，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dEAB(T1，T2)＝SAB(T)dT，SAB(T)为金属A、B的热电势率，即Seebeck系数。本发明通过使摩擦副(凸轮—摇臂)产生摩擦热，由Seebeck效应产生可采集的热电势。
本发明在具体应用时，主轴上安装有固定齿轮的一个螺柱以及固定凸轮的多个螺栓，多个凸轮按柴油机发火间隔角依次相错排列，凸轮上设有与螺栓配合的键槽，且凸轮与摇臂材料根据模拟柴油机轴瓦与主轴承材料设定。热电传感器有光电编码与热电信号引出装置，光电编码器用于输出曲轴转角模拟信号和上止点模拟信号，其输出为电压信号，输出端与柴油机轴承磨损在线监测系统相连；热电引出装置负责引出毫伏级的热电信号，并将信号传递给电脑，在分析软件中完成故障定位、热电极坐标图、故障模拟等功能演示，通过计算机的显示器显示。
本发明工作时：电机驱动主轴旋转，通过摇臂施加给凸轮和主轴载荷，产生摩擦功和热电势，热电传感器将采集到的信号发送至柴油机轴承磨损状态在线监测系统。若该系统不能显示正确的极坐标指向性(极坐标指向故障气缸)，则需进行修改，直至该系统能正确显示，则调试成功。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种柴油机滑动轴承磨损热电法监测系统的验证试验台，其特征在于：它包括伺服电机(1)、第一联轴器(2)、第二联轴器(7)、实验柴油机缸体(3)、摇臂轴(4)、摇臂(5)、实验凸轮(6)、热电传感器(8)、实验柴油机主轴(9)、支撑轴承(10)和基于热电法的柴油机轴承磨损在线监测系统(11)，其中，实验柴油机主轴(9)通过支撑轴承(10)设置在实验柴油机缸体(3)中，实验柴油机主轴(9)的一端通过第一联轴器(2)连接伺服电机(1)的动力输出轴，实验柴油机主轴(9)的另一端通过第二联轴器(7)连接热电传感器(8)的输入轴，热电传感器(8)的热电势信号输出端连接基于热电法的柴油机轴承磨损在线监测系统(11)的信号输入端；
实验柴油机主轴(9)上安装实验凸轮(6)，实验柴油机主轴(9)上方的实验柴油机缸体(3)上还固定有摇臂轴(4)，所述摇臂轴(4)上通过轴承(15)设置有摇臂(5)，所述摇臂(5)的一端与实验凸轮(6)接触，摇臂(5)的另一端为施力端。
2.根据权利要求1所述的柴油机滑动轴承磨损热电法监测系统的验证试验台，其特征在于：所述实验凸轮(6)通过平键(14)安装在实验柴油机主轴(9)上。
3.根据权利要求1所述的柴油机滑动轴承磨损热电法监测系统的验证试验台，其特征在于：所述实验柴油机主轴(9)上通过平键(14)安装有与实验柴油机缸体(3)缸数一致的多个实验凸轮(6)。
4.根据权利要求3所述的柴油机滑动轴承磨损热电法监测系统的验证试验台，其特征在于：所述多个实验凸轮(6)在实验柴油机主轴(9)上按发火间隔角相错排列。
5.根据权利要求4所述的柴油机滑动轴承磨损热电法监测系统的验证试验台，其特征在于：所述摇臂轴(4)上通过轴承(15)设置个数与实验凸轮(6)相等的多个有摇臂(5)，每个摇臂(5)的一端与对应的实验凸轮(6)接触，每个摇臂(5)的另一端用于悬挂砝码。
6.根据权利要求1所述的柴油机滑动轴承磨损热电法监测系统的验证试验台，其特征在于：实验柴油机主轴(9)的两端与实验柴油机缸体(3)的两个端面之间均通过缸体轴承(13)连接。
7.根据权利要求3所述的柴油机滑动轴承磨损热电法监测系统的验证试验台，其特征在于：它还包括PLC(12)，所述PLC(12)的电机控制信号输出端连接伺服电机(1)的控制端，所述支撑轴承(10)有多个，相邻两个实验凸轮(6)之间设置有一个支撑轴承(10)。
8.根据权利要求1所述的柴油机滑动轴承磨损热电法监测系统的验证试验台，其特征在于：所述热电传感器(8)用于采集各个采集实验凸轮(6)与对应的摇臂(5)摩擦产生的热电信号以及实验柴油机主轴(9)的转角信号，其中，实验柴油机主轴(9)的转角信号有两路信号，一路是实验柴油机主轴(9)上止点信号用于分周期，一路是实验柴油机主轴(9)转速信号，用于监测实验柴油机主轴(9)运转平稳性。
9.根据权利要求8所述的柴油机滑动轴承磨损热电法监测系统的验证试验台，其特征在于：所述基于热电法的柴油机轴承磨损在线监测系统(11)用于采集热电传感器(8)输出的各个采集实验凸轮(6)与对应的摇臂(5)摩擦产生的热电信号以及实验柴油机主轴(9)的转角信号，利用实验柴油机主轴(9)上止点信号，对采集的热电信号、转速信号进行分周期处理，转速信号通过找上升沿来计算实验柴油机主轴(9)的瞬时转速，并设置有报警阈值，保证试验台的正常运行；并利用布斯沃特低通滤波器处理热电信号，对滤波处理后热电信号的进行极坐标处理，从而定位故障点。
10.一种利用权利要求1所述验证试验台的验证试验方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：PLC(12)控制伺服电机(1)启动，伺服电机(1)带动实验柴油机主轴(9)转动，根据实验的需要给对应的摇臂(5)的另一端施加相应的力，使实验凸轮(6)与对应的摇臂(5)进行干摩擦；
步骤2：热电传感器(8)采集各个采集实验凸轮(6)与对应的摇臂(5)摩擦产生的热电信号以及实验柴油机主轴(9)的转角信号，其中，实验柴油机主轴(9)的转角信号有两路信号，一路是实验柴油机主轴(9)上止点信号用于分周期，一路是实验柴油机主轴(9)转速信号，用于监测实验柴油机主轴(9)运转平稳性；
步骤3：基于热电法的柴油机轴承磨损在线监测系统(11)采集热电传感器(8)输出的各个采集实验凸轮(6)与对应的摇臂(5)摩擦产生的热电信号以及实验柴油机主轴(9)的转角信号，利用实验柴油机主轴(9)上止点信号，对采集的热电信号、转速信号进行分周期处理，转速信号通过找上升沿来计算实验柴油机主轴(9)的瞬时转速，并设置有报警阈值，保证试验台的正常运行；并利用布斯沃特低通滤波器处理热电信号，对滤波处理后热电信号的进行极坐标处理，从而定位故障点。
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