CN111473750A - 一种柴油机主轴承润滑磨损状态监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柴油机主轴承润滑磨损状态监测装置，包括套装在曲轴上的上轴瓦，下轴瓦，主轴承座和主轴承盖，在所述主轴承盖中心线处开设有一沉孔，中心线两侧成45度夹角分别开设有盲孔a和盲孔b，所述盲孔a中安置有超声波传感器探头a，超声波传感器探头a通过导线依次连接脉冲反射式测厚仪a、计算机；盲孔b中安置有超声波传感器探头b，超声波传感器探头b通过导线依次连接脉冲反射式测厚仪b、计算机；沉孔中安置有加速度传感器，加速度传感器通过导线依次连接信号采集仪、计算机。本发明结构简单，易于安装操作，能实时监测主轴承的润滑状态，得到主轴承的磨损程度，保障了柴油机的安全运行、节约了维修时间和人力成本。

Description

一种柴油机主轴承润滑磨损状态监测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种柴油机主轴承润滑磨损状态监测装置及方法，具体涉及超声波传感器、加速度传感器的安装布置，用于检测曲轴轴心运动轨迹和主轴承盖振动，进而得到主轴承最小油膜厚度、轴瓦磨损深度及振动特性，属于柴油机安全运行监测技术领域。
背景技术
对于船用柴油机主轴承，传统的轴瓦磨损检测方法是停机拆卸轴承，通过观察测量等方法来确定轴承磨损状态。但船用柴油机工作频率高，定期停机维护时间间隔长且拆卸复杂，通过上述检测方法显然难以满足船舶智能化的要求。因此，开展船舶柴油机主轴承润滑及磨损状态在线监测技术，实时监测柴油机主轴承油膜厚度及轴瓦磨损深度，对于提高船舶柴油机主轴承运行可靠性具有重要意义，对于指导船舶柴油机从故障维修到预测维修具有重要的意义。
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，但受柴油机内部信号激励源多、轴承类部件复杂等原因，这些方法的实时性和准确性有待提高。
申请号为CN201220385859.5，名称为“船用柴油机滑动主轴承磨损监测装置”的发明专利，提供了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。该专利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。该发明专利的弊端在于，虽然能够在多档主轴承中找到故障轴承位置并判断出磨损程度，但是只有在主轴承和曲轴发生接触后才能读取热电势信号，且无法判断最小油膜厚度的变化，测量装置结构复杂，安装过程繁琐，适用性差。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的技术问题和缺陷，提供一种柴油机主轴承润滑磨损状态监测装置及方法。
为达到上述目的，本发明实现目的所采取的技术方案是：
一种柴油机主轴承润滑磨损状态监测装置，包括套装在曲轴3上的上轴瓦2，下轴瓦5，主轴承座1和主轴承盖4，其特征在于：在所述主轴承盖4中心线处开设有一沉孔16，中心线两侧成45度夹角分别开设有盲孔a17和盲孔b15，其中所述盲孔a17中安置有超声波传感器探头a11，所述超声波传感器探头a11通过导线依次连接脉冲反射式测厚仪a13、计算机10；所述盲孔b15中安置有超声波传感器探头b6，所述超声波传感器探头b6通过导线依次连接脉冲反射式测厚仪b8、计算机10；所述沉孔16中安置有加速度传感器7，所述加速度传感器7通过导线依次连接信号采集仪9、计算机10。
进一步优选，所述盲孔a17和盲孔b15的孔径均为20mm，孔底壁厚，即孔底与下轴瓦5之间的距离均为10mm。
进一步优选，所述沉孔16的孔径为20mm，孔深为10mm。
进一步优选，所述超声波传感器探头a11和超声波传感器探头b6均选用探头频率为5MHz的PT-104-2000直探头，分别用于接收所述脉冲反射式测厚仪a13和脉冲反射式测厚仪b8发射的脉冲波，并将接收的超声波转化成电信号分别传回所述脉冲反射式测厚仪a13和脉冲反射式测厚仪b8中。
进一步优选，所述加速度传感器7选用检测频率范围为0.3Hz～10kHz的B&K4508型加速度传感器。
进一步优选，所述脉冲反射式测厚仪a13和所述脉冲反射式测厚仪b8均选用脉冲波频率范围为1MHz～10MHz，测量厚度最大值为500mm，显示精度为0.01mm的MX-5DL型超声波测厚仪。
进一步优选，所述信号采集仪9选用INV3018系列的24位采集仪。
进一步优选，所述计算机10包括DASP-V11工程版软件和LabVIEW软件USB实时数据采集处理系统。
本发明的柴油机主轴承润滑磨损状态监测装置的监测方法，包括如下步骤：
第一步、将装置接通电源，点击脉冲反射式测厚仪a13和脉冲反射式测厚仪b8上的ON键，再按ZERO键进行校准；开启计算机10，在DASP-V11工程版软件中对采样频率、加速度传感器7灵敏度和单通道时间与频谱示波等参数进行设置。
第二步、启动柴油机，在计算机10中的DASP-V11工程版软件点击时域分析，得到加速度随时间变化的时域波形图。
第三步、在计算机10的LabVIEW软件USB实时数据采集处理系统中点击开始按钮，实时读取脉冲反射式测厚仪a13和脉冲反射式测厚仪b8沿超声波传感器探头a11和超声波传感器探头b6方向上的曲轴厚度数据，并将处理得到的主轴承最小油膜厚度与磨损深度数值显示出来。
第四步、通过最小油膜厚度和磨损深度对柴油机主轴承润滑磨损状态进行判断，当检测到的最小油膜厚度为0.01mm时，则主轴承发生干摩擦的概率较大；当磨损深度大于或等于0.01mm时，则判断主轴承开始发生磨损，同时在时域波形图中可以观察到加速度随时间变化的幅值明显增大，进一步确认此时主轴承正在发生磨损。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
1.通过对主轴承轴心轨迹监测，能够直接测得柴油机运行过程中主轴承的油膜厚度或磨损深度，无需建立其它物理量与之对应关系及故障数据库，在主轴承润滑状态监测及故障诊断可靠性上具有一定优势。
2.采用超声波传感器探头作为测量装置，能够有效遏制柴油机运行过程中过多的信号对测量结果的干扰。
3.通过对最小油膜厚度实时监测，可以有效地预测故障的发生，从而避免发生干摩擦。
4.采用加速度传感器传感器可以测量主轴承在运行时的加速度，而主轴承加速度能够直接反映轴承运行状态的好坏，可以确保及时监测到故障的发生。
5.本发明结构简单，易于安装操作，且能够实时监测主轴承的润滑状态，在不拆卸主轴承的情况下，可以得到主轴承的磨损程度，以上这些优点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，从而具有较高的工程应用价值。
本发明中LabVIEW软件USB实时数据采集处理系统中柴油机主轴承润滑磨损状态监测的参数计算原理
针对柴油机主轴承盖实际结构，在主轴承盖中心线两侧成45度夹角位置布置两超声波传感器探头a、b。发射电路发出周期性脉冲波，加到探头上，激励压电片产生超声波，超声波进入轴承内，可探得沿超声波传感器探头方向上，曲轴颈中的超声波行径距离分别为A、B，轴心O2的运动轨迹为：
Figure BDA0002442080590000041
上轴瓦和下轴瓦组成的密封圆腔中心为O1，则轴心线O1O2的距离为：
Figure BDA0002442080590000042
轴承正常运行阶段，流体润滑阶段，最小油膜厚度：
hmin＝R-r-O1O2 (3)
轴承摩擦磨损，轴承处于边界润滑或干摩擦状态时，磨损深度：
δ＝r+O1O2-R (4)
其中d为曲轴直径，r为曲轴半径，R为上轴瓦和下轴瓦组成的密封圆腔半径，hmin为最小油膜厚度，δ为磨损深度。
附图说明
图1是本发明的柴油机主轴承润滑磨损状态监测装置的构造和安装连接示意图；
图2是本发明的柴油机主轴承润滑磨损状态监测装置运行测试示意图；
图3是本发明的主轴承打孔位置示意图；
图4是本发明的柴油机主轴承润滑磨损测试计算示意图；
图中：1为主轴承座、2为上轴瓦、3为曲轴、4为主轴承盖、5为下轴瓦、6为超声波传感器探头b、7为加速度传感器、8为脉冲反射式测厚仪b、9为信号采集仪、10为计算机、11为超声波传感器探头a、13为脉冲反射式测厚仪a、15为盲孔b、16为沉孔、17为盲孔a。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施案例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，包括主轴承座1、上轴瓦2、曲轴3、主轴承盖4、下轴瓦5、超声波传感器探头b6、加速度传感器7、脉冲反射式测厚仪b8、信号采集仪9、计算机10、超声波传感器探头a11、脉冲反射式测厚仪a13。
所述超声波传感器探头a11通过导线依次连接脉冲反射式测厚仪a13、计算机10；所述超声波传感器探头b6通过导线依次连接脉冲反射式测厚仪b8、计算机10；所述加速度传感器7通过导线依次连接信号采集仪9、计算机10。
所述超声波传感器探头a11和超声波传感器探头b6均选用探头频率为5MHz的PT-104-2000直探头，分别用于接收所述脉冲反射式测厚仪a13和脉冲反射式测厚仪b8发射的脉冲波，并将接收的超声波转化成电信号分别传回所述脉冲反射式测厚仪a13和脉冲反射式测厚仪b8中。
所述加速度传感器7选用检测频率范围为0.3Hz～10kHz的B&K4508型加速度传感器。
所述脉冲反射式测厚仪a13和所述脉冲反射式测厚仪b8均选用脉冲波频率范围为1MHz～10MHz，测量厚度最大值为500mm，显示精度为0.01mm的MX-5DL型超声波测厚仪。
所述信号采集仪9选用INV3018系列的24位采集仪。
所述计算机10包括DASP-V11工程版软件和LabVIEW软件USB实时数据采集处理系统。一方面，所述DASP-V11工程版软件用于对所述信号采集仪9得到的数据进行时域分析，得到主轴承盖4振动特性；另一方面，所述LabVIEW软件USB实时数据采集处理系统用于将所述脉冲反射式测厚仪a13和脉冲反射式测厚仪b8中分别得到的曲轴3实时厚度数据进行处理，从而得到曲轴3的最小油膜厚度和磨损深度。
如图2所示，包括主轴承座1、上轴瓦2、曲轴3、主轴承盖4、下轴瓦5、超声波传感器探头b6、加速度传感器7、脉冲反射式测厚仪b8、信号采集仪9、计算机10、超声波传感器探头a11、脉冲反射式测厚仪a13。
所述加速度传感器7采用胶接方式固定在沉孔16底部；所述所述超声波传感器探头b6和超声波传感器探头a11分别采用嵌套O型橡胶圈的方式安装在盲孔b15和盲孔a17中，且保证超声波传感器探头与盲孔底部贴合；所述超声波传感器探头a11通过导线依次连接脉冲反射式测厚仪a13、计算机10；所述超声波传感器探头b6通过导线依次连接脉冲反射式测厚仪b8、计算机10；所述加速度传感器7通过导线依次连接信号采集仪9、计算机10。
如图3所示，包括主轴承座1、上轴瓦2、曲轴3、主轴承盖4、下轴瓦5、盲孔b15、沉孔16、盲孔a17。
所述主轴承盖4中心线处开设有一沉孔16，中心线两侧成45度夹角分别开设有盲孔a17和盲孔b15。
所述盲孔a17和盲孔b15的孔径均为20mm，孔底壁厚，即孔底与下轴瓦5之间的距离均为10mm。
所述沉孔16的孔径为20mm，孔深为10mm。
如图4所示，包括主轴承座1、上轴瓦2、曲轴3、主轴承盖4、下轴瓦5、超声波传感器探头b6、加速度传感器7、超声波传感器探头a11。
所述O1为上轴瓦2和下轴瓦5组成的密封圆腔圆心；所述O2为曲轴轴心；所述A、B分别为脉冲反射式测厚仪a13和脉冲反射式测厚仪b8测得的曲轴3的厚度。
上述参数用于计算出主轴承最小油膜厚度和磨损深度。
图中，以O1为坐标原点，在所述主轴承盖4中心线两侧成45度夹角分别作x轴和y轴。
此时，轴心O2的运动轨迹为：
Figure BDA0002442080590000061
上轴瓦和下轴瓦组成的密封圆腔中心为O1，则轴心线O1O2的距离为：
Figure BDA0002442080590000062
轴承正常运行阶段，流体润滑阶段，最小油膜厚度：
hmin＝R-r-O1O2 (3)
轴承摩擦磨损，轴承处于边界润滑或干摩擦状态时，磨损深度：
δ＝r+O1O2-R (4)
其中d为曲轴直径，r为曲轴半径，R为上轴瓦和下轴瓦组成的密封圆腔半径，hmin为最小油膜厚度，δ为磨损深度。
本发明的柴油机主轴承润滑磨损状态监测装置的监测方法，包括如下步骤：
第一步、将装置接通电源，点击脉冲反射式测厚仪a13和脉冲反射式测厚仪b8上的ON键，再按ZERO键进行校准；开启计算机10，在DASP-V11工程版软件中对采样频率、加速度传感器7灵敏度和单通道时间与频谱示波等参数进行设置。
第二步、启动柴油机，在计算机10中的DASP-V11工程版软件点击时域分析，得到加速度随时间变化的时域波形图。
第三步、在计算机10的LabVIEW软件USB实时数据采集处理系统中点击开始按钮，实时读取脉冲反射式测厚仪a13和脉冲反射式测厚仪b8沿超声波传感器探头a11和超声波传感器探头b6方向上的曲轴厚度数据，并将处理得到的主轴承最小油膜厚度与磨损深度数值显示出来。
第四步、通过最小油膜厚度和磨损深度对柴油机主轴承润滑磨损状态进行判断，当检测到的最小油膜厚度为0.01mm时，则主轴承发生干摩擦的概率较大；当磨损深度大于或等于0.01mm时，则判断主轴承开始发生磨损，同时在时域波形图中可以观察到加速度随时间变化的幅值明显增大，进一步确认此时主轴承正在发生磨损。

Claims (8)

1.一种柴油机主轴承润滑磨损状态监测装置，包括套装在曲轴(3)上的上轴瓦(2)，下轴瓦(5)，主轴承座(1)和主轴承盖(4)，其特征在于：在所述主轴承盖(4)中心线处开设有一沉孔(16)，中心线两侧成45度夹角分别开设有盲孔a(17)和盲孔b(15)，其中所述盲孔a(17)中安置有超声波传感器探头a(11)，所述超声波传感器探头a(11)通过导线依次连接脉冲反射式测厚仪a(13)、计算机(10)；所述盲孔b(15)中安置有超声波传感器探头b(6)，所述超声波传感器探头b(6)通过导线依次连接脉冲反射式测厚仪b(8)、计算机(10)；所述沉孔(16)中安置有加速度传感器(7)，所述加速度传感器(7)通过导线依次连接信号采集仪(9)、计算机(10)。
2.根据权利要求1所述的一种柴油机主轴承润滑磨损状态监测装置，其特征在于：所述盲孔a(17)和盲孔b(15)的孔径均为20mm，孔底壁厚，即孔底与下轴瓦(5)之间的距离均为10mm。
3.根据权利要求1所述的一种柴油机主轴承润滑磨损状态监测装置，其特征在于：所述沉孔(16)的孔径为20mm，孔深为10mm。
4.根据权利要求1所述的一种柴油机主轴承润滑磨损状态监测装置，其特征在于：所述超声波传感器探头a(11)和超声波传感器探头b(6)均选用探头频率为5MHz的PT-104-2000直探头，分别用于接收所述脉冲反射式测厚仪a(13)和脉冲反射式测厚仪b(8)发射的脉冲波，并将接收的超声波转化成电信号分别传回所述脉冲反射式测厚仪a(13)和脉冲反射式测厚仪b(8)中。
5.根据权利要求1所述的一种柴油机主轴承润滑磨损状态监测装置，其特征在于：所述加速度传感器(7)选用检测频率范围为0.3Hz～10kHz的B&K4508型加速度传感器。
6.根据权利要求1所述的一种柴油机主轴承润滑磨损状态监测装置，其特征在于：所述脉冲反射式测厚仪a(13)和所述脉冲反射式测厚仪b(8)均选用脉冲波频率范围为1MHz～10MHz，测量厚度最大值为500mm，显示精度为0.01mm的MX-5DL型超声波测厚仪。
7.根据权利要求1所述的一种柴油机主轴承润滑磨损状态监测装置，其特征在于：所述计算机(10)包括DASP-V11工程版软件和LabVIEW软件USB实时数据采集处理系统。
8.一种柴油机主轴承润滑磨损状态监测装置的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将装置接通电源，点击脉冲反射式测厚仪a(13)和脉冲反射式测厚仪b(8)上的ON键，再按ZERO键进行校准；开启计算机(10)，在DASP-V11工程版软件中对采样频率、加速度传感器(7)灵敏度和单通道时间与频谱示波等参数进行设置；
(2)启动柴油机，在计算机(10)中的DASP-V11工程版软件点击时域分析，得到加速度随时间变化的时域波形图；
(3)在计算机(10)的LabVIEW软件USB实时数据采集处理系统中点击开始按钮，实时读取脉冲反射式测厚仪a(13)和脉冲反射式测厚仪b(8)沿超声波传感器探头a(11)和超声波传感器探头b(6)方向上的曲轴厚度数据，并将处理得到的主轴承最小油膜厚度与磨损深度数值显示出来；
(4)通过最小油膜厚度和磨损深度对柴油机主轴承润滑状态进行判断，当检测到的最小油膜厚度为0.01mm时，则主轴承发生干摩擦的概率较大；当磨损深度大于0.01mm时，则判断主轴承开始发生磨损，同时在时域波形图中可以观察到加速度随时间变化的幅值明显增大，进一步确认此时主轴承正在发生磨损。
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