作为船舶心脏的船用柴油机,其工作状态的好坏直接影响船舶的动力性,经济性和安全性.船用柴油机工作条件恶劣,故障率较高,一旦发生故障,不仅降低柴油机整体性能,还影响到船舶航行安全.主轴承是船用柴油机关键零部件和易损件,其过度磨损会导致曲轴挠曲变形,抱熔折断等恶性事故,产生巨大的经济损失.据瑞典国际船舶保险公司对船舶理赔事故的统计(2005年-2011年):船用主柴油机主轴承故障位列船用低速柴油机最常见零部件故障率的第四位(占5.3%),平均每次赔付额942,070美元.因此,船用柴油机主轴承磨损状态的在线监测研究具有十分重要意义,工程应用价值高. 本文在分析国内外船用柴油机主轴承磨损在线监测技术基础上,开展了基于热-电技术的柴油机主轴承磨损监测方法研究.研究采用理论计算分析与试验相结合研究路线,通过研究揭示柴油机主轴承磨损生热产生温度升高与热电势的变化规律,开发主轴承磨损-温升-电势测量系统,进行柴油机主轴承磨损的故障模拟试验,以建立主轴承磨损量与热电信号特征的变化规律.主要研究内容如下: 1,阐述了热电效应的基本理论,推导了两种不同导体间热电势计算公式,分析了闭合导体回路热电势的产生机理.搭建了单转子滑动轴承试验台,设计了热电信号测量的放大电路,进行了滑动轴承与转轴热电效应的试验分析,验证了微弱热电信号的可测性.完成了转轴跟滑动轴承的摩擦试验,分析了转轴跟滑动轴承摩擦产生的热电效应,得出了转轴的转速越高,滑动轴承与转轴的摩擦强度越大,热电效应越明显,热电信号幅值越大.分析了热-电法监测柴油机主轴承磨损的机理与实施过程. 2.从多体动力学和模态缩减基本原理出发,分析了曲轴轴系多弹性体系统动力学,建立了柴油机曲轴轴系的有限元模型,采用模态缩减方法进行了有限元模型自由度的缩减,用曲轴模态试验验证了模态缩减的有效性和正确性;建立了柴油机主轴承摩擦功耗的计算模型和主轴承座二维多体动力学模型,通过输入模型轴系全局参数,加载气缸压力,定义体单元,连接单元和相关耦合关系,得到了柴油机曲轴-主轴承多体动力学三维模型. 3.完成了柴油机曲轴轴系多体动力学润滑分析,研究了柴油机不同工况,不同轴承磨损状态主轴承受力,瞬时摩擦功耗和轴心轨迹等变化.计算结果表明:①柴油机第3档主轴承负荷在第2缸发火和第3缸发火附近出现峰值;②随柴油机负荷和主轴承磨损的增加,主轴承载荷亦随之增大;③柴油机主轴承摩擦功耗对应于不同的摩擦强度等级,随柴油机转速增加,其摩擦功耗下降.随柴油机负荷增加,摩擦功耗先增加后减小;④主轴承严重磨损时,瞬时摩擦功耗在气缸发火对应的曲柄角度急剧增加;随柴油机转速和主轴承磨损的增大,其轴心运动范围逐渐扩大;随柴油机负荷增加,轴承轴心轨迹运动范围逐渐变小. 4.完成了小型柴油机主轴承磨损试验研究,研究发现:①柴油机转速增加,轴心轨迹运动范围不断变大;柴油机负荷增加,轴心轨迹运动范围不断变小.主轴承磨损量增加,轴心轨迹运动范围逐渐变大.②柴油机主轴承摩擦功耗大小与热电信号幅值的变化趋势基本相同.在一定转速范围内,柴油机转速升高,热电信号呈下降趋势;柴油机负荷增加时,热电信号幅值先增大后减小;主轴承磨损量增大时,热电信号幅值逐渐变大;主轴承严重磨损时,热电信号幅值显著增大,热电信号具有对柴油机主轴承磨损状态的可监测性;③在柴油机负荷,转速和主轴承磨损量不变时,热电信号峰值指向故障主轴承所在气缸的发火点,可根据柴油机发火顺序确定磨损主轴承的位置,热电信号监测主轴承磨损状态具有可定位性.④柴油机主轴承运行中存在干摩擦,边界润滑与正常润滑状态,干摩擦时热电信号峰值大于边界润滑,热电信号峰值与主轴承磨损程度密切相关. 5.船用中速柴油机主轴承磨损模拟试验表明:柴油机主轴承热电信号具有良好重复性,且热电信号峰值变化规律大致相同;柴油机50%负荷时其热电信号峰值出现拐点;低于50%负荷时,热电信号峰值随负荷升高依次增大;高于50%负荷时,热电信号峰值随负荷升高依次减小;热电信号峰值随主轴承磨损量增加而增大;在小型柴油机与船用中速柴油机上有相似的热电信号变化规律,证实了热-电法监测船用中速柴油机主轴承磨损量的有效性.

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