基于接触电势法的船用柴油机滑动轴承磨损监测装置

1.本实用新型属于柴油机设备技术领域，具体涉及一种船用柴油机轴系滑动轴承磨损监测装置。


背景技术：

2.内燃机摩擦功耗损失中由轴承造成的大约占总摩擦损失的25％，尤其在一些高强度内燃机，这部分比例可达40％。且当该摩擦副严重磨损时，会出现一系列严重事故，影响内燃机经济性、动力性和可靠性。
3.柴油机滑动轴承是曲轴的位置支承和校准部件，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，滑动轴承容易发热和磨损。滑动轴承的不均匀过度磨损又会使得轴承间隙增大，引起轴颈对滑动轴承的冲击力增大，直接影响柴油机的总体工作性能；滑动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。严重的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。
4.目前监测船用柴油机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，由于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、准确地定位具体的故障滑动轴承。中国专利 cn102840983b提出了一种船用柴油机滑动滑动轴承磨损监测装置及方法，采用曲轴适配器、弹性减震器、滑环变送器等高精密变送及采集部件侧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滑动轴承的磨损状态，通过将异常的热电势信号与对应的发火缸位即滑动轴承位置结合分析，可以判断出故障轴承的位置。但是在实际应用的过程中发现该专利存在以下缺点：(1)采集的热电信号是无源信号，受柴油机其他设备漏电影响较大；(2)没考虑曲轴与主轴的对中度，在长期运行的过程中联轴器和编码器易损坏。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在信号干扰较大和对中度较差的问题，提供一种基于接触电势法的船用柴油机滑动轴承磨损监测装置，该装置能够实现长期准确的滑动轴承故障在线监测。
6.本实用新型为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
7.一种基于接触电势法的船用柴油机滑动轴承磨损监测装置，包括机械支撑装置、信号引出装置和信号分析处理单元，
8.所述机械支撑装置包括机体连接件、曲轴连接器和联轴器；所述信号引出装置包括套筒以及安装于所述套筒内的主轴、碳刷和编码器；所述信号分析处理单元包括接触电势引出闭合回路和曲轴转角信号处理电路；
9.所述机体连接件安装在柴油机机体上，所述套筒与所述机体连接件同轴固定连
接；所述曲轴连接器一端位于所述机体连接件内部并与柴油机曲轴连接，曲轴连接器另一端伸入所述套筒内部通过联轴器与所述主轴连接；所述碳刷安装于所述主轴上，碳刷接入所述接触电势引出闭合回路，引出曲轴和主轴的电势；所述编码器安装于所述主轴上，作为角标信号输出装置，接入所述曲轴转角信号处理电路。
10.上述方案中，所述监测装置还包括辅助安装工具对中器，所述曲轴连接器通过对中器实现与所述机体连接件内部的曲轴连接。
11.上述方案中，所述对中器为环状结构，其内孔与曲轴连接器配合采用it6 的公差等级，外径与机体连接件配合采用it6的公差等级；所述曲轴连接器与曲轴之间设置止口，以降低同轴度误差。
12.上述方案中，所述套筒为三段式结构，包括同轴依次设置的信号引出装置连接件、基座、传感器罩体；所述信号引出装置连接件与所述机体连接件同轴固定连接；所述基座与信号引出装置连接件固定连接，并设有止口；所述传感器罩体通过中部支撑板与基座连接；所述联轴器位于信号引出装置连接件内部，所述碳刷位于基座内部，所述编码器位于传感器罩体内部。
13.上述方案中，所述中部支撑板上、下两端分别通过外螺纹与所述传感器罩体和基座的内螺纹连接，中部支撑板下端外径小于上端外径，中部支撑板与基座之间通过螺丝进行加固。
14.上述方案中，所述主轴前端通过前端支撑轴承与所述基座连接，主轴后端通过后端支撑轴承与所述中部支撑板连接；前端支撑轴承与基座以及后端支撑轴承与中部支撑板之间均设有尼龙套，保证主轴与柴油机机体之间绝缘。
15.上述方案中，所述碳刷的转子安装在主轴上，碳刷的定子通过绝缘螺丝固定在所述基座上；碳刷与基座之间安装有隔热板，保证机体的热量不会传导到碳刷，以防高温对电子元器件的损害。
16.上述方案中，所述接触电势引出闭合回路包括串联的直流电源e、第一电阻r、第二电阻r，所述第一电阻r两端接有电压表v，所述碳刷与第一电阻 r并联。
17.上述方案中，第二电阻r的精度为第一电阻r的倍以上，保证接触信号的敏感性要求。
18.上述方案中，所述曲轴连接器与联轴器连接的一端直径小于其与曲轴连接的一端直径。
19.本实用新型的有益效果在于：
20.1、本实用新型基于接触电势法对船用柴油机滑动轴承磨损状态进行监测，相比于现有的热电效应法，提高了信噪比，便于提取强噪声背景下的轴承磨损故障特征。
21.2、本实用新型采用对中器将曲轴连接器与机体连接件内部的曲轴对接，对中器采用大小孔径的方式降低曲轴连接器与机体连接件的同轴度误差，对中器内孔与曲轴连接器配合采用it6的公差等级，外径与机体连接件配合采用 it6的公差等级，保证了曲轴、曲轴连接器与机体连接件的误差，从而提高了主轴与曲轴的对中度，提高了监测系统的可靠性。
22.3、本实用新型采用的接触电势信号引出装置，当轴瓦与曲轴接触时，接触电势信号变为0v，能够实时精确地监测船用柴油机滑动轴承的润滑状态，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。通过将接触电势信号与对应的气缸做功时刻即轴承
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。
附图说明
23.下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
24.图1是本实用新型船用柴油机滑动轴承磨损监测装置的机械支撑装置与信号引出装置的结构剖视图；
25.图2是本实用新型船用柴油机滑动轴承磨损监测装置的对中器的结构及使用示意图；
26.图3是本实用新型船用柴油机滑动轴承磨损监测装置的接触电势引出闭合回路的示意图；
27.图4是轴承磨损接触电势信号极坐标示意图，其中，图4-1表示正常状态的接触电势，图4-2表示某一档连杆大端轴承故障的接触电势，图4-3表示某一档滑动轴承故障的接触电势。
28.图中：10、机械支撑装置；11、机体连接件；12、曲轴连接器；13、联轴器；
29.20、信号引出装置；21、套筒；211、信号引出装置连接件；212、基座； 213、传感器罩体；22、主轴；23、碳刷；24、编码器；25、中部支撑板；26、支撑轴承；27、尼龙套；28、隔热板；
30.30、接触电势引出闭合回路；31、轴瓦；32、曲轴；33、润滑油；r1、第一电阻；v、电压表；r2、第二电阻；e、电源；
31.40、对中器。
具体实施方式
32.为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。
33.柴油机轴系滑动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。通常柴油机滑动轴承油膜厚度在0.1～1mm范围内，且由于润滑油的电导率较低，可以视为绝缘体，但是轴瓦与曲轴表面会存在微凸峰，当工况恶劣时会产生微凸峰接触，当微凸峰接触时，曲轴与轴瓦视为接通，互为等势体。基于此，本实用新型提出一种基于接触电势法的船用柴油机滑动轴承磨损监测装置，通过判断曲轴与轴瓦是否接触来判断轴承的磨损状态。该装置包括机械支撑装置10、信号引出装置20和信号分析处理单元，其中，机械支撑装置10保证曲轴与信号引出装置20的同轴度精度高，且能稳定的支撑信号引出装置20；信号引出装置20保证曲轴与信号分析处理单元的电路相连，使其形成闭合回路；信号分析处理单元对信号引出装置20引出的信号进行分析和处理从而判断滑动轴承的磨损状态。
34.如图1所示，机械支撑装置10包括机体连接件11、曲轴连接器12和联轴器13；信号引出装置20包括套筒21以及安装于套筒21内的主轴22、碳刷 23和编码器24。信号分析处理单元包括接触电势引出闭合回路30和曲轴转角信号处理电路。机体连接件11安装在柴油机机体上，且选用强度较高的不锈钢材料，保证对信号引出装置20的稳定支撑。套筒21与机体连接件11同轴固定连接。曲轴连接器12安装在柴油机曲轴上，将柴油机自由端的粗曲轴变
为细长轴，便于信号的引出与联轴器13的连接，具体的，曲轴连接器12一端位于机体连接件11内部并与柴油机曲轴连接，曲轴连接器12另一端伸入套筒 21内部通过联轴器13与主轴22连接。联轴器13保证主轴22与曲轴的同步旋转，且导电使得两者为等势体。碳刷23安装于主轴22上，碳刷23接入接触电势引出闭合回路30，引出曲轴和主轴22的电势。编码器24安装于主轴 22上，作为角标信号输出装置，接入曲轴转角信号处理电路。
35.进一步优化，所述监测装置还包括辅助安装工具对中器40，曲轴连接器 12通过对中器40实现与所述机体连接件11内部的曲轴32连接。如图2所示，对中器40为环状结构，其内孔与曲轴连接器12配合采用it6的公差等级，外径与机体连接件11配合采用it6的公差等级，保证了曲轴32、曲轴连接器12 与机体连接件11的误差，从而提高了主轴22与曲轴32的对中度，消除因为角度同轴度误差引起的振动，提高监测系统的可靠性。所述曲轴连接器12与曲轴32之间设置止口，以降低同轴度误差。此外，本装置同轴相连的各部件均采用止口设计，进一步保证各部件的同轴度，不会产生累积的偏心。
36.进一步优化，套筒21为三段式结构，包括同轴依次设置的信号引出装置连接件211、基座212、传感器罩体213，联轴器13位于信号引出装置连接件 211内部，碳刷23位于基座212内部，编码器24位于传感器罩体213内部。信号引出装置连接件211同轴固定安装在机体连接件11上。基座212与信号引出装置连接件211通过螺栓固定连接，并设有止口，保证良好的对中效果。传感器罩体213通过中部支撑板25与基座212连接，中部支撑板25上、下两端分别通过外螺纹与传感器罩体213和基座212的内螺纹连接，中部支撑板 25下端外径小于上端外径，中部支撑板25与基座212之间通过螺丝进行加固。采用中部支撑板25连接基座212与传感器罩体213，结构简易、安全、对中性好。套筒21整体具有良好的密封性，保证其内部元件不会受到油雾腐蚀。
37.进一步优化，主轴22前端通过前端支撑轴承26与基座212连接，主轴 22后端通过后端支撑轴承26与中部支撑板25连接；前端支撑轴承26与基座 212以及后端支撑轴承26与中部支撑板25之间均设有尼龙套27，保证主轴 22与柴油机机体之间绝缘。
38.进一步优化，碳刷23的转子安装在主轴22上，碳刷23的定子通过绝缘螺丝固定在基座212上；碳刷23与基座212之间安装有隔热板28，保证机体的热量不会传导到碳刷23，以防高温对电子元器件的损害。
39.进一步优化，基座212壁上设有开口，用于调节联轴器13。
40.进一步优化，如图3所示，接触电势引出闭合回路30包括串联的直流电源e、第一电阻r1、第二电阻r2，第一电阻r1两端接有电压表v，碳刷23 与第一电阻r1并联。第二电阻r2的精度为第一电阻r1的10倍以上，保证接触信号的敏感性要求。
41.本实用新型装置的监测原理如下：曲轴32在柴油机机架内带载荷旋转，由滑动轴承作为曲轴32的重力支撑、水平和垂直位置校中。二者的配合间隙一般在0.1mm以下，用滑油压力供油。当曲轴旋转时，带入的滑油在其周围形成油楔，能承受相当大的交变负荷。安装在机架中的滑动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32之间由润滑油33油膜隔开，使得曲轴32与轴瓦31为绝缘状态。而轴瓦与机架紧密贴合成等电势体，连接良好并接地。如果曲轴与轴瓦发生微凸峰接触，将会生成大量摩擦热，导致润滑油33油膜发生局部破坏，曲轴32与轴瓦31之间的润滑状态变差。所以在柴油机设计的阶段，会避免发展曲轴32和轴瓦31的微凸峰接触，即两者为绝缘状态。当在外部用第一电阻r1、第二电阻
r2和直流电源e组织电路时，回路中就会有电流存在，正常状态下，第一电阻r1两端电压表会有读数，且为定值。但当柴油机长时间工作时，部分轴瓦发生疲劳磨损，曲轴32和轴瓦31 之间会发生微凸峰接触，即第一电阻r1被短路，则第一电阻r1两端电压表没有读数(电压为0)，则此时柴油机滑动轴承工作状态恶劣。
42.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，通常包含有多档滑动轴承，单纯依靠某一个时刻的接触电势信号并不能确切知道是哪一档滑动轴承发生了磨损。然而柴油机的气缸是有做功顺序的，以第一缸做功为起点，其他各缸按照一定的曲轴转角规律依次做功。这样如果将第一缸的发火做功作为零时刻，就可以通过曲轴转角的累加量来确定其他任一缸的做功时刻。由于做功时刻对滑动轴承的冲击最大，曲轴与轴瓦最容易接触，滑动轴承的磨损在此时特征最为明显。由于曲轴转角和接触电势信号都能以时间作参照，这样以时间作为桥梁，就能找到异常接触电势信号所对应的缸位，以及可能发生磨损故障的滑动轴承。本实用新型通过在信号引出装置20上设置编码器24，作为角标信号输出装置，接入曲轴转角信号处理电路，曲轴转角信号处理电路对编码器24传送来的曲轴转角信号进行处理，将曲轴转角信号转化为数字信号。
43.船用柴油机轴系滑动轴承包括主轴承和连杆大端轴承，针对轴系滑动轴承的工作过程，其主轴承受到相邻2个气缸的影响，故主轴承发生故障时会有2 个凹谷(参见图4中的4-3)，而连杆大端轴承只受到对应气缸影响，故发生接触时只有一个凹谷(参见图4中的4-2)。因此，本装置能够区分主轴承故障和连杆大端轴承故障。
44.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
45.上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。