基于缸套測溫技術(shù)的柴油機(jī)早期拉缸故障診斷

盧浩宇，底 柯，張函橋，劉 浩，張茂勝

(1. 船舶與海洋工程動(dòng)力系統(tǒng)國家工程實(shí)驗(yàn)室，上海 201108; 2. 中國船舶集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108)

0 引 言

隨著柴油機(jī)領(lǐng)域各項(xiàng)技術(shù)的日益成熟，船舶柴油機(jī)性能不斷提高，逐步向大功率、高密度、強(qiáng)增壓領(lǐng)域發(fā)展[1]。其功率的提高必然會對柴油機(jī)可靠性產(chǎn)生較大影響，活塞環(huán)-缸套組件工作環(huán)境更加嚴(yán)苛，柴油機(jī)拉缸故障的發(fā)生也更加頻發(fā)，危害程度逐漸增大[2-4]。開展柴油機(jī)拉缸故障的診斷技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)拉缸故障的及時(shí)預(yù)警，可以降低拉缸故障的各項(xiàng)危害，對于柴油機(jī)研發(fā)應(yīng)用而言有著重要意義。

不同于振動(dòng)、聲發(fā)射、油液分析等傳統(tǒng)的故障診斷手段，研究從柴油機(jī)缸套內(nèi)壁局部溫度的瞬態(tài)響應(yīng)變化入手，開展基于缸套測溫技術(shù)的柴油機(jī)拉缸故障診斷技術(shù)研究。缸套測溫技術(shù)是基于傳統(tǒng)熱電偶法測溫原理[5]，對柴油機(jī)缸套表面溫度進(jìn)行在線監(jiān)測的一種測溫技術(shù)。其作為缸內(nèi)熱負(fù)荷的有效研究手段，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣為研究。Assanis D N, Bnana G L[6-7]等人在1991年利用熱電偶測溫法對活塞進(jìn)行了專項(xiàng)溫度場測試，但受限于活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)對熱電偶導(dǎo)線金屬疲勞強(qiáng)度的影響，其使用壽命有待提高。Shohei Mikami等人[8]于2010年采用熱電偶測溫法對缸蓋火力面的溫度分布情況進(jìn)行了測試，有效測得了高低負(fù)荷狀態(tài)下的缸蓋火力面的溫度變化情況。近年來，國內(nèi)學(xué)者也開展了相關(guān)研究工作。2015年山東大學(xué)豐程嵐[9]對雙對置式發(fā)動(dòng)機(jī)缸套采取壁面打孔的方法進(jìn)行了不同工況點(diǎn)下的溫度場測量，基于測量結(jié)果完成該發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)改進(jìn)方案。2018年沙朋朋等[10]人設(shè)計(jì)了共極三電偶組合件，完成了共極三電偶熱響應(yīng)時(shí)間常數(shù)的測量，其測試結(jié)果達(dá)到了航空發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場穩(wěn)態(tài)測試指標(biāo)。2018華中科技大學(xué)王浩等人以ZS1100柴油機(jī)為研究對象[11]采用熱電偶測溫法，完成了不同工況下的濕式缸套溫度測試。柴油機(jī)領(lǐng)域熱電偶測溫技術(shù)的應(yīng)用為缸套測溫技術(shù)發(fā)展提供了充分的研究基礎(chǔ)。

缸套測溫技術(shù)的理論與試驗(yàn)研究雖然已經(jīng)取得諸多進(jìn)展，但多用于缸套熱負(fù)荷耦合傳熱領(lǐng)域，在故障監(jiān)測領(lǐng)域的研究較少。為了實(shí)現(xiàn)船用柴油機(jī)的早期拉缸故障監(jiān)測，將缸套測溫技術(shù)引入拉缸故障診斷領(lǐng)域，開展基于缸套測溫技術(shù)的拉缸故障診斷研究。

1 拉缸故障診斷原理

1.1 拉缸故障機(jī)理及其診斷原理

船用柴油機(jī)拉缸故障發(fā)生前，缸套內(nèi)表面局部摩擦產(chǎn)熱溫度高于滑油承載的極限溫度，活塞環(huán)-缸套摩擦副間邊界潤滑油膜分解破裂失去保護(hù)作用。在極高的正壓力作用下，摩擦副局部表面發(fā)生微凸體接觸[12]，如圖1所示。

圖1 活塞環(huán)-缸套摩擦副工作示意

此時(shí)，活塞環(huán)-缸套摩擦副間處于極限邊界潤滑狀態(tài)，摩擦副間的傳熱主要以微凸體接觸傳熱、局部油膜和缸套內(nèi)壁接觸傳熱為主。傳熱模型為：

式中：q1——摩擦副接觸間隙的總熱量；

q2——潤滑油膜傳遞熱量；

q3——微凸體間傳熱量；

λ1、 λ2——潤滑油和固體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)；

r1——粗糙度接觸比；

h——平均油膜厚度；

A——潤滑油填充率；

ΔT（x）——油固邊界的溫度差；

x——固體邊界某一點(diǎn)到油固交界的距離；

ΔT0——潤滑油與結(jié)構(gòu)溫差；

S1——固體邊界等效厚度。

由公式（1）～（3）可知，邊界潤滑初期，活塞環(huán)-缸套摩擦副間傳熱包括潤滑油膜傳熱和部分微凸體傳熱。由于潤滑油膜的存在，結(jié)合公式(4)可知，各工況點(diǎn)缸套軸向內(nèi)整體受熱穩(wěn)定。

當(dāng)異常摩擦出現(xiàn)或活塞環(huán)過度膨脹擠壓時(shí)，摩擦副間局部微凸體接觸異常增大。隨著摩擦副間的高速運(yùn)動(dòng)，油膜厚度的逐漸降低，干摩擦產(chǎn)生大量摩擦熱。缸套局部表面溫度因微凸體傳熱急劇升高，超過表層金屬熔點(diǎn)時(shí)，會引起缸套內(nèi)表面發(fā)生微觀融化、黏著、撕裂，隨著活塞高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，缸套內(nèi)壁局部網(wǎng)紋織構(gòu)反復(fù)撕裂，從而發(fā)生拉缸現(xiàn)象。當(dāng)拉缸故障發(fā)生時(shí)，突增的熱量被缸套表面溫度傳感器測得，實(shí)現(xiàn)拉缸故障的診斷監(jiān)測。拉缸故障嚴(yán)重時(shí)，缸套表面織構(gòu)網(wǎng)紋遭到大面積破壞，活塞環(huán)和缸套表面間隙增加，隨著高溫燃?xì)庀赂Z，曲軸箱油霧濃度隨之增大，因此油霧濃度探測器可進(jìn)行輔助監(jiān)測。拉缸故障的發(fā)生也將引起摩擦功耗增加，為達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，缸內(nèi)噴油量隨之增大，相應(yīng)的爆壓、排溫等熱工參數(shù)可出現(xiàn)局部變化。

1.2 故障診斷系統(tǒng)

研究基于熱電偶測溫技術(shù)，輔助結(jié)合油霧濃度監(jiān)測以及柴油機(jī)熱工參數(shù)的變化監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了拉故障診斷。診斷系統(tǒng)主要以缸套測溫方式為主，將熱電偶測溫元件（鎧裝熱電偶傳感器）的感溫端安裝固定在預(yù)留的缸套周向安裝孔中，熱電偶測溫補(bǔ)償導(dǎo)線經(jīng)密封后的安裝孔引出并接入機(jī)旁信號采集單元，采集到的信號實(shí)時(shí)傳遞到監(jiān)測設(shè)備中，診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2示。

圖2 缸套測溫技術(shù)的拉缸故障診斷系統(tǒng)示意圖

該缸套溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用缸套內(nèi)壁和信號采集單元不同材料的金屬作為電極組成閉合回路。采集端為冷端，處于相對穩(wěn)定溫度中。缸套內(nèi)壁為工作端，溫度隨摩擦傳熱改變。當(dāng)兩測量端溫度值不同時(shí)，兩種不同金屬間就會有電子運(yùn)動(dòng)形成電流，根據(jù)正負(fù)極導(dǎo)線屬性及電流的大小來實(shí)現(xiàn)缸套溫度信號的實(shí)時(shí)傳輸，缸套溫度信號采集后經(jīng)信號采集處理模塊發(fā)送至電腦接收單元，通過預(yù)設(shè)的監(jiān)測軟件實(shí)施監(jiān)測報(bào)警，實(shí)現(xiàn)拉缸故障的有效診斷。

2 故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 診斷系統(tǒng)安裝

以某型船用單缸柴油機(jī)試驗(yàn)平臺為基礎(chǔ)，分別布置安裝缸套測溫裝置和其它儀器設(shè)備開展故障診斷系統(tǒng)的試驗(yàn)研究工作。

考慮故障發(fā)生時(shí)拉痕位置不同，缸套內(nèi)壁傳熱變化不同，采取缸套外表面周向打孔4測點(diǎn)位置布置（相互間隔90°），將鎧裝熱電偶測溫傳感器安裝在相應(yīng)測點(diǎn)位置處。采用AVL公司的puma測控系統(tǒng)和OMEG1500型水力測功器用于柴油機(jī)控制和加載。在缸蓋表面打孔安裝kistler的缸壓傳感器、缸蓋排氣管出口安裝PT1000排溫傳感器、油底殼位置處同步安裝MMS公司的M23G油霧濃度探測設(shè)備，進(jìn)行拉缸故障發(fā)生時(shí)的多途徑對比分析研究，各測點(diǎn)安裝位置如圖3所示。

圖3 各主要測點(diǎn)傳感器安裝示意圖

2.2 診斷系統(tǒng)的監(jiān)測運(yùn)行

基于缸套測溫技術(shù)的診斷系統(tǒng)在某型船用單缸機(jī)試驗(yàn)平臺隨柴油機(jī)可靠性試驗(yàn)運(yùn)行情況如圖4所示。圖中橫標(biāo)為系統(tǒng)相對運(yùn)行時(shí)間，采樣頻率為1 Hz進(jìn)行長周期實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。從圖4可知，在試驗(yàn)邊界保持穩(wěn)定統(tǒng)一情況下（進(jìn)排氣、冷卻水、和滑油系統(tǒng)不變），柴油機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，缸套溫度整體趨勢穩(wěn)定，隨相應(yīng)負(fù)荷工況的增加而增加，負(fù)荷工況的降低而下降，二者呈正相關(guān)。

圖4 運(yùn)行工況間正常缸套溫度信號

進(jìn)一步分析可知，缸套測溫系統(tǒng)在穩(wěn)定工況間，缸套溫度測定的有效波動(dòng)范圍在2～3 ℃以內(nèi)，實(shí)時(shí)診斷精度較高。如圖4所示，柴油機(jī)在11 014 s降工況時(shí)，B2、B3、B5、B6等各測點(diǎn)溫度在 11 024 s左右隨之降低。因此，受燃燒傳熱影響，缸套溫度實(shí)際發(fā)生改變時(shí)，診斷監(jiān)測系統(tǒng)可在8～10 s內(nèi)迅速響應(yīng)，診斷響應(yīng)速率較高。

3 拉缸故障的診斷監(jiān)測

在某型船用單缸柴油機(jī)長期可靠性試驗(yàn)運(yùn)行期間，基于缸套測溫技術(shù)的故障診斷在線監(jiān)測系統(tǒng)對早期拉缸故障進(jìn)行了有效診斷。

圖5展示了兩次拉缸故障發(fā)生前后的缸套內(nèi)表面磨損變化情況，拉缸故障發(fā)生后缸套表面織構(gòu)網(wǎng)紋受到直接破壞。兩次故障前期均有維保拆檢，確保了缸套表面的完成性。由于拉缸時(shí)刻活塞環(huán)開口位置不同、活塞環(huán)桶面型線各點(diǎn)膨脹程度不同等的影響，兩次缸套表面磨痕狀態(tài)也不同。

圖5 拉缸前后缸套內(nèi)表面變化

3.1 一次拉缸故障診斷

3.1.1 缸套溫度信號變化

長周期可靠性運(yùn)行監(jiān)測試驗(yàn)一次拉缸故障發(fā)生前，缸套溫度整體趨勢變化平穩(wěn)，如圖6所示。圖6選取了異常故障發(fā)生前10 min左右的數(shù)據(jù)信息，可以看出試驗(yàn)間B3、B5點(diǎn)缸套溫度信號在工況穩(wěn)定運(yùn)行某時(shí)刻出現(xiàn)超高信號（超出預(yù)設(shè)報(bào)警值250 ℃）且持續(xù)升高現(xiàn)象，迅速采取降速停機(jī)措施，拆檢后發(fā)現(xiàn)缸套內(nèi)壁出現(xiàn)大面積異常拉磨如圖5（b）所示。

圖6 一次拉缸故障前后缸套溫度

分析可知，柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，缸套周向受熱狀態(tài)穩(wěn)定，各測點(diǎn)溫度變化趨勢平穩(wěn)。圖6比較同工況正常缸套溫度歷史數(shù)據(jù)可知，B3、B5點(diǎn)缸套溫度前期雖運(yùn)行平穩(wěn)，但整體溫度較高，達(dá)215 ℃以上，高于該工況正常狀態(tài)穩(wěn)定值（此單缸柴油機(jī)相同工況穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)各測點(diǎn)常規(guī)缸套溫度穩(wěn)定小于200 ℃）。后續(xù)拆檢發(fā)現(xiàn)，本次拉缸故障因活塞環(huán)反裝引起，因此初期運(yùn)行時(shí)缸套內(nèi)壁受活塞環(huán)反裝擠壓影響，摩擦副間隙間油膜更薄，缸套溫度更高，較易發(fā)生拉缸情況。當(dāng)摩擦副間異常摩擦增大后，局部摩擦熱急速增加，相鄰測點(diǎn)缸套溫度信號出現(xiàn)明顯升高現(xiàn)象，如圖6拉缸時(shí)B3、B5點(diǎn)所示。診斷系統(tǒng)缸套溫度信號B3、B5點(diǎn)在某刻60 s內(nèi)迅速升溫20 ℃以上，保持持續(xù)上升。隨著缸套網(wǎng)紋破壞程度的增加，該次拉缸時(shí)異常摩擦功耗相應(yīng)增大，為達(dá)到穩(wěn)定輸出功率，噴油量隨之增加，因而轉(zhuǎn)速有上升趨勢。

因此，同工況缸套當(dāng)缸套溫度兩點(diǎn)以上出現(xiàn)異常突升時(shí)，表征缸套進(jìn)入拉缸狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)采取停機(jī)檢查措施。缸套溫度無突變但持續(xù)遠(yuǎn)高于正常溫度時(shí)，也會表征活塞環(huán)-缸套摩擦副異常狀態(tài)的發(fā)生，此時(shí)應(yīng)停機(jī)排查。

3.1.2 其他參數(shù)變化

拉缸故障出現(xiàn)時(shí)，隨著活塞環(huán)-缸套摩擦副表面異常摩擦磨損增加，單缸柴油機(jī)排溫、爆壓等參數(shù)在一定程度上會出現(xiàn)相應(yīng)變化趨勢，一次拉缸故障發(fā)生前，排溫、爆壓參數(shù)變化如圖7所示，1 bar=0.1 MPa。

圖7 拉缸故障前熱功參數(shù)

圖7可以看出，與正常狀態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，相同工況下拉缸故障發(fā)生時(shí)排溫出現(xiàn)部分升高情況，爆壓無異常改變。

分析認(rèn)為，異常摩擦初期摩擦功耗開始增加，缸套溫度隨之變化，進(jìn)排氣不變的情況下，排溫和爆壓相對穩(wěn)定。當(dāng)拉缸狀態(tài)持續(xù)發(fā)展惡化時(shí)，如圖5(b)，活塞環(huán)-缸套間的摩擦功耗增加。為保持柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，故障缸內(nèi)噴油量短時(shí)間增加，燃燒持續(xù)期增加，因而缸套溫度和排溫隨之增大，爆壓相對穩(wěn)定。但排溫受進(jìn)排氣變化影響較大，僅可作為拉缸故障發(fā)生時(shí)的輔助判斷手段。

在第一次拉缸故障預(yù)警試驗(yàn)間，缸套溫度首先出現(xiàn)異常突升觸發(fā)預(yù)設(shè)報(bào)警值，采取人為降載停機(jī)過程中，油霧濃度探測設(shè)備出現(xiàn)報(bào)警現(xiàn)象，如圖8所示。其橫坐標(biāo)軸表示時(shí)間變化，縱坐標(biāo)軸表示油底殼局部空間內(nèi)的油霧濃度的量化指標(biāo)。正常狀態(tài)下，油霧濃度變化情況基本保持小于3 mg/L。該次報(bào)警時(shí)油霧濃度量化值高達(dá)50 mg/L以上，油霧濃度出現(xiàn)異常升高現(xiàn)象。分析認(rèn)為，在異常摩擦初期缸套局部網(wǎng)紋開始遭到破壞，此時(shí)活塞環(huán)-缸套摩擦副整體周向潤滑密封情況較好，磨損部附近缸套測點(diǎn)溫度開始升高，曲軸箱壓力較低。隨著拉缸程度的加深，摩擦副周向開始出現(xiàn)大面積磨損。缸套周向內(nèi)壁網(wǎng)紋大范圍遭到破壞，摩擦副間隙增大引起高溫燃?xì)庀赂Z，油底殼溫度急劇上升，滑油霧濃度異常增加，引起油霧濃度高報(bào)警。當(dāng)油底殼因曲軸箱壓力變大，油霧濃度增加時(shí)（如燒瓦抱軸故障）也會有異常突升現(xiàn)象。因而，活塞環(huán)-缸套摩擦副拉缸程度較輕時(shí)，油霧濃度無明顯改變。對于拉缸故障診斷而言，油霧濃度預(yù)警設(shè)備響應(yīng)時(shí)間低于缸套溫度監(jiān)測系統(tǒng)，油霧濃度報(bào)警可作為拉缸故障監(jiān)測的輔助監(jiān)測手段。

圖8 拉缸故障試驗(yàn)時(shí)油霧濃度情況

3.2 二次拉缸故障診斷

在某型單缸柴油機(jī)長周期可靠性試驗(yàn)間，第二次拉缸故障出現(xiàn)早期，缸套溫度在線監(jiān)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)了拉缸故障的有效診斷，診斷結(jié)果如圖9所示。由圖9中各負(fù)荷工況和缸套溫度變化可知，在可靠性試驗(yàn)前期運(yùn)行平穩(wěn)，缸套溫度隨負(fù)荷工況變化趨勢一致，呈正相關(guān)。100%工況穩(wěn)定運(yùn)行25 min左右時(shí)，缸套溫度B3、B5點(diǎn)60 s內(nèi)急升15 ℃左右，B2、B6測點(diǎn)升高約10 ℃。各測點(diǎn)保持急速上升趨勢，B3點(diǎn)迅速升高觸發(fā)預(yù)設(shè)250 ℃報(bào)警停機(jī)值后柴油機(jī)自帶停機(jī)，拆檢后發(fā)現(xiàn)缸套內(nèi)壁出現(xiàn)周向拉痕，拉痕情況如圖5（c）所示。

圖9 拉缸故障發(fā)生前后缸套溫度

結(jié)合滑動(dòng)摩擦副貧油潤滑時(shí)近壁面摩擦機(jī)理[13]分析可知：試驗(yàn)運(yùn)行前期，活塞環(huán)-缸套摩擦副摩擦潤滑受熱穩(wěn)定。當(dāng)異常摩擦出現(xiàn)時(shí)，缸套局部干摩擦表面熱軟化和加工硬化交替進(jìn)行，壁面組織晶體滑移（錯(cuò)位移動(dòng)）的突然發(fā)生，引起劇烈的塑性變形，且塑性變形變得不穩(wěn)定，如圖10所示[14]。

圖10 壁面組織結(jié)構(gòu)發(fā)生晶體滑移[14]

這種突然非穩(wěn)定的金屬組織層迅速變形表征了早期異常摩擦現(xiàn)象。

式中：C——摩擦副局部表面的熱容；

ρ——密度；

γ——該處剪切應(yīng)變；

τ——剪切應(yīng)力強(qiáng)度。

由式(7)可知，非穩(wěn)定的剪切應(yīng)力變化是造成缸套局部溫度升高的直接原因。

此次缸套溫度監(jiān)測系統(tǒng)在拉缸早期實(shí)現(xiàn)了及時(shí)診斷預(yù)警，缸套異常磨痕較輕，不影響缸套后期維護(hù)后的繼續(xù)使用。診斷過程中，油霧濃度監(jiān)測設(shè)備無報(bào)警響應(yīng)，因此缸套溫度在線診斷系統(tǒng)響應(yīng)速度高于油霧濃度探測設(shè)備。長周期可靠性試驗(yàn)間的拉缸故障在線監(jiān)測結(jié)果表明了缸套測溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)拉缸早期診斷的高效性。

4 結(jié)束語

本文以熱電偶缸套溫度監(jiān)測技術(shù)為基礎(chǔ)，從摩擦傳熱反映機(jī)理入手，將缸套測溫技術(shù)引入拉缸故障診斷領(lǐng)域，結(jié)合長周期可靠性試驗(yàn)間的狀態(tài)監(jiān)測，開展了基于缸套測溫技術(shù)的拉缸故障診斷試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了拉缸故障的高效診斷監(jiān)測。

1）缸套溫度在拉缸故障發(fā)生時(shí)響應(yīng)迅速，可在拉缸初期階段快速響應(yīng)，特征表征為局部測點(diǎn)溫度的短時(shí)內(nèi)的急速升高。

2）缸套溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的有效應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)拉缸故障的精確定位，快速識別，有效避免拉缸惡化引起的柴油機(jī)整體損傷，保護(hù)人員安全。

3）油霧濃度在缸套內(nèi)壁整體拉磨，燃?xì)庀赂Z時(shí)會快速升高，熱功參數(shù)中排氣溫度在拉缸嚴(yán)重時(shí)會出現(xiàn)溫度升高現(xiàn)象。因而，油霧濃度監(jiān)測系統(tǒng)和排溫監(jiān)測可作為拉缸故障的輔助預(yù)判手段。