船舶柴油機軸承損壞程序評估系統(tǒng)設(shè)計

孫長飛，冉雪峰，惠 節(jié)，劉昭亮

(1.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211170；2.中國船級社實業(yè)有限公司大連分公司，遼寧 大連 116001)

0 引言

船舶柴油機動力系統(tǒng)主要由氣缸、活塞、曲軸、軸承、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等組成，其中，柴油機的軸承是核心零部件之一，軸承是連接柴油機旋轉(zhuǎn)運動部件和固定支撐部件的零部件，不僅承載著來自曲軸的多自由度載荷，也承載著氣缸、活塞等往復(fù)運動產(chǎn)生的作用力。同時，軸承也是一種易損件易耗件，在周期性的載荷作用下，軸承內(nèi)外圈很容易產(chǎn)生摩擦生熱和磨損。一旦柴油機的主軸承出現(xiàn)故障，則整個船舶柴油機動力系統(tǒng)就會停機，影響船舶的正常運行。因此，研究船舶柴油機軸承的工作特性，提高柴油機軸承的可靠性非常重要。

通常，船舶領(lǐng)域的柴油機動力系統(tǒng)可靠性研究主要有2 種，分別是數(shù)值模擬和工程測試，其中，工程測試需要消耗大量的人力物力成本，開發(fā)周期長，成本較高。數(shù)值模擬是基于計算機軟件進(jìn)行船舶柴油機的仿真研究，能夠有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

本文研究的方向是建立一種船舶柴油機軸承損壞程序評估系統(tǒng)，目標(biāo)在于對船舶柴油機軸承的工作狀態(tài)進(jìn)行在線式的監(jiān)測，一旦出現(xiàn)軸承故障，可以立刻進(jìn)行診斷和維護(hù)。

1 艦船柴油機軸承結(jié)構(gòu)及動力學(xué)特性評估

柴油機軸承的主要功能是承載船舶的主軸，基本示意圖如圖1 所示。

如圖所示，船舶多缸柴油機系統(tǒng)的主軸承與曲軸是一個相互耦合的系統(tǒng)，曲軸做周期性的不規(guī)則曲線運動，曲軸、連桿運動過程中產(chǎn)生的載荷直接作用于軸承表面，因此，柴油機主軸承的可靠性直接決定了整個柴油機系統(tǒng)的可靠性[1]。

從柴油機主軸承的動力學(xué)特性方面入手，建立柴油機主軸承的動力學(xué)模型。通過分析可知，柴油機主軸承同時受到多種運動慣性力和力矩，包括曲軸彎矩、氣缸彎矩、氣缸作用力、支撐力等，拆解如下：

1）曲軸彎矩

曲軸彎矩是柴油機主軸承承受最大的載荷，求解曲軸彎矩時需假定柴油機為一個當(dāng)量系統(tǒng)，建立系統(tǒng)的扭矩方程為：

其中：M0為當(dāng)量系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩；M1為曲軸的負(fù)載扭矩；J0為曲軸的轉(zhuǎn)動慣量；主軸承承受的彎矩按下式計算：

式中：Hg為柴油的燃燒熱值；n0為柴油機軸承個數(shù)。

2）氣缸作用力和力矩

首先建立柴油機氣缸曲柄滑塊的數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

圖2 柴油機氣缸曲柄滑塊的數(shù)學(xué)模型Fig.2 Mathematical model of crank slider of diesel engine cylinder

柴油機活塞的位置為：

則氣缸的容積計算為：

其中：d為氣缸直徑；s為氣缸沖程；r為曲柄的臂長；α為轉(zhuǎn)動角度；l為連桿長度。

假定容積V1已知，如下式：

氣缸內(nèi)部燃燒過程的質(zhì)量方程為：

式中：m1為此時的柴油質(zhì)量；p1為氣缸內(nèi)部壓力；Rg為氣體壓力常數(shù)。

氣缸作用于柴油機主軸承的作用力按下式計算：

其中：V2，V1為氣缸一個沖程下的起始體積和終止體積；k為氣體的壓縮比[2]。

主軸承受到的氣缸轉(zhuǎn)矩為：

式中：λ為扭矩系數(shù)，λ=0.76。

建立柴油機主軸承的受力分析示意圖如圖3 所示。

圖3 柴油機主軸承的受力分析示意圖Fig.3 Stress analysis diagram of diesel engine main bearing

根據(jù)受力分析示意圖，可將柴油機主軸承受到的外力和力矩進(jìn)行合并簡化，建立合力矩和合力方程如下：

式中：Ti為軸承所受的扭矩；Fi為軸承所受的作用力。

2 船舶柴油機軸承損壞程序評估系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)

2.1 柴油機軸承損壞評估系統(tǒng)的整體設(shè)計

本文結(jié)合嵌入式ARM 控制技術(shù)設(shè)計船舶柴油機軸承損壞評估和監(jiān)測系統(tǒng)，所實現(xiàn)的基本功能包括：

1）硬件層

硬件層是基于嵌入式的船舶柴油機軸承損壞評估和監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由嵌入式集成芯片、數(shù)據(jù)接口、存儲器、軸承損壞監(jiān)測傳感器、flash 和集成電路等組成，采用振動信號監(jiān)測傳感器、溫度傳感器等設(shè)備采集船舶柴油機軸承的性能參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)接口傳輸至評估系統(tǒng)的其他模塊。

2）中間層

是評估系統(tǒng)的硬件抽象層，包括BootLoader[3]等模塊，負(fù)責(zé)硬件層與軟件層之間的數(shù)據(jù)傳輸。

3）軟件層

軟件層主要包括傳感器程序、系統(tǒng)的應(yīng)用程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、接口程序等，是船舶柴油機軸承損壞評估和監(jiān)測系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵，同時，軟件層集成了知識庫技術(shù)，能夠針對柴油機軸承的故障類型進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索，提高軸承故障診斷的精度。

圖4 為船舶柴油機軸承損壞評估和監(jiān)測系統(tǒng)原理圖。

圖4 船舶柴油機軸承損壞評估和監(jiān)測系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of marine diesel engine bearing damage assessment and monitoring system

2.2 柴油機軸承損壞評估系統(tǒng)的軟件設(shè)計

柴油機軸承一旦發(fā)生故障，比如磨損、斷裂等，最顯著的故障信號為振動信號，因此，針對柴油機軸承的振動信號處理，本節(jié)建立軟件程序如圖5 所示。

圖5 柴油機軸承振動信號處理流程圖Fig.5 Flow chart of diesel engine bearing vibration signal processing

柴油機軸承振動信號處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括：

l）振動信號采集

使用加速度傳感器采集柴油機軸承的振動激勵源信號，需要注意加速度傳感器的測點需要覆蓋柴油機軸承的內(nèi)外圈等關(guān)鍵部件。

2）信號編譯

對采集的振動信號進(jìn)行時頻域分析、濾波等，提升信號的準(zhǔn)確性。

3）軸承的狀態(tài)評估和結(jié)果輸出

提取振動特征信息，結(jié)合數(shù)據(jù)庫進(jìn)行軸承損壞狀態(tài)的評估，并輸出故障解決的方案。

本文以某船舶大功率柴油機軸承為例，在Matlab 中進(jìn)行了軸承磨損程度的仿真，采用的柴油機及軸承參數(shù)如表1 所示。

表1 柴油機及軸承參數(shù)表Tab.1 Parameters of diesel engine and bearing

在Matlab 中按表中參數(shù)設(shè)置，得到柴油機主軸承在曲軸和氣缸載荷下的柴油機軸承內(nèi)外圈偏心率如圖6 所示。

圖6 載荷下的柴油機軸承內(nèi)外圈偏心率Fig.6 Eccentricity of inner and outer rings of diesel engine bearing under load

3 結(jié)語

柴油機軸承的可靠性直接決定了整個動力系統(tǒng)的壽命，本文基于柴油機主軸承的力學(xué)特性，結(jié)合嵌入式ARM 控制技術(shù)設(shè)計了船舶柴油機軸承損壞評估和監(jiān)測系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了開發(fā)過程。