履帶推土機(jī)發(fā)動機(jī)曲軸軸向位移和徑向振動測量裝置

孫常勇

（華能伊敏煤電有限責(zé)任公司伊敏露天礦，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021130）

0 引言

履帶推土機(jī)在長時間作業(yè)運(yùn)行中存在突發(fā)故障，在發(fā)動機(jī)長期工作后，曲軸軸瓦磨損間隙增大、止推環(huán)磨損，導(dǎo)致曲軸軸向間隙增大產(chǎn)生竄動，加劇發(fā)動機(jī)故障發(fā)生，給檢修工作帶來很大不便。由于軸向竄動間隙較小時，發(fā)動機(jī)沒有明顯變化，設(shè)備作業(yè)時各部噪音較大，司機(jī)受影響很難聽到和看到有變化。發(fā)動機(jī)在配氣機(jī)構(gòu)故障時異響不易察覺，發(fā)動機(jī)曲軸、凸輪軸在徑向振動方面會體現(xiàn)出來，雖然不是很明顯但會加劇發(fā)動機(jī)故障發(fā)生。變扭器內(nèi)部軸承磨損導(dǎo)致泵輪、導(dǎo)輪、渦輪不同程度磨損，會產(chǎn)生軸向的推動力推著曲軸沿軸向運(yùn)動，加劇了曲軸止推環(huán)的磨損，最終導(dǎo)致曲軸撞擊斷裂。加裝發(fā)動機(jī)曲軸軸向位移、徑向振動測量裝置，會及時檢測數(shù)據(jù)，從而對相關(guān)部位進(jìn)行檢查，提前發(fā)現(xiàn)并解決問題，避免發(fā)動機(jī)故障擴(kuò)大，此裝置還可以用來監(jiān)測發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、齒輪分動箱、傳動軸等較大旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的徑向振動、軸向位移或轉(zhuǎn)速或偏心等，進(jìn)行觀測和機(jī)械裝置的安全保護(hù)。

1 設(shè)備概況

履帶推土機(jī)是露天礦生產(chǎn)輔助設(shè)備之一，長期在惡劣環(huán)境下生產(chǎn)作業(yè)，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)超時運(yùn)行。為了能使履帶推土機(jī)發(fā)動機(jī)和其他零部件更好發(fā)揮作用，降低發(fā)動機(jī)故障。決定在發(fā)動機(jī)曲軸前端加裝軸向位移、徑向振動的測量裝置。提前預(yù)測發(fā)動機(jī)機(jī)械故障，方便司機(jī)與檢修人員確認(rèn)故障部位及分析機(jī)械損壞的程度。避免和預(yù)防發(fā)動機(jī)較大機(jī)械故障的發(fā)生，為設(shè)備長期穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

2 技術(shù)改造路線

第一步：在D10T 推土機(jī)現(xiàn)有的顧問系統(tǒng)增加一部顯示器或開發(fā)板顯示器，將電渦流位移傳感器傳輸?shù)男盘柹蓴?shù)字形式來顯示曲軸的位移距離。

第二步：C27 發(fā)動機(jī)前端曲軸硅油減震器前端上部加裝不銹鋼板支架，固定在發(fā)動機(jī)前殼體上；在不銹鋼板支架上加工帶螺紋的通孔來安裝傳感器，采用帶鎧裝的延伸電纜連接前置放大器；前置放大器集中安裝在機(jī)器的同一側(cè)，實(shí)現(xiàn)對曲軸軸向位移與徑向振動的測量。

2.1 電渦流傳感器的選擇

電渦流傳感器測量原理是法拉第電磁感應(yīng)定律與楞茲定律相結(jié)合的測量裝置。

（1）電渦流需要選擇導(dǎo)電的材料才可以形成。為傳感器線圈輸入交變電流，這時就在傳感器內(nèi)部線圈的邊緣形成了一個磁場空間。如果這時導(dǎo)電的材料進(jìn)入到這個磁場空間，導(dǎo)電的材料會產(chǎn)生電渦流。被測硅油減震器端面的電渦流磁場方向與傳感器線圈的磁場相反，從而改變了傳感器內(nèi)部線圈產(chǎn)生的阻抗值，重要的是阻抗值的變化同線圈和要被測量的硅油減震器端面的間距相關(guān)。

（2）將收集的信號經(jīng)前置放大器輸送至控制器儀表。電渦流傳感器是以獲取電壓值的變化量為依據(jù)從而算出被測硅油減震器與傳感器的軸向距離。

電渦流測量的優(yōu)點(diǎn)是能測量所有具有導(dǎo)電特性的材料，而且是可以透過絕緣體測量的，即使硅油減震器或其他旋轉(zhuǎn)部件的表面覆蓋一層油漆，也可成為電渦流傳感器的被測物。電渦流傳感器特別的圈式繞組設(shè)計加之外形極致緊湊，才能滿足在設(shè)備發(fā)動機(jī)工作時的高溫環(huán)境下進(jìn)行測量。

2.2 對測量結(jié)果產(chǎn)生影響的因素

2.2.1 減震器端面光潔度

曲軸硅油硅油減震器端面與傳感器相對，硅油硅油減震器端面光潔程度直接會影響到測量結(jié)果，特別是對曲軸的徑向振動測量，表面油漆噴涂不光滑有凹凸處，這時測量的信號誤差與曲軸工作中實(shí)際產(chǎn)生的振動信號疊加。由于疊加信號在控制器內(nèi)無法正確識別，所以被測曲軸硅油減震器軸向與徑向表面實(shí)際的測量中會帶來較大的誤差，因此要把硅油減震器的上端面與前端面使用拋光棉進(jìn)行光潔處理，確保修復(fù)處理好劃痕、空洞、凸凹、溝槽等缺陷。對于振動測量被測曲軸硅油減震器上端面粗糙度要求在0.4～0.8 μm。對于位移測量被測曲軸硅油減震器前端面粗糙度表面粗糙度要求在0.4～1.6 μm。發(fā)動機(jī)曲軸硅油減震器被測兩處端面光潔后達(dá)到傳感器所需要的粗糙度。

2.2.2 被測物體材料

電渦流傳感器測量的靈敏度與被測曲軸硅油減震器自身的電阻率、導(dǎo)磁率相關(guān)。曲軸硅油減震器是導(dǎo)磁材料，45#鋼和結(jié)構(gòu)鋼等同時存在磁效應(yīng)和渦流效應(yīng)，這兩種效應(yīng)相反，會抵消部分渦流效應(yīng)、降低電渦流傳感器靈敏度。如果被測量物體是非導(dǎo)磁或者是較弱的導(dǎo)磁材料（如銅、鋁、合金鋼）時，磁效應(yīng)就弱相對渦流效應(yīng)會增強(qiáng)，電渦流傳感器的靈敏度就會升高，如45#鋼的介電強(qiáng)度為8.2 V/mm 而40CrMo 鋼的為8.0 V/mm。由于大多數(shù)設(shè)備的轉(zhuǎn)軸材料是40CrMo 或與之接近的材料，因此電渦流傳感器整個系統(tǒng)采用40CrMo 材料去做出廠調(diào)試和校準(zhǔn)，能夠適合大多數(shù)的測量對象。但是設(shè)備曲軸硅油減震器材料選用40CrMo 比較適合，可以保證測量的準(zhǔn)確性。

2.2.3 數(shù)據(jù)傳輸高頻同軸電纜和外界磁場

高頻同軸電纜也是影響電渦流傳感器電氣性能的一個主要原因。由于傳感器工作在高頻狀態(tài)振蕩頻率約1 MHz，所以高頻同軸電纜的頻率衰減、溫度特性、阻抗、長度等都會影響傳感器性能。因此，電渦流位移傳感器高頻同軸電纜不能互換。電渦流傳感器是電感式電渦流效應(yīng)原理，因此對于發(fā)動機(jī)本身和周邊部件所產(chǎn)生的磁場影響，必須在設(shè)備發(fā)動機(jī)曲軸軸向位移、徑向振動測量中充分給予考慮。較強(qiáng)的外界磁場一定會影響傳感器的性能。當(dāng)外界靜磁場強(qiáng)度一定時，靜磁場方向與渦流磁場可能呈現(xiàn)各種狀況，而一旦外界靜磁場方向確定，其對渦流磁場的干擾也就是一定的。所以在實(shí)際的曲軸軸向位移和徑向振動測量中，靜磁場的影響可以通過現(xiàn)場的試驗去測量傳感器靈敏度的變化，通過后續(xù)電路或軟件算法排除。對于外界交變磁場，如發(fā)電機(jī)、啟動機(jī)等，其磁場方向和強(qiáng)度可能不是一個確定的值，針對發(fā)動機(jī)附屬零部件存在一定的交變磁場，一般采取磁場屏蔽措施來減小影響。

2.2.4 電渦流傳感器性能

電渦流傳感器殼體用于連接和固定傳感器頭部，殼體采用不銹鋼制成，上面刻有標(biāo)準(zhǔn)螺紋，并備有鎖緊螺母。為了能適應(yīng)不同的設(shè)備應(yīng)用和安裝位置，傳感器殼體具有不同的形式和不同的螺紋及尺寸規(guī)格。前置放大器是整個傳感器測量系統(tǒng)中信號轉(zhuǎn)換處理中心：前置放大器也同時為傳感器的線圈提供高頻交流激勵電流保證電渦流傳感器正常的測量工作所需；前置放大器器經(jīng)過內(nèi)部特殊電路感應(yīng)出傳感器頭部與曲軸硅油減震器端面之間間隙的變化，內(nèi)部處理后生成了隨間隙線性變化而變化的電壓或電流輸出信號。選用ML33 系列前置放大器A 型，外殼適合軸向位移、徑向振動測量裝置的安裝。

安裝傳感器時，要確定傳感器的線性測量范圍與被測量間隙的變化量，當(dāng)被測量間隙變化量與傳感器的線性工作范圍接近時，就要注意在選型時應(yīng)使所選的傳感器線性范圍大于被測間隙的15%以上。通常：測量曲軸振動時，將傳感器與曲軸硅油減震器上端的間隙調(diào)整到傳感器線性中點(diǎn)；測量曲軸位移時，根據(jù)曲軸位移方向變化量較大一側(cè)來決定安裝間隙同時要固定鎖緊傳感器。當(dāng)曲軸軸向位移遠(yuǎn)離傳感器端部的方向有變化時，安裝所需間隙應(yīng)設(shè)定在線性近端，反之則應(yīng)設(shè)定在線性遠(yuǎn)端。調(diào)整傳感器安裝間隙可以采用下列方法。

2.2.4.1 電渦流傳感器的性能及連接

應(yīng)根據(jù)發(fā)動機(jī)曲軸硅油減震器測量位置及量程、曲軸硅油減震器前后空間尺寸、最主要的測量硅油減震器材料特性等，來選擇合適的電渦流傳感器。首先檢查電渦流傳感器的外觀完好成度、確保電渦流傳感器探頭直徑與前置放大器型號中所要求的傳感器相同、電渦流傳感器后端的電纜長度加上延伸部分要符合前置放大器對電纜長度上的要求。選擇合適的電渦流傳感器組合各部分形成閉環(huán)，使用開關(guān)電源24 V 直流供電重新校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時要特別關(guān)注校準(zhǔn)的材料是否與曲軸硅油減震器的材料一致或成分相近。

（1）在發(fā)動機(jī)前端蓋上預(yù)留的螺栓絲扣上安裝傳感器支撐架固定電渦流傳感器，如果在發(fā)動機(jī)內(nèi)部安裝電渦流傳感器，需要在支撐架上兩側(cè)使用螺母和止退墊片進(jìn)行鎖固；如果在發(fā)動機(jī)外部安裝傳感器，需在測量位置的機(jī)殼上面加工帶螺紋的通孔。

（2）緊固安裝傳感器支撐架到發(fā)動機(jī)前端蓋。外部安裝傳感器，先將傳感器安裝緊固在傳感器支撐架上并鎖緊要保證傳感器牢靠，再將傳感器支撐架緊固到發(fā)動機(jī)前端蓋安裝螺孔內(nèi)。

（3）被測表面要微調(diào)調(diào)整傳感器與硅油硅油減震器前端的相對間隙。根據(jù)不同的用途，電渦流傳感器的初始安裝間隙也有不同的要求。

（4）間隙調(diào)整后緊固傳感器。對于機(jī)器內(nèi)部安裝傳感器，如果是使用角鋼做支撐架必須用兩個螺母去背緊，使用夾塊就用緊固螺釘鎖緊固定；對于機(jī)器外部安裝傳感器，就緊固外部安裝支撐架。所有緊固的螺釘、螺母都應(yīng)加止退墊圈防止傳感器松動改變測量精度。

2.2.4.2 連接及安裝的注意事項

將電渦流傳感器、延伸電纜、前置放大器、系統(tǒng)電源全面建立連接，使用多用表電壓檔觀測前置放大器的輸出信號，同時來調(diào)整電渦流傳感器與被測曲軸硅油硅油減震器端面的間隙，當(dāng)前置放大器的輸出信號電壓等于安裝間隙所對應(yīng)的電壓或電流時，該值可由傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)單中查到，通過測量前置放大器輸出電壓值來確定電渦流傳感器的安裝間隙。需要注意的是，該顯示結(jié)果有時會產(chǎn)生一種假象：當(dāng)電渦流傳感器的探頭部分未完全露出安裝通孔時，被安裝通孔周圍的金屬影響，可能會使前置放大器的輸出等于安裝間隙所對應(yīng)的電壓或電流輸出值。

傳感器調(diào)整到正確的安裝位置，前置放大器的輸出應(yīng)該是：首先是較大的飽和輸出（此時傳感器還未放入安裝通孔中），然后是較小的輸出（此時傳感器放進(jìn)安裝通孔內(nèi)），繼續(xù)將傳感器塞進(jìn)安裝通孔，前置發(fā)大器的輸出會變?yōu)樽畲蟮妮敵觯ù藭r傳感器頭部露出安裝通孔，但與被測面的間隙較大），再繼續(xù)塞入傳感器，只有當(dāng)前置放大器的輸出等于安裝間隙相對應(yīng)的值，傳感器才是正確的安裝間隙。

2.2.4.3 延伸電纜

延伸電纜是連接傳感器與前置放大器的關(guān)鍵部件、也是影響傳感器性能的主要因素之一。安裝延伸電纜應(yīng)該保證在高溫振動的工作環(huán)境中不容易受到損傷。盡量采用線管道鋪設(shè)或帶外層保護(hù)套和鎧甲的延伸電纜。電纜過長不能隨意剪斷，否則可能造成傳感器嚴(yán)重超差或不能正常工作。

（1）在盤放延伸電纜，由于其材料關(guān)系，應(yīng)避免因盤放半徑過小而導(dǎo)致電纜折斷。

（2）在選型時，應(yīng)保證延伸電纜的長度加傳感器電纜的長度之和大于傳感器安裝處到前置放大器安裝處的距離，前置放大器是集中安裝在發(fā)動機(jī)的同一側(cè)。

（3）電纜轉(zhuǎn)接頭和延伸電纜、傳感器電纜的接頭是與信號“地”相連的，而且不具有密封性。為了避免連接處進(jìn)行絕緣保護(hù)，使用絕緣熱縮管包裹外部穿線管隔離固定。不適用電工膠帶來絕緣傳感器接頭，降低粘性物污染傳感器，確保傳感器清潔無污。

3 改造效果

安裝此裝置是一個實(shí)驗與改變的過程，加裝傳感器后改變?nèi)藶榈臋z測。用傳感器來檢測發(fā)動機(jī)曲軸的軸向位移與徑向跳動。去觀看數(shù)據(jù)決定機(jī)械是否存在故障，曲軸軸向間隙微弱的變化直接暴漏在司機(jī)或修理人員面前，使他們第一時間發(fā)現(xiàn)問題并去解決問題，避免發(fā)動機(jī)發(fā)生嚴(yán)重機(jī)械故障，達(dá)到了預(yù)防性檢修效果。

4 總結(jié)

伊敏露天礦近幾年提倡科技興安鼓勵大家技術(shù)創(chuàng)新，不斷去研發(fā)、去創(chuàng)新，把好的技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)工作中，采用電渦流測量為礦廠工程機(jī)械設(shè)備探索一條新的檢測方法，去完善并發(fā)展。對礦現(xiàn)有的工程設(shè)備和其他主體設(shè)備的維修與故障預(yù)防具有示范和深遠(yuǎn)的推廣意義。