朱軍，高紅亮，皮大能，詹習(xí)生，萬標(biāo)

(1.湖北師范大學(xué) 機(jī)電與控制工程學(xué)院，湖北 黃石 435002；2.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

作為船舶、重型汽車、大型客車、工程機(jī)械、發(fā)電機(jī)組等裝備的主要動力來源，柴油發(fā)動機(jī)工作時細(xì)微的柴油顆粒與高溫高壓的空氣混合形成可燃?xì)怏w瞬時燃燒，產(chǎn)生巨大的推力，對零部件的強(qiáng)度、剛度、耐磨性的要求較高。作為柴油機(jī)關(guān)鍵承載部件，滑動軸承工作時載荷大小和方向均呈周期變化，工作條件惡劣,其特點(diǎn)是平穩(wěn)可靠,無噪聲,滑動表面不直接接觸，大大減小了摩擦磨損，同時滑動油膜還具有一定的吸振能力。工作時軸頸與主軸瓦表面產(chǎn)生的應(yīng)力和變形影響油膜厚度，油膜厚度不同會使軸頸表面與軸瓦間的接觸形式不同。主軸頸表面與軸瓦潤滑形式主要有動壓潤滑、邊界潤滑、混合潤滑和干摩擦，后3種形式會造成磨損故障，導(dǎo)致與之相關(guān)聯(lián)的零部件損傷而發(fā)生事故[1]。因此，軸承磨損狀態(tài)是重要研究內(nèi)容之一。傳統(tǒng)的軸承磨損狀態(tài)檢測或監(jiān)測方法包括軸承間隙法、油液法、溫度法和振動法等[2-8]。由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械激勵源多，傳遞路徑復(fù)雜，信號相互干擾和信噪比低等原因，這些方法的工程應(yīng)用難度較大。國外已有基于熱電效應(yīng)的內(nèi)燃機(jī)軸承磨損狀態(tài)監(jiān)測法的相關(guān)研究，實(shí)現(xiàn)了熱電信號隨時間或曲軸轉(zhuǎn)角的線性和極坐標(biāo)顯示，摩擦位置和強(qiáng)度隨曲柄轉(zhuǎn)角變化的3D顯示，主軸承及連桿大端軸承的故障定位，在線監(jiān)測瞬時轉(zhuǎn)速分析燃燒發(fā)火異常等功能[9]。國內(nèi)關(guān)于熱電法的相關(guān)研究則較少，僅開展了相關(guān)的前期探索[10-11]。

鑒于此，現(xiàn)基于熱電效應(yīng)的柴油發(fā)動機(jī)滑動軸承磨損狀態(tài)試驗(yàn)，分析熱電法對于不同類型主軸承的適用性，不同氣缸位置主軸承熱電信號的可識別性，熱電信號波動幅值等特征參數(shù)與主軸承磨損程度的一致性，以期為熱電法監(jiān)測滑動主軸承磨損狀態(tài)的工程應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 軸承熱電效應(yīng)監(jiān)測原理

柴油機(jī)滑動軸承磨損熱電效應(yīng)監(jiān)測原理如圖1所示，通過測量曲軸與主軸承軸瓦(機(jī)座地)間的熱電勢差監(jiān)測主軸承的磨損狀態(tài)[10]。以6缸機(jī)6DK20型柴油機(jī)為例，當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)時，主軸頸、曲柄銷分別與7套主軸承、6套連桿大端軸承發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，軸承內(nèi)潤滑油膜的電阻使曲軸形成一個相對獨(dú)立的電勢體；另外，主軸承與機(jī)架緊密接觸形成等電位，連桿大端軸承與活塞銷(小端)軸承分別位于連桿兩端，其油膜將曲軸與活塞、活塞環(huán)、缸套(機(jī)架)隔開形成不同電位;同時潤滑油循環(huán)帶走熱量，使曲軸與主軸承、連桿軸承間存在溫差。當(dāng)主軸承內(nèi)存在金屬顆?；驖櫥湍げ环€(wěn)定時，其與曲軸主軸頸直接摩擦，而曲軸和軸瓦的材料不同，因此兩者間會產(chǎn)生熱電效應(yīng)和熱電勢。

圖1 6DK20型柴油機(jī)滑動軸承磨損熱電效應(yīng)監(jiān)測原理

發(fā)動機(jī)啟動時，軸頸與軸瓦間尚未完全建立油膜，軸頸與主軸承產(chǎn)生干摩擦，摩擦副溫度升高而產(chǎn)生熱電效應(yīng)。以發(fā)動機(jī)1#缸發(fā)火上止點(diǎn)為基準(zhǔn)測量熱電勢信號，將發(fā)火順序、曲軸轉(zhuǎn)角與熱電勢輸出信號相結(jié)合分析主軸承的磨損狀況。軸承熱電勢、曲柄轉(zhuǎn)角與發(fā)火順序關(guān)系圖如圖2所示，其中3#氣缸對應(yīng)360°，4#氣缸對應(yīng)720°。由圖可知，四沖程柴油機(jī)1個工作循環(huán)內(nèi)熱電勢信號與曲軸角度和不同發(fā)火缸主軸承位置呈一一對應(yīng)關(guān)系。柴油機(jī)軸頸-軸承間的摩擦越頻繁，軸承的溫升越快，其產(chǎn)生熱電勢的均值越大，峰值越高。利用熱電勢信號特征與軸承磨損狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)對滑動軸承磨損狀態(tài)的在線監(jiān)測。

圖2 熱電勢、曲柄轉(zhuǎn)角與發(fā)火順序關(guān)系圖

摩擦功耗的計(jì)算與熱電勢特征值密切相關(guān)。軸承的摩擦功耗主要來自于2個部分：一部分由軸頸-軸承剪切效應(yīng)產(chǎn)生,另一部分由軸頸旋轉(zhuǎn)時流體的阻尼作用產(chǎn)生。摩擦功耗產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致摩擦部位的溫度升高，使熱電勢的特征值發(fā)生變化。因此，瞬時摩擦功耗的計(jì)算對于校驗(yàn)熱電勢的變化規(guī)律十分重要。

4120SG型柴油機(jī)有4個氣缸5擋軸承，第3擋剛好處于正中間，受首、尾外部連接機(jī)構(gòu)影響較小，其摩擦功耗具有代表性意義。不同間隙下4120SG型柴油機(jī)(1 500 r/min、無載)第3擋軸承瞬時摩擦功耗如圖3所示。由圖可知，軸承間隙從0.1 mm增加到0.2 mm時，在發(fā)火位置(180°和540°曲柄轉(zhuǎn)角)的瞬時摩擦功耗有所增加，但增幅不大；軸承間隙增大到0.3 mm時，在發(fā)火位置的瞬時摩擦功耗急劇增加。這是由于軸承間隙過大，從間隙泄露的潤滑油量增加，潤滑油壓力迅速下降，此時建立持續(xù)的動壓潤滑較為困難，軸承磨損加劇，使瞬時摩擦功耗急劇增大。

圖3 不同間隙下軸承瞬時摩擦功耗

2 軸承的磨損試驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于熱電效應(yīng)的滑動軸承磨損監(jiān)測技術(shù)的普適性，探究熱電信號對于不同機(jī)型軸承的差異性，總結(jié)內(nèi)在的共通性，分別在4120SG型和6DK20型柴油機(jī)上進(jìn)行軸承磨損試驗(yàn)，分析不同工況下不同軸承磨損狀態(tài)的熱電信號。

2.1 試樣及設(shè)備

2.1.1 4120SG型柴油機(jī)主軸承參數(shù)及特點(diǎn)

4120SG型柴油機(jī)為直列式非增壓4缸機(jī)，額定功率44.1 kW，采用倒掛式滑動軸承，軸承蓋可拆卸。貫穿螺栓從下往上將軸承下蓋、軸承下瓦、主軸頸、上軸瓦固定在軸承座上。該軸承分上、下對半主軸瓦，上軸瓦有油槽，上軸瓦座與機(jī)身連成一體；下軸瓦無油槽，下軸瓦座可單獨(dú)拆卸。主軸瓦采用鋼背高錫鋁基薄壁型軸瓦，內(nèi)徑為95 mm,外徑為101 mm,與主軸頸裝配間隙為0.07～0.15 mm，基體材料為Iron_Cast_G25型鑄鐵，厚度為3 mm，其中含錫耐磨合金層厚度為0.3 mm。

2.1.2 6DK20型柴油機(jī)軸承參數(shù)及特點(diǎn)

6DK20型船用中速柴油機(jī)為直列式增壓6缸機(jī)，額定功率770 kW，也采用倒掛式滑動軸承?；瑒虞S承為懸掛式結(jié)構(gòu)，用2個緊固螺栓和2個側(cè)拉螺栓將其安裝在鑄鐵機(jī)座上。曲軸由鍛鋼整體鍛造而成，對軸頸及曲柄銷軸頸進(jìn)行淬火處理。軸承和曲柄銷軸承均由2片薄壁式軸瓦組成，軸瓦采用上下對開式結(jié)構(gòu)，上瓦有油槽，下瓦無油槽，由定位唇定位。軸頸直徑為200 mm，軸頸與軸承裝配間隙為0.13～0.22 mm，極限磨損間隙為0.3 mm，可調(diào)磨損余量為0.17 mm。軸瓦基體材料為Iron_Cast_G25型鑄鐵，瓦單側(cè)厚度5 mm，外表面鍍錫厚度為1～3 μm；曲軸材料為S/Steel_PH15-5型鉬合金鋼。

2.2 試驗(yàn)方法和條件

2種柴油機(jī)的試驗(yàn)條件分別見表1、表2。試驗(yàn)時按柴油機(jī)額定功率的百分比進(jìn)行加載，測定軸承在不同功率下的熱電效應(yīng)。每種工況下機(jī)器運(yùn)行5 min以上且達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后再采集信號。滑動軸承熱電監(jiān)測測試系統(tǒng)如圖4所示，其由熱電傳感器、磁電傳感器、氣缸壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)組成。以氣缸壓力、上止點(diǎn)為熱電信號的時間參照，以軸承溫度、瞬時轉(zhuǎn)速為分析輔助信號。試驗(yàn)時測量滑動軸承輸出熱電勢及溫度、氣缸壓力、上止點(diǎn)和瞬時轉(zhuǎn)速等信號，記錄機(jī)油、出水和排氣溫度以及機(jī)油壓力等常規(guī)參數(shù)。柴油機(jī)啟動前油泵將潤滑油輸送至各摩擦表面，隨轉(zhuǎn)速增加，潤滑油和水的溫度逐步升高，試驗(yàn)前先將柴油機(jī)在無載下運(yùn)行至轉(zhuǎn)速為720 r/min的穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 4120SG型柴油機(jī)試驗(yàn)條件

表2 6DK20型柴油機(jī)試驗(yàn)條件

圖4 滑動軸承熱電監(jiān)測測試系統(tǒng)

3 結(jié)果與分析

3.1 軸承的啟動過程

4120SG型柴油機(jī)軸承啟動階段熱電勢和氣缸壓力同步信號如圖5所示。由圖可知，在0～2.8 s時，啟動電動機(jī)驅(qū)動柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)，氣缸壓力開始波動，缸內(nèi)空氣開始往復(fù)的壓縮過程，此時燃油不斷噴入缸內(nèi)并與空氣混合形成可燃混合氣至可壓燃程度，測量的熱電勢信號電壓幅值逐漸從0附近的小幅波動變化為0～0.05 V間大幅跳動，這與軸承受到的氣體沖擊載荷逐漸增大有關(guān)；在1.4 s附近，熱電勢電壓幅值超過0.2 V，這是因?yàn)閱与A段軸承油膜尚未完全建立起來，曲軸和軸瓦間產(chǎn)生了接觸電動勢；隨著油膜逐漸建立，柴油機(jī)進(jìn)入穩(wěn)速運(yùn)轉(zhuǎn)(3.8 s時)階段，機(jī)帶潤滑油泵提供壓力基本恒定的潤滑油流過主軸承，這時熱電勢幅值明顯下降；但隨著柴油機(jī)氣缸的循環(huán)做功，軸承受到來自連桿、曲軸的往復(fù)沖擊而產(chǎn)生磨損，熱電勢信號也產(chǎn)生相對應(yīng)的跳躍。

圖5 4120SG型柴油機(jī)軸承啟動階段熱電勢與氣缸壓力同步信號

6DK20型柴油機(jī)軸承啟動階段熱電勢與氣缸壓力同步信號如圖6所示。由圖可知，1.5 s時，柴油機(jī)啟動后氣缸壓力出現(xiàn)第1個峰值，軸承熱電勢增大；在約3.6 s時，氣缸壓力突然跳躍，表明此時氣缸內(nèi)混合燃?xì)獍l(fā)生了劇烈爆燃，在1.5～3.6 s熱電勢逐漸增大；3.6 s后熱電勢幅值上升逐漸緩慢。對比圖5可以看出，6DK20型柴油機(jī)比4120SG型柴油機(jī)從啟動到正常工作經(jīng)歷的時間長，其熱電勢信號差異較大，前者逐漸上升，后者由雜亂跳躍再趨為平穩(wěn)。

圖6 6DK20型柴油機(jī)主軸承啟動階段熱電勢與氣缸壓力同步信號

3.2 軸承穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程

4120SG型柴油機(jī)軸承穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的熱電勢信號變化特征如圖7所示。從圖中可以看出，其氣缸壓力和熱電勢信號均呈較平穩(wěn)的周期性變化特征,柴油機(jī)1個工作循環(huán)720°曲軸轉(zhuǎn)角(約0.08 s)，熱電勢幅值從0起有4次向上躍起，對應(yīng)4缸柴油機(jī)的4次氣缸發(fā)火做功。

圖7 4120SG型柴油機(jī)主軸承穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的熱電勢信號變化特征

6DK20型柴油機(jī)軸承穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的熱電勢信號變化特征如圖8所示。從圖中可以看出，氣缸壓力和熱電勢信號同樣呈平穩(wěn)的周期性變化特征,柴油機(jī)1個工作循環(huán)720°曲軸轉(zhuǎn)角(約0.165 s)，熱電勢信號從0.125 V起向下跳躍6次，對應(yīng)于6缸柴油機(jī)的6次氣缸發(fā)火做功。

圖8 6DK20型柴油機(jī)軸承穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段熱電勢信號變化特征

3.3 軸承熱電勢信號的指向性特征

試驗(yàn)中雖然使用了某型高精度數(shù)據(jù)采集卡，但所獲原始信號中由工頻電、振動等引發(fā)的諧波仍然存在(圖7、圖8的上半圖)，通過適量濾波可將信號中的主要成分顯現(xiàn)出來,濾波器采用6階Butterworth IIR低通濾波。由于發(fā)動機(jī)工作時燃油噴射等隨機(jī)因素和非連續(xù)工作循環(huán)的特點(diǎn),熱電信號易出現(xiàn)隨機(jī)波動。為了提高分析的可信度，每個工況以15～20個工作循環(huán)計(jì)算熱電信號的周期平均值[10]。

4120SG型柴油機(jī)軸承2個工作循環(huán)經(jīng)低通濾波處理的熱電勢信號指向性特征如圖9所示。由圖可知，1個工作循環(huán)內(nèi)柴油機(jī)熱電勢信號出現(xiàn)4個指向朝上的峰值。由于該柴油機(jī)潤滑油使用時間長，黏度低且雜質(zhì)較多，導(dǎo)致軸頸與軸瓦之間絕緣電阻極低，熱電勢平均電位在0附近。只有當(dāng)氣缸發(fā)火、軸頸與軸瓦發(fā)生摩擦接觸時接觸熱電勢占主導(dǎo)地位才出現(xiàn)熱電勢峰值。6DK20型柴油機(jī)1個工作循環(huán)經(jīng)低通濾波處理的熱電勢信號指向性特征如圖10所示。由圖可知，柴油機(jī)熱電勢信號呈現(xiàn)6個指向朝下的峰值。由于該機(jī)是剛出廠新機(jī)，加入全新潤滑油，絕緣電阻高，當(dāng)氣缸發(fā)火時油膜厚度變小，導(dǎo)致絕緣電阻變小電勢差降低，在曲軸與軸瓦間形成下凹的熱電勢，但曲軸與軸瓦還沒有達(dá)到直接接觸的程度，熱電勢均值處于0.10～0.12 V的高位。只有氣缸發(fā)火時，油膜厚度變薄，電阻變低才導(dǎo)致熱電勢峰值降低。由此可見，從熱電勢的幅值可以反推油膜厚度，也可判斷主軸承是否與曲軸發(fā)生了接觸和磨損。

圖9 4120SG型柴油機(jī)軸承2個工作循環(huán)熱電勢信號的指向性特征

圖10 6DK20型柴油機(jī)軸承1個工作循環(huán)熱電勢信號的指向性特征

3.4 軸承磨損間隙熱電勢信號的變化特征

6DK20型柴油機(jī)軸承在1個載荷循環(huán)下熱電信號隨軸承磨損量(預(yù)先加工設(shè)定)的變化特征如圖11所示。從圖中可以看出，柴油機(jī)啟動之初在各磨損工況的熱電勢不同；隨著柴油機(jī)運(yùn)行時間及載荷的增加，熱電勢在同一載荷下的采樣統(tǒng)計(jì)平均值隨軸承磨損間隙的增大而減??；載荷率從0增加到100%時，產(chǎn)生的累積熱量增加，油膜厚度減小，主軸承與曲軸的溫差趨于相同，導(dǎo)致熱電勢水平降低；當(dāng)載荷率從100%降低到0時，與上升階段的熱電勢基本呈對稱分布，這說明試驗(yàn)全過程所測熱電勢值經(jīng)得起時間和載荷變化的檢驗(yàn)；除柴油機(jī)75%載荷外，同一載荷下軸承在載荷下降階段的熱電勢值比上升階段的略低，與溫度累加，軸承與軸頸溫度趨同有關(guān)。4120SG型柴油機(jī)軸承熱電信號特征參考文獻(xiàn)[10]。

圖11 6DK20型柴油機(jī)軸承1個載荷循環(huán)熱電信號隨磨損量的變化特征

綜上所述，主軸承間隙越大，所承受來自主軸頸的沖擊載荷越大，瞬時摩擦功耗的峰值越大，導(dǎo)致熱電瞬時峰值的絕對值越大，但在單一載荷率(圖11中的25%，50%等)下，設(shè)備在采樣時間間隔內(nèi)測得的所有離散熱電信號的平均值越小；軸承發(fā)生黏著磨損，瞬時摩擦功耗的平均值突然變大，其峰值變小，導(dǎo)致熱電勢平均值變大，瞬時峰值變小。

4 結(jié)論

1)滑動軸承啟動運(yùn)行時熱電勢從無到有，且隨曲軸與軸承的溫度升高逐漸變大，也隨軸頸與軸瓦發(fā)生摩擦接觸強(qiáng)度的增加而逐漸增大；前者表現(xiàn)為溫差電勢，后者表現(xiàn)為接觸電勢。

2)滑動軸承穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時熱電勢信號的重復(fù)性好，1個工作循環(huán)內(nèi)的熱電勢峰值數(shù)對應(yīng)于發(fā)動機(jī)的氣缸數(shù)。

3)由熱電信號均值隨溫差電勢的增大而增大，峰值隨接觸電勢的增大而增大可以實(shí)時判斷滑動軸承的累積磨損量與瞬時磨損量，證明了滑動軸承磨損在線監(jiān)測的可行性。