柴油機冷卻水溫度傳感器斷裂故障分析

霍曉萌

摘要：針對柴油機冷卻水溫度傳感器斷裂的問題，通過對該測點管路流腔進行CFD仿真計算，分析了流腔內部速度和壓力場的變化情況，確定了傳感器的斷裂原因。計算結果表明：傳感器位置處流速較大，導致傳感器下部受振蕩力，且發生了空蝕，使傳感器失效。本文針對此次傳感器斷裂故障提出了解決措施：對傳感器的位置進行了優化布置;對傳感器的結構形式進行了改進。通過改進，傳感器隨整機驗證時間超過1500h，未再發生同類斷裂故障，保證了柴油機的安全運行，為以后類似故障的分析和解決提供參考。

Abstract： To aim at the breakage on temperature sensor of the cooling system for one type of marine diesel engine，the variation of velocity and pressure field in the pipe is analyzed through CFD simulation，and the reason of the sensor is determined.The result shows：the velocity and force at the sensor position is so large that the bottom of sensor is broken，and cavitation occurs at the sensor.This paper puts forward some measures to solve the sensor breakdown： the position and structure of the sensor are optimized.Through the improvement，the verification time of the sensor with the engine is more than 1500h，and there is no similar malfunction again，which ensures the safe of the engine，and provides reference for the analysis and solution of similar faults in the future.

關鍵詞：柴油機;溫度傳感器;流速;受力

0? 引言

系統水溫是影響柴油機正常運行的最重要熱工參數。水溫過高通常會使柴油機功率下降，潤滑效能降低，甚至會導致柴油機拉缸、汽缸墊燒毀等嚴重故障;水溫過低會使缸內燃燒不完全，增加耗油量，潤滑油粘度增大，導致機件磨損加劇[1]。通常，在柴油機上通過布置溫度傳感器的手段監測冷卻水溫度。研究表明，傳感器的布置位置不僅會影響測試結果的準確性，布置不合理還會導致傳感器損壞，使測試功能失效，無法實時監測柴油機穩定安全可靠運行。本文針對某柴油機在運行過程中出現的冷卻水出機溫度傳感器斷裂故障，對該處測點的管路流腔進行了CFD仿真計算，分析流腔內部流速和壓力場分布情況，確定故障原因，并提出了可行的改進措施，為類似故障的分析與解決提供參考。

1? 故障描述

某柴油機在試驗運行期間，冷卻水出機溫度顯示值異常偏高且來回波動，觀察臨近測點溫度，顯示值均在正常范圍之內，其它參數無異常。停機對冷卻水出機管路上的傳感器進行檢查，發現傳感器插座進水，傳感器保護套管從根部斷裂且斷掉部分消失不見，確認傳感器螺紋連接焊接處斷裂。

2? 故障原因分析

2.1 傳感器結構說明? 溫度傳感器一般由傳感器感應端、螺紋連接、接線插座等組成。冷卻水出機溫度傳感器的感應端螺紋連接處采用常規的焊接式結構。

2.2 受力分析? 該柴油機冷卻水出機溫度傳感器布置在出機管路上，位于節流孔板之后。由于流體流經節流孔板后流速增大，傳感器根部受到流體的沖擊力較大，且受力隨著柴油機工況的變化而波動。初步判斷傳感器螺紋連接的焊接薄弱位置受力較大導致傳感器斷裂。

2.3 仿真分析論證? 為進一步分析該傳感器斷裂的原因，對該測點管路流腔開展CFD仿真計算，分析流腔內部速度和壓力場的變化情況。

2.3.1 仿真建模? 計算模型包含進出口、流腔、傳感器、節流孔板，模型共計5層邊界層，190萬個網格。

為了保證計算精度，網格分區域劃分，傳感器周圍網格加密，如圖1所示。

2.3.2 邊界條件? 以水作為冷卻介質，在額定工況下，以流腔的進口流量、出口壓力作為邊界條件，開展仿真模型計算。

2.3.3 結果分析? 基于以上計算模型，對管路流腔進行了CFD仿真分析，得到了其流場、流速分布，并對傳感器的受力進行了評估。根據計算結果分析可知：

①流體流過傳感器行為表現為圓柱繞流，為非穩定狀態[3];②傳感器所在的直管段流腔為高流速區域，流速在14m/s以上，流體經過節流孔板后流速增大，經過傳感器時流速達到最大值20m/s;出口段流腔為低流速區域，流速約在5m/s以下，如圖2～圖3所示;③傳感器位置處流速較大，導致壓差阻力（4.5bar）大，如圖4、圖5，使得傳感器下部受力隨時間變化在17～27N之間波動（均值22N）。且其側面發生了空化現象（最小壓力-98kPa，小于水空化壓力-53kPa）。

3? 改進措施與驗證

3.1 改進措施? 針對柴油機運行過程中出機溫度傳感器發生斷裂的問題，采取以下措施防止傳感器因為受力較大而失效的故障。

①根據仿真分析結果，對傳感器的安裝位置進行優化設計，將傳感器布置在流體流速較小區域。通過對比發現改進位置處傳感器受力大幅減小（均值8N），且未發生空化（傳感器最小壓力33kPa）。（圖6-圖8）

②改進傳感器的結構：由焊接式改為一體式，避免了焊接式傳感器易斷裂的故障。

仿真計算結果表明，通過優化傳感器的布置位置，傳感器受力減小，并降低了空蝕破壞的風險。傳感器結構的改進提高了傳感器的強度。

3.2 改進驗證? 改進的冷卻水出機溫度傳感器已隨整機穩定運行超過1500h，未再發生同類斷裂故障。

4? 結論

①傳感器布置位置不合理是本次傳感器斷裂故障的主要原因。分體焊接式傳感器安裝位置布置在流體流速較大區域，使傳感器根部受到較大的振蕩力，且傳感器側面發生空蝕，傳感器焊接薄弱處發生斷裂，最終導致傳感器失效。②基于故障原因分析，將傳感器重新布置在低流速區域，使其受力減小，解決了傳感器斷裂問題，保證了柴油機的安全運行，并為此類故障提供了分析和解決思路。③在柴油機測點設計過程中，除了要考慮測點布置的可行性，還應關注其可靠性，保證測試結果的準確性和有效性，為柴油機安全、可靠運行提供保障。

參考文獻：

[1]周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]《機械設計手冊》編委會.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2007.

[3]蘇立國，顧繼俊，等.基于CFD的圓柱繞流流場特性分析[J].石油礦場機械，2015，4：25-26.