船舶柴油機軸承損壞程序評估系統設計

孫長飛，冉雪峰，惠 節，劉昭亮

(1.江蘇海事職業技術學院，江蘇 南京 211170；2.中國船級社實業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主要由氣缸、活塞、曲軸、軸承、潤滑系統、冷卻系統等組成，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、活塞等往復運動產生的作用力。同時，軸承也是一種易損件易耗件，在周期性的載荷作用下，軸承內外圈很容易產生摩擦生熱和磨損。一旦柴油機的主軸承出現故障，則整個船舶柴油機動力系統就會停機，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，船舶領域的柴油機動力系統可靠性研究主要有2 種，分別是數值模擬和工程測試，其中，工程測試需要消耗大量的人力物力成本，開發周期長，成本較高。數值模擬是基于計算機軟件進行船舶柴油機的仿真研究，能夠有效縮短產品開發周期。

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，目標在于對船舶柴油機軸承的工作狀態進行在線式的監測，一旦出現軸承故障，可以立刻進行診斷和維護。

1 艦船柴油機軸承結構及動力學特性評估

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的主軸承與曲軸是一個相互耦合的系統，曲軸做周期性的不規則曲線運動，曲軸、連桿運動過程中產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的可靠性[1]。

從柴油機主軸承的動力學特性方面入手，建立柴油機主軸承的動力學模型。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量系統，建立系統的扭矩方程為：

其中：M0為當量系統的輸出轉矩；M1為曲軸的負載扭矩；J0為曲軸的轉動慣量；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。

2）氣缸作用力和力矩

首先建立柴油機氣缸曲柄滑塊的數學模型如圖2所示。

圖2 柴油機氣缸曲柄滑塊的數學模型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為轉動角度；l為連桿長度。

假定容積V1已知，如下式：

氣缸內部燃燒過程的質量方程為：

式中：m1為此時的柴油質量；p1為氣缸內部壓力；Rg為氣體壓力常數。

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矩為：

式中：λ為扭矩系數，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

根據受力分析示意圖，可將柴油機主軸承受到的外力和力矩進行合并簡化，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的設計開發

2.1 柴油機軸承損壞評估系統的整體設計

本文結合嵌入式ARM 控制技術設計船舶柴油機軸承損壞評估和監測系統，所實現的基本功能包括：

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測系統的基礎，由嵌入式集成芯片、數據接口、存儲器、軸承損壞監測傳感器、flash 和集成電路等組成，采用振動信號監測傳感器、溫度傳感器等設備采集船舶柴油機軸承的性能參數，并通過數據接口傳輸至評估系統的其他模塊。

2）中間層

是評估系統的硬件抽象層，包括BootLoader[3]等模塊，負責硬件層與軟件層之間的數據傳輸。

3）軟件層

軟件層主要包括傳感器程序、系統的應用程序、網絡協議棧、接口程序等，是船舶柴油機軸承損壞評估和監測系統正常運行的關鍵，同時，軟件層集成了知識庫技術，能夠針對柴油機軸承的故障類型進行數據檢索，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測系統原理圖。

圖4 船舶柴油機軸承損壞評估和監測系統原理圖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的軟件設計

柴油機軸承一旦發生故障，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鍵環節包括：

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外圈等關鍵部件。

2）信號編譯

對采集的振動信號進行時頻域分析、濾波等，提升信號的準確性。

3）軸承的狀態評估和結果輸出

提取振動特征信息，結合數據庫進行軸承損壞狀態的評估，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 中進行了軸承磨損程度的仿真，采用的柴油機及軸承參數如表1 所示。

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

在Matlab 中按表中參數設置，得到柴油機主軸承在曲軸和氣缸載荷下的柴油機軸承內外圈偏心率如圖6 所示。

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

3 結語

柴油機軸承的可靠性直接決定了整個動力系統的壽命，本文基于柴油機主軸承的力學特性，結合嵌入式ARM 控制技術設計了船舶柴油機軸承損壞評估和監測系統，并詳細介紹了開發過程。