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基于振动分析的内燃机主轴承状态监测与故障诊断方法研究

李志敏  
【摘要】: 内燃机自发明以来至今已有一百多年的历史,它已成为汽车、工程机 械、船舶、机车,发电机组等诸多设备的动力心脏。这些设备在人民生活 和生产实践中担负着重要的任务。内燃机本身的有关技术,如:可靠性、 经济性和使用寿命等,已相对成熟,但其在基于振动分析技术的状态监测 与预测维修的技术应用上,进展却十分缓慢,这主要是由其振动信号的复 杂性造成的。 内燃机往复式活塞和曲柄连杆机构的运动方式,决定了它具有冲击特 点的工作过程,并且在实际应用中这种过程还往往是变工况的,它所产生 的振动信号十分杂乱,很难有如旋转机械那样简洁的频谱特征。其内部的 一些故障信号往往被淹没在正常的工作信号中而难以发现,所以,如何在 从其杂乱的工作信号中提取表征故障的特征参数,是实现内燃机状态监 测、故障诊断及预测维修的关键所在。 本文以2100-BI型柴油机为例,对内燃机曲柄连杆机构进行了运动和受 力分析,依据油液润滑理论,计算出主轴颈在主轴承内的运动轨迹,提出 当最小油膜厚度减小时,主轴承内的旋转油膜力将减小而挤压油膜力将增 加,这是引起主轴承内受力变化的主要原因。而理论计算证明,润滑油粘 度和主轴承间隙对最小油膜厚度有着直接的影响。文中还通过频响特性实 验揭示出机体表面的振动响应信号与主轴承内冲击力的关系。 根据上述研究结果,提出了以下的油膜破裂假设:当主轴承内的最小 油膜厚度无论因为什么原因减小到一定程度时,油膜将破裂,主轴颈对主 轴承的力将由主要是油膜挤压力转变为金属之间的直接撞击,这时虽然轴 承受力的总能量没有多少变化,但受力波形将明显尖锐。跟据这一假设, 对机体表面振动信号进行了仿真研究,发现主轴承内这种尖锐的受力波形 会使机体表面的振动响应能量向高频偏移,这就为今后利用振动信号监测 主轴承的工作状况提供了理论依据。 大连理工大学博土学位论文 为了证明以上的理论计算结果和假设,作者建立了内燃机实验台,模 拟实际工作中主轴承的间隙变化情况,在各种工况下进行了完整的台架实 验,利用自己编制的数据采样程序,采集了完备的实验数据。并且编制了 一套内燃机振动数据分析软件。对所采集的数据进行分析,结果表明,本 文所提出的小波滤波包络谱方法和美国ENny公司的峰值能量憎方法均可 有效的反映内燃机主轴承内的受力冲击状况,以两种憎图的0.5倍频的幅值 为特征参量,可实现对内燃机主轴承工作情况的状态监测。 本文还讨论了内燃机工况,振动测点位置,传顽器的选择与固定等诸 多因素对监测结果的彤响。证明主轴承盖上的振动信号可以明显表征主轴 承的状态,而在机体侧面所测得的振动信号却对其不敏用。


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