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低速二冲程瞬时转矩和角速度变化的测量与分析
摘要
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文章历史:2012年12月6日收到，2013年8月20日收到，2014年4月11日收到，2014年5月10日网上有售 关键词:曲轴扭转振动测量瞬时转矩诊断 |
本文介绍了一项研究的潜力，使用直接测量发动机扭矩诊断的目的在大型发动机-在这种情况下应用于发电。介绍了十缸低速二冲程柴油机的瞬时扭矩、发电机输出端角位移和自由端角位移的测量和分析方法。角速度振荡虽然不能直接测量发动机功率，但在内燃机诊断中却经常使用。此外，对于具有巨大惯性发电机的发动机，如发电厂所使用的发动机，速度振荡非常小，这降低了信噪比，使得瞬时角速度的评估非常有噪声。在本文所述的工作中，对扭矩和角位移测量在相同的发动机工况下，在同一点进行了比较，证明了扭矩的优越性能。瞬时扭矩的谐波分析可以识别柴油机组动力总成的动态特性，并清楚地表明，该信号可作为励磁、燃烧故障或系统机械特性和曲轴刚度的诊断工具。在转矩信号中还可以观察到由于对施加的不连续而引起的发电机转矩畸变，说明转矩信号可以用来识别发电机故障。 |
1. 介绍
低速二冲程柴油机用于船舶的推进和发电。与世界各地的装机功率相比，虽然柴油发电与总装机功率的比例很低，但这些发动机在岛屿上经常使用，在大多数情况下，它们是唯一可用的原动机。在大型船舶的情况下，尽管替代天然气发动机作为原动力正在增长,低速柴油机几乎代表了所有的推进解决方案[1]。柴油发动机的效率通常接近50%，有些型号甚至超过了这一水平。只有联合循环工厂额定功率大于100 - 150mw时，其效率要高于双冲程柴油机的效率[2]，远远高于当今大型柴油机所能达到的最大功率。此外，这些发动机对大气变化的敏感性较低，在低负荷运行时效率降低较低，燃烧低成本的重质燃料，具有可以用纯植物油进料的优点[3]。联合循环电站或燃气轮机在这些方面有明显的缺点。
然而，从开发的角度来看，这些引擎确实存在缺陷:维护通常基于纠正或预防措施，这明显增加了操作成本。尽管可以实施良好的预防计划，但灾难性故障相对较常见[4-6]。
内燃机在平稳运行时，由于角位移在发动机周期内是可变的[7]，所以角位移不是恒定的。振动的大小，角位移相对最大值的角度位置和速度的一般形式取决于发动机的负载特性和负载，发动机的设计和扭转系统的动力学[8]。瞬时角位移与扭转系统动力学之间的这种关系导致了这一领域的大量研究工作，这种趋势将继续下去，以便从瞬时角速度中提取信息用于发动机诊断[8-10]。
在低速的情况下很长冲程柴油发动机,如用于发电,发电机的巨大惯性意味着振荡的振幅的交流发电机的轴的一部分投入很低,因此角位移信号提出了一种低信噪比。相比之下，轴受到较大的扭转，因此高剪切载荷在轴表面产生高应变。这些应变当它们是面向测量主应力时，可以通过应变计测量。如果正确地消除寄生变形，就有可能测量发动机的动态扭矩。此信号(发动机瞬时扭矩)包含可用于诊断目的信息。虽然扭矩和角位移或速度都包含与系统动力学密切相关的信息，但发动机扭矩也包含绝对大小，这使得该信号更适合于系统识别应用[11]。这一特性与瞬时角位移的测量相结合，还可以评估从发动机传递到发电机的机械功率，从而完成发动机的能量平衡。如果测量每个气缸的燃烧压力，就可以知道气缸提供的总能量，因此可以用测量到的扭矩来估计发动机的机械损失。
本文研究了一种用于发电的二冲程低速柴油机轴系的振动。为此，同时测量了曲轴前部和自由端角位移以及前部扭矩。两种角位移的同时测量结果表明，从扭转动力学的角度来看，系统不能被认为是刚性的。
如果将趋势监测技术应用于曲轴扭矩和角位移的振动特性，可以将其与发动机健康状态下的模板进行比较，用于系统诊断。
2. 规划布局及描述
本研究以一台二冲程低速柴油机为研究对象，十缸串联，十字头布置，主要数据如表1所示。
主机数据
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数量 |
单位 |
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气缸数 |
10 |
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主机速度 |
125.00 |
rpm |
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活塞直径（D） |
0.67 |
m |
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连杆长度（L） |
2.538 |
m |
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冲程（2R） |
1.70 |
m |
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平均活塞速度（c） |
7.10 |
m/s |
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压力环数（nc） |
5 |
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每气缸活塞、连杆和十字头质量（mp） |
4550 |
kg |
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最大功率 |
15.50 |
MW |
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最大效率 |
48.00 |
% |
|
平均有效压力 |
12.40 |
bar |
|
顺序点火 |
1-9-4-6-3-10-2-7-5-8 |
表格一
这些发动机在一个曲轴转动中完成一个完整的循环，这是3601的环境空气被压缩在涡轮增压器-有两个单位-是最大压缩比在全引擎功率接3.5:1。这意味着气温上升超过250摄氏度。为了有足够的空气密度来增加发动机的功率，必须降低空气温度。为此，压缩后的空气在空气-水热交换器中冷却。空气从冷却器进入发动机静压室，冷却空气从静压室通过位于每个气缸底部的进气道进入每个气缸。这些是机械化的窗口在气缸底部，当活塞打开，让冷却空气从静压室填充气缸。当活塞上升时，关闭这些端口并压缩气缸内的空气。曲轴在上死点前几度角，在第51种情况下，喷射系统开始在气缸内注入燃料。发动机功率由喷射系统开启的时间间隔控制。在短时间的延迟后，燃烧开始，燃烧室内产生了巨大的压力。这种压力施加在活塞的顶部，并通过连杆曲轴机构转换为扭矩。燃烧后，在顶部死中心1101后，位于气缸顶部的排气提升阀开始打开，每个气缸的热燃烧气体进入连接在同一轴的轴流式涡轮机与压缩机。排气阀在底部死中心后关闭约901，在进口端口被活塞关闭后。柴油机有两个涡轮增压器;每个气缸由五个气缸排出的废气供气。发动机曲轴直接与发电机连接，没有任何阻尼装置。发电机直径约10米，惯性巨大(853,600千克平方米)，正如人们在这类发动机中所期望的那样。
发动机-发电机布置示意图如图1所示，各气缸前、自由端角位移、发电机端扭矩及燃烧压力的测量设备如图1所示。测量是在不同的系统负载下进行的。同时测量了各电负荷下单缸的角位移、扭矩和燃烧压力。维持了电负荷，并测量了所有10个气缸其余部分的燃烧压力。测量从检测到触发器上升边缘到达的时刻开始，其记录长度相当于在采集频率为100khz的情况下完成发动机循环所需的时间。由于发动机为二冲程系统，一个完整的周期包含3601曲柄转角，对应每个信号48000点，每个信号和负载状态采集100条记录。
图1 发动机-柴油机方案及测量系统
3.测量系统
3.1角位移测量
在发电机的一端，发动机有一个叫做飞轮的高惯性齿轮，用于发动机启动和增加发动机的规律性。虽然使用飞轮齿作为编码器是很常见的，但是加工误差、齿廓损伤以及齿数减少(在这种情况下只有50颗)使得误差与要求的精度不匹配。发动机前端的角位移是通过在轴上绑上180个齿的铁磁材料制成的极带来测量的。为了收集信号，感应传感器呈放射状安装。在传感器与极带之间允许的径向间隙范围内(最大可达4mm)，传感器产生恒幅方波信号。这样，任何圆周飞轮的不平顺性或不同心度都不会影响测量。在飞轮旁边，每转一圈曲轴的一个参考标记触发所有通道的采集。
3.2角位移处理
采用纯软件方法计算瞬时角位移;即。，不需要额外的硬件脉冲信号。发动机周期内曲轴的角位移振荡以调频信号的形式出现，因此尽管发动机的平均转速是恒定的(在本系统中为125 rpm70.5%)，但连续脉冲之间的时间是可变的。傅里叶级数分解表示为主机频率125/60，因此谐波1表示每转1次，谐波2表示每转2次，以此类推。
扭转振动是轴转速的循环变化，在信号幅值恒定的情况下，产生载频的变化。这个过程如表2所示。
图2 发动机端和自由端在角基础上的瞬时角位移
图3 发电机端角位移的谐波分解模量
图4 自由端角位移的谐波分解模量
待处理的发电机端、自由端等轴角基和谐波基信号按表2处理方案如图2 - 4所示。这些信号是在整个周期内轴的测量截面上的瞬时角度(见图1)。可以得出几个结论：
1发动机两端瞬时角的主要谐波为第1、5、7、10次谐波。
2五次谐波明显地控制着瞬时角位移。可以看出，发动机负荷与谐波模量之间存在正相关关系，这种关系几乎是线性的(见图3和图4)，这种单调的对应关系在发动机两端均有体现。
3对于其余的谐波，谐波振幅和系统负载之间没有明显的关系。
4自由端瞬时角的最大幅值明显要高2 - 4倍(图2)，各曲线的最大值并不在同一轴角处。这显然意味着，扭转系统不能被认为是无限刚性的，但系统经历扭转从发电机到自由端。这意味着应该为诊断目的开发一个动态模型。
3.3瞬时扭矩测量
轴转矩的测量原理是基于纯扭转众所周知的剪应力与正应力关系，如图5[13]所示：
图5 纯扭转的剪切和主应力
主应力在轴轴方向451角处最大，此处剪切为零，因此应变计是朝这个方向的。转矩和应变方程如下:
其他载荷，如轴弯曲、轴向力和随温度变化的变形，也会产生与表方向相同的应变，表距轴451。虽然名义上发动机将纯扭矩传递给发电机，但轴可能会承受发动机和发电机产生的小轴向载荷，也可能会受到重型发电机或活塞产生的曲轴径向载荷的弯曲。所有这些载荷也会在轴表面产生应变，因此会污染要测量的量值，即轴扭矩。为了避免这种被认为是噪声的污染，在同一轴截面上分别安装了4个半桥式应变计901，形成完全补偿的惠斯通桥。每个应变片相对于轴的方向为451。这种解决方案可以补偿任何热效应，抵消弯曲、牵引或压缩产生的应变。安装保证了只有主应力是用应变计测量的，因此轴扭矩是正确的评估。经仔细安装，该测量系统经长期使用证明是准确、可靠、可重复的[14,15]。
利用Eq.(1)和测量链的放大系数的知识可以对系统进行校准，但是这种方法存在固有的误差，使得直接应用表达式容易产生误差。一些最重要的错误可以总结如下:
1粘接后表轴与轴之间的角度安装误差。由于导线长度和熔点不同，电阻差别很小。
2轴的曲率，虽然很小。准确测量因数的知识。
3准确的轴剪切模量的知识。
4轴径剪切模量的方差。
惠斯通电桥由恒压5v直流供电，产生的电压经过放大和校准后，输出信号即转矩。滑环组件可以用于电流馈电和信号传输，但这容易产生电寄生污染和磨损，因此不建议长期使用。取而代之的是安装了遥测系统。将应变片的激励电压电感耦合，将应变片输出转换为调制脉冲频率。传感器(应变片)到输出放大器的安装和信号处理图如图6[16]所示：
图6 从应变片到输出放大器的信号处理图
从轴表面的主应力到采集到的信号，有一个测量链，其中每个分量都有自己的理论增益，这可能与实际增益不同。由于这一预期行为的整个测量系统，有必要进行一个机械校准程序。测点18的转矩(如图1所示)包括发电机受电负荷的反作用转矩、发电机自由端作为耗能装置的轴颈轴承的摩擦转矩和发电机的惯性负载。因此，图1中18处的机械功率等于有功电力加上电力损耗再加上油膜轴承的功率损耗。这可以用表达式来表示:
功率和油膜b油膜轴承吸收的功率。发电机效率数据来源于机器测试，性能测试结果如表3所示，其中也包含了轴承的功率损耗。
表三 发动机在两种不同无功状态下的试验结果
通过同时采集遥测输出电压信号、14-15位置编码器信号(图1)和电力有功功率，对测量系统进行标定。测试是在大约8兆瓦到超过14兆瓦的4种不同的电力读数下进行的。由于发动机调节器的精度，电能不能固定到一个精确的数字。遥测信号用电力装置转换成扭矩单位
系统增益和Eq。(1),r和Gfrac14;frac14;305毫米80 GN / m2,和编码器信号处理根据表2中的计划和转换
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