基于缸套測溫技術的柴油機早期拉缸故障診斷

盧浩宇，底 柯，張函橋，劉 浩，張茂勝

(1. 船舶與海洋工程動力系統國家工程實驗室，上海 201108; 2. 中國船舶集團公司第七一一研究所，上海 201108)

0 引 言

隨著柴油機領域各項技術的日益成熟，船舶柴油機性能不斷提高，逐步向大功率、高密度、強增壓領域發展[1]。其功率的提高必然會對柴油機可靠性產生較大影響，活塞環-缸套組件工作環境更加嚴苛，柴油機拉缸故障的發生也更加頻發，危害程度逐漸增大[2-4]。開展柴油機拉缸故障的診斷技術研究，實現拉缸故障的及時預警，可以降低拉缸故障的各項危害，對于柴油機研發應用而言有著重要意義。

不同于振動、聲發射、油液分析等傳統的故障診斷手段，研究從柴油機缸套內壁局部溫度的瞬態響應變化入手，開展基于缸套測溫技術的柴油機拉缸故障診斷技術研究。缸套測溫技術是基于傳統熱電偶法測溫原理[5]，對柴油機缸套表面溫度進行在線監測的一種測溫技術。其作為缸內熱負荷的有效研究手段，受到國內外學者的廣為研究。Assanis D N, Bnana G L[6-7]等人在1991年利用熱電偶測溫法對活塞進行了專項溫度場測試，但受限于活塞往復運動對熱電偶導線金屬疲勞強度的影響，其使用壽命有待提高。Shohei Mikami等人[8]于2010年采用熱電偶測溫法對缸蓋火力面的溫度分布情況進行了測試，有效測得了高低負荷狀態下的缸蓋火力面的溫度變化情況。近年來，國內學者也開展了相關研究工作。2015年山東大學豐程嵐[9]對雙對置式發動機缸套采取壁面打孔的方法進行了不同工況點下的溫度場測量，基于測量結果完成該發動機的冷卻系統改進方案。2018年沙朋朋等[10]人設計了共極三電偶組合件，完成了共極三電偶熱響應時間常數的測量，其測試結果達到了航空發動機溫度場穩態測試指標。2018華中科技大學王浩等人以ZS1100柴油機為研究對象[11]采用熱電偶測溫法，完成了不同工況下的濕式缸套溫度測試。柴油機領域熱電偶測溫技術的應用為缸套測溫技術發展提供了充分的研究基礎。

缸套測溫技術的理論與試驗研究雖然已經取得諸多進展，但多用于缸套熱負荷耦合傳熱領域，在故障監測領域的研究較少。為了實現船用柴油機的早期拉缸故障監測，將缸套測溫技術引入拉缸故障診斷領域，開展基于缸套測溫技術的拉缸故障診斷研究。

1 拉缸故障診斷原理

1.1 拉缸故障機理及其診斷原理

船用柴油機拉缸故障發生前，缸套內表面局部摩擦產熱溫度高于滑油承載的極限溫度，活塞環-缸套摩擦副間邊界潤滑油膜分解破裂失去保護作用。在極高的正壓力作用下，摩擦副局部表面發生微凸體接觸[12]，如圖1所示。

圖1 活塞環-缸套摩擦副工作示意

此時，活塞環-缸套摩擦副間處于極限邊界潤滑狀態，摩擦副間的傳熱主要以微凸體接觸傳熱、局部油膜和缸套內壁接觸傳熱為主。傳熱模型為：

式中：q1——摩擦副接觸間隙的總熱量；

q2——潤滑油膜傳遞熱量；

q3——微凸體間傳熱量；

λ1、 λ2——潤滑油和固體結構的導熱系數；

r1——粗糙度接觸比；

h——平均油膜厚度；

A——潤滑油填充率；

ΔT（x）——油固邊界的溫度差；

x——固體邊界某一點到油固交界的距離；

ΔT0——潤滑油與結構溫差；

S1——固體邊界等效厚度。

由公式（1）～（3）可知，邊界潤滑初期，活塞環-缸套摩擦副間傳熱包括潤滑油膜傳熱和部分微凸體傳熱。由于潤滑油膜的存在，結合公式(4)可知，各工況點缸套軸向內整體受熱穩定。

當異常摩擦出現或活塞環過度膨脹擠壓時，摩擦副間局部微凸體接觸異常增大。隨著摩擦副間的高速運動，油膜厚度的逐漸降低，干摩擦產生大量摩擦熱。缸套局部表面溫度因微凸體傳熱急劇升高，超過表層金屬熔點時，會引起缸套內表面發生微觀融化、黏著、撕裂，隨著活塞高速往復運動，缸套內壁局部網紋織構反復撕裂，從而發生拉缸現象。當拉缸故障發生時，突增的熱量被缸套表面溫度傳感器測得，實現拉缸故障的診斷監測。拉缸故障嚴重時，缸套表面織構網紋遭到大面積破壞，活塞環和缸套表面間隙增加，隨著高溫燃氣下竄，曲軸箱油霧濃度隨之增大，因此油霧濃度探測器可進行輔助監測。拉缸故障的發生也將引起摩擦功耗增加，為達到穩定轉速，缸內噴油量隨之增大，相應的爆壓、排溫等熱工參數可出現局部變化。

1.2 故障診斷系統

研究基于熱電偶測溫技術，輔助結合油霧濃度監測以及柴油機熱工參數的變化監測，實現了拉故障診斷。診斷系統主要以缸套測溫方式為主，將熱電偶測溫元件（鎧裝熱電偶傳感器）的感溫端安裝固定在預留的缸套周向安裝孔中，熱電偶測溫補償導線經密封后的安裝孔引出并接入機旁信號采集單元，采集到的信號實時傳遞到監測設備中，診斷系統結構如圖2示。

圖2 缸套測溫技術的拉缸故障診斷系統示意圖

該缸套溫度監測系統采用缸套內壁和信號采集單元不同材料的金屬作為電極組成閉合回路。采集端為冷端，處于相對穩定溫度中。缸套內壁為工作端，溫度隨摩擦傳熱改變。當兩測量端溫度值不同時，兩種不同金屬間就會有電子運動形成電流，根據正負極導線屬性及電流的大小來實現缸套溫度信號的實時傳輸，缸套溫度信號采集后經信號采集處理模塊發送至電腦接收單元，通過預設的監測軟件實施監測報警，實現拉缸故障的有效診斷。

2 故障診斷系統的應用

2.1 診斷系統安裝

以某型船用單缸柴油機試驗平臺為基礎，分別布置安裝缸套測溫裝置和其它儀器設備開展故障診斷系統的試驗研究工作。

考慮故障發生時拉痕位置不同，缸套內壁傳熱變化不同，采取缸套外表面周向打孔4測點位置布置（相互間隔90°），將鎧裝熱電偶測溫傳感器安裝在相應測點位置處。采用AVL公司的puma測控系統和OMEG1500型水力測功器用于柴油機控制和加載。在缸蓋表面打孔安裝kistler的缸壓傳感器、缸蓋排氣管出口安裝PT1000排溫傳感器、油底殼位置處同步安裝MMS公司的M23G油霧濃度探測設備，進行拉缸故障發生時的多途徑對比分析研究，各測點安裝位置如圖3所示。

圖3 各主要測點傳感器安裝示意圖

2.2 診斷系統的監測運行

基于缸套測溫技術的診斷系統在某型船用單缸機試驗平臺隨柴油機可靠性試驗運行情況如圖4所示。圖中橫標為系統相對運行時間，采樣頻率為1 Hz進行長周期實時在線監測。從圖4可知，在試驗邊界保持穩定統一情況下（進排氣、冷卻水、和滑油系統不變），柴油機正常運行時，缸套溫度整體趨勢穩定，隨相應負荷工況的增加而增加，負荷工況的降低而下降，二者呈正相關。

圖4 運行工況間正常缸套溫度信號

進一步分析可知，缸套測溫系統在穩定工況間，缸套溫度測定的有效波動范圍在2～3 ℃以內，實時診斷精度較高。如圖4所示，柴油機在11 014 s降工況時，B2、B3、B5、B6等各測點溫度在 11 024 s左右隨之降低。因此，受燃燒傳熱影響，缸套溫度實際發生改變時，診斷監測系統可在8～10 s內迅速響應，診斷響應速率較高。

3 拉缸故障的診斷監測

在某型船用單缸柴油機長期可靠性試驗運行期間，基于缸套測溫技術的故障診斷在線監測系統對早期拉缸故障進行了有效診斷。

圖5展示了兩次拉缸故障發生前后的缸套內表面磨損變化情況，拉缸故障發生后缸套表面織構網紋受到直接破壞。兩次故障前期均有維保拆檢，確保了缸套表面的完成性。由于拉缸時刻活塞環開口位置不同、活塞環桶面型線各點膨脹程度不同等的影響，兩次缸套表面磨痕狀態也不同。

圖5 拉缸前后缸套內表面變化

3.1 一次拉缸故障診斷

3.1.1 缸套溫度信號變化

長周期可靠性運行監測試驗一次拉缸故障發生前，缸套溫度整體趨勢變化平穩，如圖6所示。圖6選取了異常故障發生前10 min左右的數據信息，可以看出試驗間B3、B5點缸套溫度信號在工況穩定運行某時刻出現超高信號（超出預設報警值250 ℃）且持續升高現象，迅速采取降速停機措施，拆檢后發現缸套內壁出現大面積異常拉磨如圖5（b）所示。

圖6 一次拉缸故障前后缸套溫度

分析可知，柴油機穩定運行時，缸套周向受熱狀態穩定，各測點溫度變化趨勢平穩。圖6比較同工況正常缸套溫度歷史數據可知，B3、B5點缸套溫度前期雖運行平穩，但整體溫度較高，達215 ℃以上，高于該工況正常狀態穩定值（此單缸柴油機相同工況穩定運行時各測點常規缸套溫度穩定小于200 ℃）。后續拆檢發現，本次拉缸故障因活塞環反裝引起，因此初期運行時缸套內壁受活塞環反裝擠壓影響，摩擦副間隙間油膜更薄，缸套溫度更高，較易發生拉缸情況。當摩擦副間異常摩擦增大后，局部摩擦熱急速增加，相鄰測點缸套溫度信號出現明顯升高現象，如圖6拉缸時B3、B5點所示。診斷系統缸套溫度信號B3、B5點在某刻60 s內迅速升溫20 ℃以上，保持持續上升。隨著缸套網紋破壞程度的增加，該次拉缸時異常摩擦功耗相應增大，為達到穩定輸出功率，噴油量隨之增加，因而轉速有上升趨勢。

因此，同工況缸套當缸套溫度兩點以上出現異常突升時，表征缸套進入拉缸狀態，此時應采取停機檢查措施。缸套溫度無突變但持續遠高于正常溫度時，也會表征活塞環-缸套摩擦副異常狀態的發生，此時應停機排查。

3.1.2 其他參數變化

拉缸故障出現時，隨著活塞環-缸套摩擦副表面異常摩擦磨損增加，單缸柴油機排溫、爆壓等參數在一定程度上會出現相應變化趨勢，一次拉缸故障發生前，排溫、爆壓參數變化如圖7所示，1 bar=0.1 MPa。

圖7 拉缸故障前熱功參數

圖7可以看出，與正常狀態試驗數據相比，相同工況下拉缸故障發生時排溫出現部分升高情況，爆壓無異常改變。

分析認為，異常摩擦初期摩擦功耗開始增加，缸套溫度隨之變化，進排氣不變的情況下，排溫和爆壓相對穩定。當拉缸狀態持續發展惡化時，如圖5(b)，活塞環-缸套間的摩擦功耗增加。為保持柴油機轉速穩定，故障缸內噴油量短時間增加，燃燒持續期增加，因而缸套溫度和排溫隨之增大，爆壓相對穩定。但排溫受進排氣變化影響較大，僅可作為拉缸故障發生時的輔助判斷手段。

在第一次拉缸故障預警試驗間，缸套溫度首先出現異常突升觸發預設報警值，采取人為降載停機過程中，油霧濃度探測設備出現報警現象，如圖8所示。其橫坐標軸表示時間變化，縱坐標軸表示油底殼局部空間內的油霧濃度的量化指標。正常狀態下，油霧濃度變化情況基本保持小于3 mg/L。該次報警時油霧濃度量化值高達50 mg/L以上，油霧濃度出現異常升高現象。分析認為，在異常摩擦初期缸套局部網紋開始遭到破壞，此時活塞環-缸套摩擦副整體周向潤滑密封情況較好，磨損部附近缸套測點溫度開始升高，曲軸箱壓力較低。隨著拉缸程度的加深，摩擦副周向開始出現大面積磨損。缸套周向內壁網紋大范圍遭到破壞，摩擦副間隙增大引起高溫燃氣下竄，油底殼溫度急劇上升，滑油霧濃度異常增加，引起油霧濃度高報警。當油底殼因曲軸箱壓力變大，油霧濃度增加時（如燒瓦抱軸故障）也會有異常突升現象。因而，活塞環-缸套摩擦副拉缸程度較輕時，油霧濃度無明顯改變。對于拉缸故障診斷而言，油霧濃度預警設備響應時間低于缸套溫度監測系統，油霧濃度報警可作為拉缸故障監測的輔助監測手段。

圖8 拉缸故障試驗時油霧濃度情況

3.2 二次拉缸故障診斷

在某型單缸柴油機長周期可靠性試驗間，第二次拉缸故障出現早期，缸套溫度在線監測技術實現了拉缸故障的有效診斷，診斷結果如圖9所示。由圖9中各負荷工況和缸套溫度變化可知，在可靠性試驗前期運行平穩，缸套溫度隨負荷工況變化趨勢一致，呈正相關。100%工況穩定運行25 min左右時，缸套溫度B3、B5點60 s內急升15 ℃左右，B2、B6測點升高約10 ℃。各測點保持急速上升趨勢，B3點迅速升高觸發預設250 ℃報警停機值后柴油機自帶停機，拆檢后發現缸套內壁出現周向拉痕，拉痕情況如圖5（c）所示。

圖9 拉缸故障發生前后缸套溫度

結合滑動摩擦副貧油潤滑時近壁面摩擦機理[13]分析可知：試驗運行前期，活塞環-缸套摩擦副摩擦潤滑受熱穩定。當異常摩擦出現時，缸套局部干摩擦表面熱軟化和加工硬化交替進行，壁面組織晶體滑移（錯位移動）的突然發生，引起劇烈的塑性變形，且塑性變形變得不穩定，如圖10所示[14]。

圖10 壁面組織結構發生晶體滑移[14]

這種突然非穩定的金屬組織層迅速變形表征了早期異常摩擦現象。

式中：C——摩擦副局部表面的熱容；

ρ——密度；

γ——該處剪切應變；

τ——剪切應力強度。

由式(7)可知，非穩定的剪切應力變化是造成缸套局部溫度升高的直接原因。

此次缸套溫度監測系統在拉缸早期實現了及時診斷預警，缸套異常磨痕較輕，不影響缸套后期維護后的繼續使用。診斷過程中，油霧濃度監測設備無報警響應，因此缸套溫度在線診斷系統響應速度高于油霧濃度探測設備。長周期可靠性試驗間的拉缸故障在線監測結果表明了缸套測溫技術實現拉缸早期診斷的高效性。

4 結束語

本文以熱電偶缸套溫度監測技術為基礎，從摩擦傳熱反映機理入手，將缸套測溫技術引入拉缸故障診斷領域，結合長周期可靠性試驗間的狀態監測，開展了基于缸套測溫技術的拉缸故障診斷試驗研究，實現了拉缸故障的高效診斷監測。

1）缸套溫度在拉缸故障發生時響應迅速，可在拉缸初期階段快速響應，特征表征為局部測點溫度的短時內的急速升高。

2）缸套溫度在線監測系統的有效應用，可以實現拉缸故障的精確定位，快速識別，有效避免拉缸惡化引起的柴油機整體損傷，保護人員安全。

3）油霧濃度在缸套內壁整體拉磨，燃氣下竄時會快速升高，熱功參數中排氣溫度在拉缸嚴重時會出現溫度升高現象。因而，油霧濃度監測系統和排溫監測可作為拉缸故障的輔助預判手段。