履带推土机发动机曲轴轴向位移和径向振动测量装置

2023-01-14孙常勇

设备管理与维修 2022年12期

孙常勇

（华能伊敏煤电有限责任公司伊敏露天矿，内蒙古呼伦贝尔 021130）

0 引言

履带推土机在长时间作业运行中存在突发故障，在发动机长期工作后，曲轴轴瓦磨损间隙增大、止推环磨损，导致曲轴轴向间隙增大产生窜动，加剧发动机故障发生，给检修工作带来很大不便。由于轴向窜动间隙较小时，发动机没有明显变化，设备作业时各部噪音较大，司机受影响很难听到和看到有变化。发动机在配气机构故障时异响不易察觉，发动机曲轴、凸轮轴在径向振动方面会体现出来，虽然不是很明显但会加剧发动机故障发生。变扭器内部轴承磨损导致泵轮、导轮、涡轮不同程度磨损，会产生轴向的推动力推着曲轴沿轴向运动，加剧了曲轴止推环的磨损，最终导致曲轴撞击断裂。加装发动机曲轴轴向位移、径向振动测量装置，会及时检测数据，从而对相关部位进行检查，提前发现并解决问题，避免发动机故障扩大，此装置还可以用来监测发电机、压缩机、齿轮分动箱、传动轴等较大旋转机械轴的径向振动、轴向位移或转速或偏心等，进行观测和机械装置的安全保护。

1 设备概况

履带推土机是露天矿生产辅助设备之一，长期在恶劣环境下生产作业，导致发动机超时运行。为了能使履带推土机发动机和其他零部件更好发挥作用，降低发动机故障。决定在发动机曲轴前端加装轴向位移、径向振动的测量装置。提前预测发动机机械故障，方便司机与检修人员确认故障部位及分析机械损坏的程度。避免和预防发动机较大机械故障的发生，为设备长期稳定运行奠定基础。

2 技术改造路线

第一步：在D10T 推土机现有的顾问系统增加一部显示器或开发板显示器，将电涡流位移传感器传输的信号生成数字形式来显示曲轴的位移距离。

第二步：C27 发动机前端曲轴硅油减震器前端上部加装不锈钢板支架，固定在发动机前壳体上；在不锈钢板支架上加工带螺纹的通孔来安装传感器，采用带铠装的延伸电缆连接前置放大器；前置放大器集中安装在机器的同一侧，实现对曲轴轴向位移与径向振动的测量。

2.1 电涡流传感器的选择

电涡流传感器测量原理是法拉第电磁感应定律与楞兹定律相结合的测量装置。

（1）电涡流需要选择导电的材料才可以形成。为传感器线圈输入交变电流，这时就在传感器内部线圈的边缘形成了一个磁场空间。如果这时导电的材料进入到这个磁场空间，导电的材料会产生电涡流。被测硅油减震器端面的电涡流磁场方向与传感器线圈的磁场相反，从而改变了传感器内部线圈产生的阻抗值，重要的是阻抗值的变化同线圈和要被测量的硅油减震器端面的间距相关。

（2）将收集的信号经前置放大器输送至控制器仪表。电涡流传感器是以获取电压值的变化量为依据从而算出被测硅油减震器与传感器的轴向距离。

电涡流测量的优点是能测量所有具有导电特性的材料，而且是可以透过绝缘体测量的，即使硅油减震器或其他旋转部件的表面覆盖一层油漆，也可成为电涡流传感器的被测物。电涡流传感器特别的圈式绕组设计加之外形极致紧凑，才能满足在设备发动机工作时的高温环境下进行测量。

2.2 对测量结果产生影响的因素

2.2.1 减震器端面光洁度

曲轴硅油硅油减震器端面与传感器相对，硅油硅油减震器端面光洁程度直接会影响到测量结果，特别是对曲轴的径向振动测量，表面油漆喷涂不光滑有凹凸处，这时测量的信号误差与曲轴工作中实际产生的振动信号叠加。由于叠加信号在控制器内无法正确识别，所以被测曲轴硅油减震器轴向与径向表面实际的测量中会带来较大的误差，因此要把硅油减震器的上端面与前端面使用抛光棉进行光洁处理，确保修复处理好划痕、空洞、凸凹、沟槽等缺陷。对于振动测量被测曲轴硅油减震器上端面粗糙度要求在0.4～0.8 μm。对于位移测量被测曲轴硅油减震器前端面粗糙度表面粗糙度要求在0.4～1.6 μm。发动机曲轴硅油减震器被测两处端面光洁后达到传感器所需要的粗糙度。

2.2.2 被测物体材料

电涡流传感器测量的灵敏度与被测曲轴硅油减震器自身的电阻率、导磁率相关。曲轴硅油减震器是导磁材料，45#钢和结构钢等同时存在磁效应和涡流效应，这两种效应相反，会抵消部分涡流效应、降低电涡流传感器灵敏度。如果被测量物体是非导磁或者是较弱的导磁材料（如铜、铝、合金钢）时，磁效应就弱相对涡流效应会增强，电涡流传感器的灵敏度就会升高，如45#钢的介电强度为8.2 V/mm 而40CrMo 钢的为8.0 V/mm。由于大多数设备的转轴材料是40CrMo 或与之接近的材料，因此电涡流传感器整个系统采用40CrMo 材料去做出厂调试和校准，能够适合大多数的测量对象。但是设备曲轴硅油减震器材料选用40CrMo 比较适合，可以保证测量的准确性。

2.2.3 数据传输高频同轴电缆和外界磁场

高频同轴电缆也是影响电涡流传感器电气性能的一个主要原因。由于传感器工作在高频状态振荡频率约1 MHz，所以高频同轴电缆的频率衰减、温度特性、阻抗、长度等都会影响传感器性能。因此，电涡流位移传感器高频同轴电缆不能互换。电涡流传感器是电感式电涡流效应原理，因此对于发动机本身和周边部件所产生的磁场影响，必须在设备发动机曲轴轴向位移、径向振动测量中充分给予考虑。较强的外界磁场一定会影响传感器的性能。当外界静磁场强度一定时，静磁场方向与涡流磁场可能呈现各种状况，而一旦外界静磁场方向确定，其对涡流磁场的干扰也就是一定的。所以在实际的曲轴轴向位移和径向振动测量中，静磁场的影响可以通过现场的试验去测量传感器灵敏度的变化，通过后续电路或软件算法排除。对于外界交变磁场，如发电机、启动机等，其磁场方向和强度可能不是一个确定的值，针对发动机附属零部件存在一定的交变磁场，一般采取磁场屏蔽措施来减小影响。

2.2.4 电涡流传感器性能

电涡流传感器壳体用于连接和固定传感器头部，壳体采用不锈钢制成，上面刻有标准螺纹，并备有锁紧螺母。为了能适应不同的设备应用和安装位置，传感器壳体具有不同的形式和不同的螺纹及尺寸规格。前置放大器是整个传感器测量系统中信号转换处理中心：前置放大器也同时为传感器的线圈提供高频交流激励电流保证电涡流传感器正常的测量工作所需；前置放大器器经过内部特殊电路感应出传感器头部与曲轴硅油减震器端面之间间隙的变化，内部处理后生成了随间隙线性变化而变化的电压或电流输出信号。选用ML33 系列前置放大器A 型，外壳适合轴向位移、径向振动测量装置的安装。

安装传感器时，要确定传感器的线性测量范围与被测量间隙的变化量，当被测量间隙变化量与传感器的线性工作范围接近时，就要注意在选型时应使所选的传感器线性范围大于被测间隙的15%以上。通常：测量曲轴振动时，将传感器与曲轴硅油减震器上端的间隙调整到传感器线性中点；测量曲轴位移时，根据曲轴位移方向变化量较大一侧来决定安装间隙同时要固定锁紧传感器。当曲轴轴向位移远离传感器端部的方向有变化时，安装所需间隙应设定在线性近端，反之则应设定在线性远端。调整传感器安装间隙可以采用下列方法。

2.2.4.1 电涡流传感器的性能及连接

应根据发动机曲轴硅油减震器测量位置及量程、曲轴硅油减震器前后空间尺寸、最主要的测量硅油减震器材料特性等，来选择合适的电涡流传感器。首先检查电涡流传感器的外观完好成度、确保电涡流传感器探头直径与前置放大器型号中所要求的传感器相同、电涡流传感器后端的电缆长度加上延伸部分要符合前置放大器对电缆长度上的要求。选择合适的电涡流传感器组合各部分形成闭环，使用开关电源24 V 直流供电重新校准。校准时要特别关注校准的材料是否与曲轴硅油减震器的材料一致或成分相近。

（1）在发动机前端盖上预留的螺栓丝扣上安装传感器支撑架固定电涡流传感器，如果在发动机内部安装电涡流传感器，需要在支撑架上两侧使用螺母和止退垫片进行锁固；如果在发动机外部安装传感器，需在测量位置的机壳上面加工带螺纹的通孔。

（2）紧固安装传感器支撑架到发动机前端盖。外部安装传感器，先将传感器安装紧固在传感器支撑架上并锁紧要保证传感器牢靠，再将传感器支撑架紧固到发动机前端盖安装螺孔内。

（3）被测表面要微调调整传感器与硅油硅油减震器前端的相对间隙。根据不同的用途，电涡流传感器的初始安装间隙也有不同的要求。

（4）间隙调整后紧固传感器。对于机器内部安装传感器，如果是使用角钢做支撑架必须用两个螺母去背紧，使用夹块就用紧固螺钉锁紧固定；对于机器外部安装传感器，就紧固外部安装支撑架。所有紧固的螺钉、螺母都应加止退垫圈防止传感器松动改变测量精度。

2.2.4.2 连接及安装的注意事项

将电涡流传感器、延伸电缆、前置放大器、系统电源全面建立连接，使用多用表电压档观测前置放大器的输出信号，同时来调整电涡流传感器与被测曲轴硅油硅油减震器端面的间隙，当前置放大器的输出信号电压等于安装间隙所对应的电压或电流时，该值可由传感器校准数据单中查到，通过测量前置放大器输出电压值来确定电涡流传感器的安装间隙。需要注意的是，该显示结果有时会产生一种假象：当电涡流传感器的探头部分未完全露出安装通孔时，被安装通孔周围的金属影响，可能会使前置放大器的输出等于安装间隙所对应的电压或电流输出值。

传感器调整到正确的安装位置，前置放大器的输出应该是：首先是较大的饱和输出（此时传感器还未放入安装通孔中），然后是较小的输出（此时传感器放进安装通孔内），继续将传感器塞进安装通孔，前置发大器的输出会变为最大的输出（此时传感器头部露出安装通孔，但与被测面的间隙较大），再继续塞入传感器，只有当前置放大器的输出等于安装间隙相对应的值，传感器才是正确的安装间隙。

2.2.4.3 延伸电缆

延伸电缆是连接传感器与前置放大器的关键部件、也是影响传感器性能的主要因素之一。安装延伸电缆应该保证在高温振动的工作环境中不容易受到损伤。尽量采用线管道铺设或带外层保护套和铠甲的延伸电缆。电缆过长不能随意剪断，否则可能造成传感器严重超差或不能正常工作。

（1）在盘放延伸电缆，由于其材料关系，应避免因盘放半径过小而导致电缆折断。

（2）在选型时，应保证延伸电缆的长度加传感器电缆的长度之和大于传感器安装处到前置放大器安装处的距离，前置放大器是集中安装在发动机的同一侧。

（3）电缆转接头和延伸电缆、传感器电缆的接头是与信号“地”相连的，而且不具有密封性。为了避免连接处进行绝缘保护，使用绝缘热缩管包裹外部穿线管隔离固定。不适用电工胶带来绝缘传感器接头，降低粘性物污染传感器，确保传感器清洁无污。