柴油机齿轮系与曲柄连杆机构典型故障仿真模拟与监测研究

摘要

柴油发动机是社会生产生活的重要动力源，在船舶、核电、化工、交通等多领域广泛使用。柴油机结构复杂、激励源多，长期受不平衡惯性力、爆燃冲击力作用，其运动件、易损件故障频发。当前柴油断齿故障、曲柄连杆机构故障研究成果很多但研究方法较为传统，缺乏对其它关联零部件原因导致的故障进行精确分析的方法，因此常出现故障不能一次性彻底解决的问题。柴油机故障轻则停机维修造成企业和社会巨大经济损失，重则引起机组失控危及人身安全影响企业声誉。因此提高柴油机故障分析诊治水平，发展柴油机故障在线监测诊断技术实现故障预警，降低恶性故障发生概率减小故障损失极具社会和经济价值。
　　本文针对柴油机实际运行中齿轮系与曲柄连杆机构故障频发，严重危害机组稳定安全运行的问题，考虑到实际故障数据缺乏，部分故障进行故障模拟实验难度大、风险高、成本昂贵的现状，采用计算机建模仿真技术，结合实验与实践验证的方式，开展柴油机齿轮系与曲柄连杆机构故障机理与监测研究。论文的主要研究内容如下:
　　(1)针对曲轴窜动超标导致传动齿轮断齿故障，开展了曲轴窜动对传动齿轮动态载荷影响的多体动力学仿真研究，获得了齿轮载荷动态变化规律。在此基础上，开展推力轴承磨损速率的影响因素研究，获得了推力轴承磨损速率的改变规律。研究成果为柴油机曲轴窜动与断齿故障的分析诊治与监测奠定基础。
　　(2)针对连杆大头瓦常见的间隙异常、承压区严重磨损故障，开展了故障后轴瓦润滑状态的弹流润滑仿真研究，获得了故障状态轴瓦润滑参数变化规律、轴瓦温度分布特征，为柴油机连杆大头瓦故障分析与基于温度监测的轴瓦故障监测奠定基础。
　　(3)针对曲轴窜动对齿轮动态载荷影响研究难以通过实验模拟验证的问题，采用实际机组曲轴窜动导致凸轮轴齿轮断齿故障案例进行验证。基于连杆大头瓦故障后显著的温度变化特征，开展大头瓦磨损故障实验模拟，采用测量到的轴瓦温度变化规律对仿真结果进行验证。结合海水泵断齿故障，对比分析不同故障状态下机组的振动信号特征，为基于振动监测的柴油机故障监测奠定基础。
　　本文研究成果揭示了柴油机齿轮系与曲柄连杆机构故障机理及监测信号变化特征，已被应用到柴油机实际故障监测工作中，提升了对柴油机故障分析诊治的效率，优化了柴油机故障监测测点方案布置，形成了理论指导并获得了良好效果。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 柴油机正时齿轮系故障研究现状

1．2．2 柴油机连杆瓦故障研究现状

1．3 本文研究内容及结构安排

第二章 柴油机曲轴窜动对传动齿轮动态载荷影响研究

2．1 引言

2．2 曲轴窜动对传动齿轮动态载荷的影响研究

2．2．1 曲轴窜动仿真模型建模

2．3．2 曲轴窜动仿真参数确定

2．3．3 曲轴窜动仿真计算结果分析

2．3 推力轴承磨损速率主要影响因素研究

2．3．1 推力轴承磨损仿真模型建模

2．3．2 推力轴承磨损速率影响仿真结果分析

2．4 本章小结

第三章 大头瓦间隙异常及承压区严重磨损故障仿真模拟研究

3．1 引言

3．2 连杆大头瓦故障弹流润滑仿真模型建模

3．2．1 有限元模型及AVL模型建模

3．2．2 仿真边界条件确定

3．3 连杆大头瓦间隙异常仿真结果分析

3．3．1 轴瓦间隙对最小油膜厚度的影响

3．3．2 轴瓦间隙对峰值油膜压力的影响

3．3．3 轴瓦间隙对粗糙接触压力的影响

3．3．4 轴瓦间隙对油膜及轴瓦温度的影响

3．4 连杆大头瓦承压区严重磨损仿真结果分析

3．4．1 轴瓦磨损对最小油膜厚度的影响

3．4．2 轴瓦磨损对峰值油膜压力的影响

3．4．3 轴瓦磨损对粗糙接触压力的影响

3．4．4 轴瓦磨损对油膜及轴瓦温度的影响

3．5 本章小结

第四章 柴油机故障实验模拟研究与工程案例分析研究

4．1 引言

4．2 大头瓦磨损故障仿真的实验模拟验证

4．2．1 故障模拟实验台的建设

4．2．2 实验目的及意义

4．2．3 实验流程介绍

4．2．4 实验结果数据分析

4．3 凸轮轴正时齿轮断齿故障案例分析研究

4．3．1 故障概述

4．3．2 故障分析

4．4 海水泵齿轮断齿故障案例分析研究

4．4．1 故障概述

4．4．2 故障分析

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 论文的主要成果

5．2 展望

参考文献

致谢

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