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1、集美大学学报(自然科学版)第14卷第1期Vo.l14No.1JournalofJimeiUniversity(NaturalScience)[文章编号]1007-7405(2009)01-0036-05基于磁记忆技术的船舶柴油机曲轴裂纹动态监测廖建彬,蔡振雄,孙倩(集美大学轮机工程学院,福建厦门361021)[摘要]为了对曲轴疲劳破坏进行预警,防止疲劳断裂的突然发生,研究了基于金属磁记忆检测技术的柴油机曲轴动态监测.这样可以避免机损,降低事故损失,进一步保障船舶安全航行.[关键词]柴油机曲轴;金属
2、磁记忆检测;动态监测[中图分类号]U664121[文献标志码]A0引言曲轴是柴油机最主要的运动部件之一,其状态好坏将直接影响到柴油机的正常工作和船舶的安全运行.曲轴断裂是曲轴的主要故障之一,目前对于曲轴损伤的检测通常是在事后的检修或对滑油的检测来进行的,具有一定的滞后性,本文采用金属磁记忆检测方法对柴油机曲轴进行在线监测,这样可以在曲轴发生破坏之前给予预警,防止破坏发生.1金属磁记忆检测技术简介[1]金属磁记忆技术是20世纪90年代后期出现的一种新型金属无损检测技术,该技术借助于天然的地磁场作用,金
3、属内部各种微观缺陷和局部应力集中对磁作用的特殊反应机制,能够对铁磁性金属[2]构件进行早期诊断和寿命的评估工作.检测原理可以表述为:处于地磁环境下的铁制工件受工作载荷的作用,其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向,并在应力与变形集中区形成最大的漏磁场Hp的变化,如图1所示.即磁场的切向分量Hp(x)具有最大值,而法向分量Hp(y)改变符号且具有零值点,这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后仍继续保留.通过漏磁场法向分量Hp(y)的测定及K值(K=[3]dHp(y)/dx),便可以准确
4、地推断出工件的应力集中区.金属磁记忆诊断技术是利用缺陷或缺陷形成之前的微区变化在地球磁场作用下主动发出磁场变化[4-5]信息的这样一种特性,间接地判断铁磁性部件是否存在缺陷或应力集中区.当用磁化器磁化被检测铁磁材料时,若材料的材质是连续、均匀的,则材料中的磁感应线将被约束在材料中,磁通是平行于材料表面的(如图2a所示),几乎没有磁感应线从表面穿出,被检测工[收稿日期]2007-09-06[修回日期]2007-11-29[基金项目]福建省自然科学基金资助项目(A0410022)[作者简介]廖建彬
5、(1976),男,讲师,硕士生,从事现代轮机管理工程研究.第1期廖建彬,等:基于磁记忆技术的船舶柴油机曲轴裂纹动态监测∀37∀件表面没有磁场.但是,当材料中存在着切割磁力线的缺陷时,材料表面的缺陷或组织状态变化,会导致磁导率发生变化,由于缺陷的磁导率很小,磁阻很大,使磁路中的磁通发生畸变,磁感应线的流向会发生变化,除了部分磁通直接通过缺陷或通过材料内部来绕过缺陷外,还有部分磁通会泄露到材料表面上空,通过空气绕过缺陷再度重新进入材料,从而在材料表面缺陷处形成漏磁场(如图2b所示).在具有外磁场(地球磁场
6、)存在的条件下,承载的铁磁部件中会产生应力集中,并在应力集中部位出现磁导率减小、工作表面的漏磁场增大的现象,铁磁性金属部件所具有的这一特性称之为磁机械效应.由于这一增强了的磁场记忆!着部件的缺陷或应力集中的位置,故又称为磁记忆效应.2船舶柴油机曲轴的工作条件分析21曲轴的主要作用曲轴的主要作用是:把活塞的往复运动通过连杆变成回转运动;把各缸所做的功汇集起来向外输出和带动柴油机的附属设备.在曲轴带动的附属设备中,柴油机的喷油泵、进排气阀、启动空气分配器等均因正时的要求,必须由曲轴来驱动.柴油机曲轴结构
7、图如图3所示.22船舶柴油机曲轴的工作条件曲轴是一个弹性体,它在径向力、切向力和扭矩的作用下会产生扭转振动、横向振动和纵向振动.当曲轴的自振频率较低时,在发动机工作转速范围内可能出现共振,从而使振幅大大增加,产生很大的附加应力.这不仅容易造成曲轴的损伤和破坏,而且会恶化柴油机的工作性能.柴油机曲轴结构形状复杂,工作情况多变,工作中承受多种交变载荷,除了承受气缸的气体压力[6]及往复和旋转惯性力引起的周期性变化载荷,还可能承受扭转振动、弯曲振动和轴向振动,其受力情况十分复杂,这些力和力矩是造成曲轴应力集
8、中和疲劳损坏的主要原因.此外,曲轴的轴颈遭受磨损,特别是在润滑不良、机座或船体变形、轴承间隙不合适、超负荷运转或经常起停柴油机,轴颈的磨损会明显加剧.∀38∀集美大学学报(自然科学版)第14卷3曲轴的疲劳破坏曲轴在回转过程中受到各缸交变的气体力、往复惯性力和离心力以及由其所引起的弯矩、扭矩的作用,这些力不仅随曲柄转角变化,也随负荷变化.因此,曲轴在这些力的作用下发生弯曲和扭转变形,产生复杂的交变应力和引起曲轴的弯曲振动、扭转
