船舶柴油机曲轴裂纹故障磁记忆在线诊断技术研究

[6] 大的异常应力，而且由于船体变形等原因，容易产生弯曲附加应力 。严重的扭转振动
对柴油机危害很大,能影响轴系的扭转应力,导致轴系疲劳断裂； 轴系的断裂事故具有潜 伏性、突发性，人工极难判别，事故一旦发生具有毁灭性的破坏。这不仅仅是经济上的 损失,更重要的是给船舶的安全营运带来巨大的潜在危险,尤其是在灾害性的海况中。 根据对曲轴断裂事故的统计， 断轴中除一部分是由于碾瓦和平衡块螺钉脱落引起的 外， 多数属于早期疲劳断裂。 从对部分断轴进行的断裂失效分析中可知 （见下文另述） ， 断轴的疲劳裂纹几乎全部起源于曲柄销与曲柄臂之间应力集中较大的圆根部位， 属于低 应力高周疲劳断裂[7]。对柴油机曲轴实施无损检测是非常必要，而且具有十分重要的实 际意义。 金属磁记忆检测技术是无损检测领域的一门新学科[8-10]。 由于载荷的作用,处于地磁 场环境下铁磁构件表面会出现自发漏磁场， 在应力集中部位自发漏磁场的磁场强度法向 分量Hp(y)值会改变符号且具有零值，该磁信号在载荷移除后依然保留。金属磁记忆检 测技术是基于磁弹性和磁机械效应,通过检测Hp(y)的分布来发现铁磁构件潜在的危险 部位，本文将利用磁记忆检测技术对曲轴进行在线监测，实现动态诊断。
船舶柴油机曲轴裂纹故障磁记忆在线诊断技术研究
第一章 绪论
21 世纪是海洋世纪，随着世界经济的发展，航运业也得到飞速发展，经济全球化 和世界物流业的发展对于航运的需求进一步提高，据统计，全球 80%以上的货物是通 过船舶运输完成周转的。 柴油机是船舶的主要推进装置和动力装置之一， 其运行工况的 好坏将直接影响到船舶的安全以及货物的运输和物流业的发展， 也可能进一步影响到区 域经济的发展。 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 的正常运行和船舶的安全营运。 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判断， 具有一定的滞后性， 本文拟采用 金属磁记忆检测方法对柴油机曲轴进行在线监测，这可以在曲轴发生破坏之前给予预 警，防止破坏发生。 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[1][2]，该 技术借助于天然的地磁场作用， 金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，能够对铁磁性金属构件进行早期诊断和寿命的评估工作[3]。
Keywords: marine diesel engine, crankshaft, magnetic memory test, nondestructive test，on-line detect
学术诚信声明
兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行的研究工 作及取得的研究成果。除文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 本人 依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人（签名） ： 时 间：
关键词：船舶柴油机，曲轴，磁记忆检测，无损检测，在线诊断
Research of magnetic memory on-line detect on the crack of marine diesel engine crankshaft
Abstract
The crankshaft is one of the primary components of the diesel engine, which is high-cost and works in bad condition. Once damaged, it would not only bring the fatal destroy to the marine diesel engine, but also imperil the safety of ships directly. Presently, the stress of the crankshaft has been accounted when designing, or checked-up after the accident. However, as a result of the error of setting, the unequal combustion of each cylinder, the parts worn off, aged parts, the vibration of the shafting, etc, the factual stress of the shafting can not maintain the theoretic state, the rupture shafting of the engine or the tail-shaft occurred frequently. Diagnosing the crack of shafting on-line will avoid the engine to be destroyed and reduced the loss of accident greatly. As a new kind of metal nondestructive testing technique, the Metal Magnetic Memory Testing (MMMT) technique was brought out in the last ten years, which apply to the crankshaft as the ferromagnet, to find the stress collected and detect the crack. The sensor used as MMMT is simple, and will not affect the function of diesel engine. It adapt to long-term detect online. The primary task of this paper is: 1. The mechanism of the MMMT technique is studied. Considering the demand of the MMMT, the formula of piezomagnetism action is educed, through deducing magnetoelastic effect. The Magnetism Memory phenomenon is verified by carrying out experiments, and bring out one important characteristic of the Magnetism Memory, namely HpY(0) position. The position is superposition with prefabricated crack’s position, stress concentration’s position can be located through scanning along different generatrixex of piece test. 2. The information of the crankshaft’s crack of diesel engine is collected to analyze and research the growing rule of the crack early. The information is collected and classified from the
1.1 引言
曲轴是柴油机最重要的运动部件之一，其制造周期长，加工工艺复杂，造价高，其
[4] 价值是柴油机总价的20%左右 。柴油机轴系是指曲轴及与之相连的运动件的总成，由
于气体力及活塞连杆的往复惯性力作用于曲轴的扭矩始终是周期性变化的,因此,任何 一台柴油机的轴系在运转中总是存在着扭转振动[5]。此外，船舶在航行中可能会出现较
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shipyard and the marine engineering department and the literature, filtrate the representative crack of shafting. Using the fracture mechanics and crankshaft crack propagation rule which consulted the stress-intensity factor to analyzing the fracture process of the crankshaft. 3. Constructing the simulative experimental platform, validating the fracture process of crankshaft. The small diesel engine is used for building the experimental platform mainly, which can carry out different test in case of the variable velocity, variable load, the variable temperature and the oil mist in the engine crankcase. It helped the magnetic memory test to come true, with practicability and reliability. 4. Studying the characteristic of magnetic memory signal of the diesel engine crankshaft, which be in the variable velocity, variable load and variable temperature, to improve the function of the software and hardware of the diagnostic system, and it will create the condition for the science and research in the future.