孫常勇

（華能伊敏煤電有限責(zé)任公司伊敏露天礦，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021130）

0 引言

履帶推土機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)運(yùn)行中存在突發(fā)故障，在發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期工作后，曲軸軸瓦磨損間隙增大、止推環(huán)磨損，導(dǎo)致曲軸軸向間隙增大產(chǎn)生竄動(dòng)，加劇發(fā)動(dòng)機(jī)故障發(fā)生，給檢修工作帶來(lái)很大不便。由于軸向竄動(dòng)間隙較小時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)沒有明顯變化，設(shè)備作業(yè)時(shí)各部噪音較大，司機(jī)受影響很難聽到和看到有變化。發(fā)動(dòng)機(jī)在配氣機(jī)構(gòu)故障時(shí)異響不易察覺，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、凸輪軸在徑向振動(dòng)方面會(huì)體現(xiàn)出來(lái)，雖然不是很明顯但會(huì)加劇發(fā)動(dòng)機(jī)故障發(fā)生。變扭器內(nèi)部軸承磨損導(dǎo)致泵輪、導(dǎo)輪、渦輪不同程度磨損，會(huì)產(chǎn)生軸向的推動(dòng)力推著曲軸沿軸向運(yùn)動(dòng)，加劇了曲軸止推環(huán)的磨損，最終導(dǎo)致曲軸撞擊斷裂。加裝發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸向位移、徑向振動(dòng)測(cè)量裝置，會(huì)及時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)，從而對(duì)相關(guān)部位進(jìn)行檢查，提前發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，避免發(fā)動(dòng)機(jī)故障擴(kuò)大，此裝置還可以用來(lái)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、齒輪分動(dòng)箱、傳動(dòng)軸等較大旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的徑向振動(dòng)、軸向位移或轉(zhuǎn)速或偏心等，進(jìn)行觀測(cè)和機(jī)械裝置的安全保護(hù)。

1 設(shè)備概況

履帶推土機(jī)是露天礦生產(chǎn)輔助設(shè)備之一，長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境下生產(chǎn)作業(yè)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)超時(shí)運(yùn)行。為了能使履帶推土機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和其他零部件更好發(fā)揮作用，降低發(fā)動(dòng)機(jī)故障。決定在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸前端加裝軸向位移、徑向振動(dòng)的測(cè)量裝置。提前預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障，方便司機(jī)與檢修人員確認(rèn)故障部位及分析機(jī)械損壞的程度。避免和預(yù)防發(fā)動(dòng)機(jī)較大機(jī)械故障的發(fā)生，為設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

2 技術(shù)改造路線

第一步：在D10T 推土機(jī)現(xiàn)有的顧問(wèn)系統(tǒng)增加一部顯示器或開發(fā)板顯示器，將電渦流位移傳感器傳輸?shù)男盘?hào)生成數(shù)字形式來(lái)顯示曲軸的位移距離。

第二步：C27 發(fā)動(dòng)機(jī)前端曲軸硅油減震器前端上部加裝不銹鋼板支架，固定在發(fā)動(dòng)機(jī)前殼體上；在不銹鋼板支架上加工帶螺紋的通孔來(lái)安裝傳感器，采用帶鎧裝的延伸電纜連接前置放大器；前置放大器集中安裝在機(jī)器的同一側(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)曲軸軸向位移與徑向振動(dòng)的測(cè)量。

2.1 電渦流傳感器的選擇

電渦流傳感器測(cè)量原理是法拉第電磁感應(yīng)定律與楞茲定律相結(jié)合的測(cè)量裝置。

（1）電渦流需要選擇導(dǎo)電的材料才可以形成。為傳感器線圈輸入交變電流，這時(shí)就在傳感器內(nèi)部線圈的邊緣形成了一個(gè)磁場(chǎng)空間。如果這時(shí)導(dǎo)電的材料進(jìn)入到這個(gè)磁場(chǎng)空間，導(dǎo)電的材料會(huì)產(chǎn)生電渦流。被測(cè)硅油減震器端面的電渦流磁場(chǎng)方向與傳感器線圈的磁場(chǎng)相反，從而改變了傳感器內(nèi)部線圈產(chǎn)生的阻抗值，重要的是阻抗值的變化同線圈和要被測(cè)量的硅油減震器端面的間距相關(guān)。

（2）將收集的信號(hào)經(jīng)前置放大器輸送至控制器儀表。電渦流傳感器是以獲取電壓值的變化量為依據(jù)從而算出被測(cè)硅油減震器與傳感器的軸向距離。

電渦流測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是能測(cè)量所有具有導(dǎo)電特性的材料，而且是可以透過(guò)絕緣體測(cè)量的，即使硅油減震器或其他旋轉(zhuǎn)部件的表面覆蓋一層油漆，也可成為電渦流傳感器的被測(cè)物。電渦流傳感器特別的圈式繞組設(shè)計(jì)加之外形極致緊湊，才能滿足在設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的高溫環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量。

2.2 對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響的因素

2.2.1 減震器端面光潔度

曲軸硅油硅油減震器端面與傳感器相對(duì)，硅油硅油減震器端面光潔程度直接會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果，特別是對(duì)曲軸的徑向振動(dòng)測(cè)量，表面油漆噴涂不光滑有凹凸處，這時(shí)測(cè)量的信號(hào)誤差與曲軸工作中實(shí)際產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)疊加。由于疊加信號(hào)在控制器內(nèi)無(wú)法正確識(shí)別，所以被測(cè)曲軸硅油減震器軸向與徑向表面實(shí)際的測(cè)量中會(huì)帶來(lái)較大的誤差，因此要把硅油減震器的上端面與前端面使用拋光棉進(jìn)行光潔處理，確保修復(fù)處理好劃痕、空洞、凸凹、溝槽等缺陷。對(duì)于振動(dòng)測(cè)量被測(cè)曲軸硅油減震器上端面粗糙度要求在0.4～0.8 μm。對(duì)于位移測(cè)量被測(cè)曲軸硅油減震器前端面粗糙度表面粗糙度要求在0.4～1.6 μm。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸硅油減震器被測(cè)兩處端面光潔后達(dá)到傳感器所需要的粗糙度。

2.2.2 被測(cè)物體材料

電渦流傳感器測(cè)量的靈敏度與被測(cè)曲軸硅油減震器自身的電阻率、導(dǎo)磁率相關(guān)。曲軸硅油減震器是導(dǎo)磁材料，45#鋼和結(jié)構(gòu)鋼等同時(shí)存在磁效應(yīng)和渦流效應(yīng)，這兩種效應(yīng)相反，會(huì)抵消部分渦流效應(yīng)、降低電渦流傳感器靈敏度。如果被測(cè)量物體是非導(dǎo)磁或者是較弱的導(dǎo)磁材料（如銅、鋁、合金鋼）時(shí)，磁效應(yīng)就弱相對(duì)渦流效應(yīng)會(huì)增強(qiáng)，電渦流傳感器的靈敏度就會(huì)升高，如45#鋼的介電強(qiáng)度為8.2 V/mm 而40CrMo 鋼的為8.0 V/mm。由于大多數(shù)設(shè)備的轉(zhuǎn)軸材料是40CrMo 或與之接近的材料，因此電渦流傳感器整個(gè)系統(tǒng)采用40CrMo 材料去做出廠調(diào)試和校準(zhǔn)，能夠適合大多數(shù)的測(cè)量對(duì)象。但是設(shè)備曲軸硅油減震器材料選用40CrMo 比較適合，可以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2.2.3 數(shù)據(jù)傳輸高頻同軸電纜和外界磁場(chǎng)

高頻同軸電纜也是影響電渦流傳感器電氣性能的一個(gè)主要原因。由于傳感器工作在高頻狀態(tài)振蕩頻率約1 MHz，所以高頻同軸電纜的頻率衰減、溫度特性、阻抗、長(zhǎng)度等都會(huì)影響傳感器性能。因此，電渦流位移傳感器高頻同軸電纜不能互換。電渦流傳感器是電感式電渦流效應(yīng)原理，因此對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)本身和周邊部件所產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響，必須在設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸向位移、徑向振動(dòng)測(cè)量中充分給予考慮。較強(qiáng)的外界磁場(chǎng)一定會(huì)影響傳感器的性能。當(dāng)外界靜磁場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí)，靜磁場(chǎng)方向與渦流磁場(chǎng)可能呈現(xiàn)各種狀況，而一旦外界靜磁場(chǎng)方向確定，其對(duì)渦流磁場(chǎng)的干擾也就是一定的。所以在實(shí)際的曲軸軸向位移和徑向振動(dòng)測(cè)量中，靜磁場(chǎng)的影響可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)去測(cè)量傳感器靈敏度的變化，通過(guò)后續(xù)電路或軟件算法排除。對(duì)于外界交變磁場(chǎng)，如發(fā)電機(jī)、啟動(dòng)機(jī)等，其磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度可能不是一個(gè)確定的值，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)附屬零部件存在一定的交變磁場(chǎng)，一般采取磁場(chǎng)屏蔽措施來(lái)減小影響。

2.2.4 電渦流傳感器性能

電渦流傳感器殼體用于連接和固定傳感器頭部，殼體采用不銹鋼制成，上面刻有標(biāo)準(zhǔn)螺紋，并備有鎖緊螺母。為了能適應(yīng)不同的設(shè)備應(yīng)用和安裝位置，傳感器殼體具有不同的形式和不同的螺紋及尺寸規(guī)格。前置放大器是整個(gè)傳感器測(cè)量系統(tǒng)中信號(hào)轉(zhuǎn)換處理中心：前置放大器也同時(shí)為傳感器的線圈提供高頻交流激勵(lì)電流保證電渦流傳感器正常的測(cè)量工作所需；前置放大器器經(jīng)過(guò)內(nèi)部特殊電路感應(yīng)出傳感器頭部與曲軸硅油減震器端面之間間隙的變化，內(nèi)部處理后生成了隨間隙線性變化而變化的電壓或電流輸出信號(hào)。選用ML33 系列前置放大器A 型，外殼適合軸向位移、徑向振動(dòng)測(cè)量裝置的安裝。

安裝傳感器時(shí)，要確定傳感器的線性測(cè)量范圍與被測(cè)量間隙的變化量，當(dāng)被測(cè)量間隙變化量與傳感器的線性工作范圍接近時(shí)，就要注意在選型時(shí)應(yīng)使所選的傳感器線性范圍大于被測(cè)間隙的15%以上。通常：測(cè)量曲軸振動(dòng)時(shí)，將傳感器與曲軸硅油減震器上端的間隙調(diào)整到傳感器線性中點(diǎn)；測(cè)量曲軸位移時(shí)，根據(jù)曲軸位移方向變化量較大一側(cè)來(lái)決定安裝間隙同時(shí)要固定鎖緊傳感器。當(dāng)曲軸軸向位移遠(yuǎn)離傳感器端部的方向有變化時(shí)，安裝所需間隙應(yīng)設(shè)定在線性近端，反之則應(yīng)設(shè)定在線性遠(yuǎn)端。調(diào)整傳感器安裝間隙可以采用下列方法。

2.2.4.1 電渦流傳感器的性能及連接

應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸硅油減震器測(cè)量位置及量程、曲軸硅油減震器前后空間尺寸、最主要的測(cè)量硅油減震器材料特性等，來(lái)選擇合適的電渦流傳感器。首先檢查電渦流傳感器的外觀完好成度、確保電渦流傳感器探頭直徑與前置放大器型號(hào)中所要求的傳感器相同、電渦流傳感器后端的電纜長(zhǎng)度加上延伸部分要符合前置放大器對(duì)電纜長(zhǎng)度上的要求。選擇合適的電渦流傳感器組合各部分形成閉環(huán)，使用開關(guān)電源24 V 直流供電重新校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)要特別關(guān)注校準(zhǔn)的材料是否與曲軸硅油減震器的材料一致或成分相近。

（1）在發(fā)動(dòng)機(jī)前端蓋上預(yù)留的螺栓絲扣上安裝傳感器支撐架固定電渦流傳感器，如果在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部安裝電渦流傳感器，需要在支撐架上兩側(cè)使用螺母和止退墊片進(jìn)行鎖固；如果在發(fā)動(dòng)機(jī)外部安裝傳感器，需在測(cè)量位置的機(jī)殼上面加工帶螺紋的通孔。

（2）緊固安裝傳感器支撐架到發(fā)動(dòng)機(jī)前端蓋。外部安裝傳感器，先將傳感器安裝緊固在傳感器支撐架上并鎖緊要保證傳感器牢靠，再將傳感器支撐架緊固到發(fā)動(dòng)機(jī)前端蓋安裝螺孔內(nèi)。

（3）被測(cè)表面要微調(diào)調(diào)整傳感器與硅油硅油減震器前端的相對(duì)間隙。根據(jù)不同的用途，電渦流傳感器的初始安裝間隙也有不同的要求。

（4）間隙調(diào)整后緊固傳感器。對(duì)于機(jī)器內(nèi)部安裝傳感器，如果是使用角鋼做支撐架必須用兩個(gè)螺母去背緊，使用夾塊就用緊固螺釘鎖緊固定；對(duì)于機(jī)器外部安裝傳感器，就緊固外部安裝支撐架。所有緊固的螺釘、螺母都應(yīng)加止退墊圈防止傳感器松動(dòng)改變測(cè)量精度。

2.2.4.2 連接及安裝的注意事項(xiàng)

將電渦流傳感器、延伸電纜、前置放大器、系統(tǒng)電源全面建立連接，使用多用表電壓檔觀測(cè)前置放大器的輸出信號(hào)，同時(shí)來(lái)調(diào)整電渦流傳感器與被測(cè)曲軸硅油硅油減震器端面的間隙，當(dāng)前置放大器的輸出信號(hào)電壓等于安裝間隙所對(duì)應(yīng)的電壓或電流時(shí)，該值可由傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)單中查到，通過(guò)測(cè)量前置放大器輸出電壓值來(lái)確定電渦流傳感器的安裝間隙。需要注意的是，該顯示結(jié)果有時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種假象：當(dāng)電渦流傳感器的探頭部分未完全露出安裝通孔時(shí)，被安裝通孔周圍的金屬影響，可能會(huì)使前置放大器的輸出等于安裝間隙所對(duì)應(yīng)的電壓或電流輸出值。

傳感器調(diào)整到正確的安裝位置，前置放大器的輸出應(yīng)該是：首先是較大的飽和輸出（此時(shí)傳感器還未放入安裝通孔中），然后是較小的輸出（此時(shí)傳感器放進(jìn)安裝通孔內(nèi)），繼續(xù)將傳感器塞進(jìn)安裝通孔，前置發(fā)大器的輸出會(huì)變?yōu)樽畲蟮妮敵觯ù藭r(shí)傳感器頭部露出安裝通孔，但與被測(cè)面的間隙較大），再繼續(xù)塞入傳感器，只有當(dāng)前置放大器的輸出等于安裝間隙相對(duì)應(yīng)的值，傳感器才是正確的安裝間隙。

2.2.4.3 延伸電纜

延伸電纜是連接傳感器與前置放大器的關(guān)鍵部件、也是影響傳感器性能的主要因素之一。安裝延伸電纜應(yīng)該保證在高溫振動(dòng)的工作環(huán)境中不容易受到損傷。盡量采用線管道鋪設(shè)或帶外層保護(hù)套和鎧甲的延伸電纜。電纜過(guò)長(zhǎng)不能隨意剪斷，否則可能造成傳感器嚴(yán)重超差或不能正常工作。

（1）在盤放延伸電纜，由于其材料關(guān)系，應(yīng)避免因盤放半徑過(guò)小而導(dǎo)致電纜折斷。

（2）在選型時(shí)，應(yīng)保證延伸電纜的長(zhǎng)度加傳感器電纜的長(zhǎng)度之和大于傳感器安裝處到前置放大器安裝處的距離，前置放大器是集中安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的同一側(cè)。

（3）電纜轉(zhuǎn)接頭和延伸電纜、傳感器電纜的接頭是與信號(hào)“地”相連的，而且不具有密封性。為了避免連接處進(jìn)行絕緣保護(hù)，使用絕緣熱縮管包裹外部穿線管隔離固定。不適用電工膠帶來(lái)絕緣傳感器接頭，降低粘性物污染傳感器，確保傳感器清潔無(wú)污。

3 改造效果

安裝此裝置是一個(gè)實(shí)驗(yàn)與改變的過(guò)程，加裝傳感器后改變?nèi)藶榈臋z測(cè)。用傳感器來(lái)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的軸向位移與徑向跳動(dòng)。去觀看數(shù)據(jù)決定機(jī)械是否存在故障，曲軸軸向間隙微弱的變化直接暴漏在司機(jī)或修理人員面前，使他們第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并去解決問(wèn)題，避免發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生嚴(yán)重機(jī)械故障，達(dá)到了預(yù)防性檢修效果。

4 總結(jié)

伊敏露天礦近幾年提倡科技興安鼓勵(lì)大家技術(shù)創(chuàng)新，不斷去研發(fā)、去創(chuàng)新，把好的技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)工作中，采用電渦流測(cè)量為礦廠工程機(jī)械設(shè)備探索一條新的檢測(cè)方法，去完善并發(fā)展。對(duì)礦現(xiàn)有的工程設(shè)備和其他主體設(shè)備的維修與故障預(yù)防具有示范和深遠(yuǎn)的推廣意義。