《故障诊断第五》PPT课件.ppt

第8章卷扬装置及其系统的监测与诊断,学习目标： 1、掌握钢丝绳磁检测技术 2、了解卷扬装置的振动检测方法 见教材机械系统工况监测与故障诊断第11章。,8.1 卷扬系统的组成及布置形式,卷扬系统组成 驱动电机、传动装置、制动装置、钢丝绳、滑轮、卷筒、取物装置、安全辅助装置等组成,1-电动机； 2-联轴节； 3-制动器； 4-齿轮减速器； 5-钢丝绳； 6-滑轮； 7-卷筒。,8.2 卷扬系统的振动诊断技术,散货装船机俯仰机构卷扬系统的振动分析 典型的装船机俯仰机构有电动机、制动器、减速器、滑轮、钢丝绳、卷筒等组成。电动机经减速器驱动卷筒旋转，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒中放出，从而使臂架俯仰。卷筒的正反转动是通过改变电动机的转向来实现的。,8.2 卷扬系统的振动诊断技术,俯仰机构的电动机、齿轮减速器、卷筒是系统重要的组成单元，承担动力传递任务，工作速度高，冲击载荷大，往往导致较为强烈的振动。其振动特征表现为非平稳、频率宽、振幅变化大、强度高。随着近几年起重机械大型化的发展趋势，俯仰机构出现的振动故障更加复杂，是机械故障诊断技术应用的重点之一。,8.2 卷扬系统的振动诊断技术,俯仰机构的电动机、齿轮减速器、卷筒、联轴器等是装船机前伸臂做俯仰动作时的主要激振源，它产生的振动故障会影响整台装船机的正常俯仰工作。下面以某港口一台大型煤炭装船机为例说明俯仰机构振动故障的诊断及排除过程。,8.2 卷扬系统的振动诊断技术,某港口装船机的主要性能参数为：额定生产率为6000T/h；峰值生产率为6800 T/h；设计船型为500035000DWT；最大外伸距28m；最小外伸距14m；机上皮带机带宽2.2m；大车轨距16m；最大行走速度30m/min；前伸臂俯仰钢丝绳收放速度8m/min，二档可调；悬臂伸缩速度06m/min；悬臂皮带机280m/min；溜筒伸缩速度10m/min。,8.2 卷扬系统的振动诊断技术,该装船机2003年8月自投产使用后一直存在整机振动较大的现象，特别是该机在前伸臂仰俯过程中整机产生持续地强烈振动，影响了司机的正常操作工作。为了诊断产生振动的故障原因，提出整改措施，对该机进行了振动检测 检测实施方案：,8.2 卷扬系统的振动诊断技术,（1）振动测量参数 振动加速度、振动速度（应变、速度、变形等）。 （2）测点位置的选择。 测点位置的选择对诊断效果影响较大，测点的数量及方向的确定应该能对装船机卷扬机构的状态作出全面地信息获取。轴承座往往是工作机构振动传递的主要路径，因此，对卷扬机构的电机、齿轮减速器、卷筒等部件测量时，测点的位置尽可能选在轴承座的轴承直径方向，且与轴承外圈最靠近的地方。,8.2 卷扬系统的振动诊断技术,（3）检测工况 主臂伸出6m后，在工作状态下前伸臂做小范围俯仰动作。 （4）测试记录时间 其采样频率为50Hz，时间为180秒左右。 （5）装船机俯仰驱动机构开式齿轮特征频率 俯仰驱动机构减速器型号为2SG 355，传动比i=18，俯仰电机型号为M3BP 355 ML，功率为315kW，额定转速n1=1000r/min。俯仰驱动机构有对开式渐开式圆柱齿轮，小齿轮与减速器输出轴相联，齿数Z1=20，大齿轮与卷筒相联，齿数Z2=68。,8.2 卷扬系统的振动诊断技术,从以上数据可以推算出：俯仰电机输出轴转频16.67Hz；减速器输出轴额定转速n2= n1/i=55.56r/min；这样小齿轮轴的转频为0.93Hz；大齿轮转频0.27Hz；开式渐开线圆柱齿轮的额定啮合振动频率为18.52 Hz。不过，在测试中，司机为了避免振动过大导致安全问题，降低了俯仰速度，从光电转速传感器测出的小齿轮轴实际转速为44 r/min，这样俯仰机构开式齿轮的实际啮合振动频率约为14.67 Hz。,（6）装船机振动信号分析,俯仰机构开式齿轮轴承座上的振动信号功率谱图,装船机悬臂顶端的振动信号功率谱图,装船机司机座位上的振动信号功率谱图,8.2 卷扬系统的振动诊断技术,从以上测试与数据分析结果推测出： 俯仰机构的开式齿轮啮合冲击是该卸船机发生整机强烈振动的根源。由于这对开式齿轮的基座刚度不够，受力时变形大，导致两个开式齿轮的啮合间隙较大，产生较强的冲击力，激发了该卸船机金属结构产生以固有频率为频率的有阻尼衰减振动。振动性质是齿轮的啮合冲击振动与金属结构有阻尼衰减振动的叠加。 验证：润滑开式齿轮后，振动减弱。 解决方案：加强开式齿轮座的联接刚度。,（7）装船机的减振措施,装船机俯仰机构开式齿轮座加固示意图,8.3 钢丝绳损伤的磁检测技术,8.3.1 钢丝绳损伤及检测方法 8.3.2 钢丝绳电磁检测技术 8.3.3 钢丝绳断丝的漏磁分析 8.3.4 钢丝绳金属截面积损失检测,8.3.1 钢丝绳损伤及检测方法, 钢丝绳缺陷 按缺陷产生机理，钢丝绳的缺陷分为: 磨损、腐蚀、断丝、变形及弹性减低等。 1）磨 损 磨损是钢丝绳常见的劣化形式。钢丝绳外部和内部都会发生磨损，外部磨损是指外部钢丝与滑轮或卷筒之间的摩擦引起的磨损，而内部磨损是指钢丝与钢丝之间、绳股与绳股之间产生的磨损。 磨损是钢丝绳金属截面积减少的主要原因，导致发生断丝。,磨损后的断丝,2）腐 蚀: 钢丝绳劣化的另一种主要形式，钢丝绳内、外部都可能发生。 腐蚀与使用环境: 海边、 水中。 腐蚀会使钢丝绳承载的有效金属截面积减少，加速磨损和断丝的发生，对钢丝绳机械性能影响很大 润滑钢丝绳会抑制和防止腐蚀的发生。,钢丝绳的腐蚀,3）断 丝 主要是钢丝绳弯曲疲劳、接触疲劳与挤压的综合作用结果。 弯曲疲劳最易导致断丝的发生。钢丝绳的断丝一般都发生在与滑轮或卷筒经常接触的绳段，因为这一绳段的钢丝除受到弯曲扭转力外，还受到较大的挤压力，易产生一定程度的磨损。,断 丝 主要是钢丝绳弯曲疲劳、接触疲劳与挤压的综合作用结果。,钢丝绳内外部都可能发生断丝，单层股（如六股、八股）钢丝绳断丝主要发生在外表面，但多层抗旋转钢丝绳的断丝主要发生在内部不同的股层之间。,4）变 形 钢丝绳失去正常形状而产生可见的畸形称为变形。变形会使钢丝绳的内部应力分布发生变化。 钢丝绳在使用中，外力的碰撞、过渡弯折都会引起变形，碰撞引起的较严重的变形称为“鸟笼”现象。 实际使用中，钢丝绳的缺陷很少是单一的一种模式，而是多种缺陷模式的组合。,从钢丝绳检测的角度看，钢丝绳缺陷可分为两大类型： LF型和LMA型 （1）局部缺陷型（Localized Fault, 简称LF型），是指钢丝绳局部位置上产生的损伤，主要包括内外部断丝、锈蚀斑点、局部形状异常等。,（2）金属截面积损失型 (Loss of Metallic Cross-sectional Area, 简称LMA型)，是指造成钢丝绳横截面上金属截面积减小的损伤，主要包括磨损、锈蚀、绳径缩细等。,8.3.1 钢丝绳损伤及检测方法, 钢丝绳缺陷检测方法 传统的钢丝绳检测方法是人工目视挂纱检查断丝，用卡尺测量直径的变化。 目视挂纱方法就是检测人员手抓棉纱并捋摸钢丝绳，钢丝绳以合适速度移动，若出现挂纱，则疑为断丝并将钢丝绳停下，在该处仔细观察。,8.3.1 钢丝绳损伤及检测方法,这种方法只能检查外部断丝，且断丝须向外翘曲。这种方法对现代工艺制造的钢丝绳检查效果越来越不理想，但目前仍是钢丝绳的一种常用检查方法。,8.3.1 钢丝绳损伤及检测方法,钢丝绳无损检测技术是在不破坏钢丝绳结构的情况下，应用一定的物理检测方法对钢丝绳的机械性质、内部结构、工作状态进行检测，并依据检测结果和一定的准则对钢丝绳状态作出评估。,8.3.1 钢丝绳损伤及检测方法,钢丝绳无损检测技术的方法和原理有十几种之多。有些检测方法由于原理上或技术上的限制很难在工程中应用，仅限于实验室研究。目前，已在工程中推广使用的主要是电磁检测法。,9,8.3.2 钢丝绳磁检测技术,早期的钢丝绳电磁无损检测仪原理如图8-8、8-9所示。其中图8-8所示方法采用了交流励磁，故称为AC方法。由于集肤效应，这种方法测量精度很差，钢丝绳检测仪器容易发热，而且每次测量都要把线圈缠绕在钢丝绳上，所以工程中使用极不方便。,8.3.2 钢丝绳磁检测技术,图8-9所示的钢丝绳无损检测装置采用直流线圈对钢丝绳励磁，故称为DC法。它利用差动检测线圈测量漏磁场，可以发现钢丝绳上的局部损伤缺陷。这种方法直到发明了分离式径向感应线圈之后，才被有效应用。直流励磁结构庞大，仪器笨重，操作复杂，线圈安装有困难，检测效果可靠性差。,图8-8 测量LMA的AC方法 图8-9 线圈检测漏磁通方法,8.3.2 钢丝绳磁检测技术,80年代后期至90年代中后期，在材料科学、计算机及电子集成电路的快速发展带动下，钢丝绳检测技术提高了一大步。励磁装置采用稀土永久磁铁，信号处理装置向集成化、数字化方向发展，整个检测仪器体积减少，重量减轻，功能增强。,8.3.2 钢丝绳磁检测技术,图8-10为增加了积分电路的检测装置。这种检测装置可定量检测钢丝绳金属截面积损失，定性分析断丝等局部缺陷。 用霍尔元件检测钢丝绳漏磁通和主磁通的方法得到了较大发展，如图8-11、图8-12所示，该装置一般采用稀土永久磁铁作为励磁装置，用集成霍尔元件和聚磁技术测量钢丝绳周围的漏磁通或主磁通,图8-10 积分线圈检测LMA 图8-11 霍尔元件检测漏磁通,近年来，利用弱磁检测技术检测钢丝绳缺陷有了一定进步。该方法将励磁装置与检测装置分离，一个检测探头适用的钢丝绳绳径范围比较宽，工程上应用比较方便。,图8-12 霍尔元件检测回磁通,积分线圈检测钢丝绳LMA,积分线圈检测钢丝绳LMA,积分线圈检测钢丝绳LMA,TCK弱磁检测探头,8.3.3 钢丝绳断丝的漏磁检测, 钢丝绳结构与漏磁 钢丝绳先由钢丝拧成股，股再沿绳芯拧成绳制成。钢丝和绳股在绳中呈空间螺旋线形式，股内各层钢丝间接触状态有点接触、 线接触和面接触。 绳股绕制方向分为顺绕、交绕和混合绕。绕制层次分为单绕、双绕和三绕。 绳芯有天然麻、石棉、塑胶、钢丝等。,8.3.3 钢丝绳断丝的漏磁检测,钢丝绳的金属截面积约为同直径钢棒截面积的45-65%，其余由空隙和非导磁材料占据。 磁化后的钢丝绳漏磁强度较大，其分布形态随结构不同而不同，股与股之间有漏磁，丝与丝之间也有漏磁，一部分漏磁在表面，一部份漏磁在绳内空隙中。,8.3.3 钢丝绳断丝的漏磁检测,钢丝绳固有结构产生的漏磁构成了漏磁检测的背景噪声，称为股波信号。 钢丝绳缺陷产生的漏磁叠加在背景漏磁场中。 根据铁磁材料缺陷漏磁场的特征及钢丝绳的结构特点，影响钢丝绳断丝漏磁场分布的有：钢丝绳直径、钢丝直径、断口距离、断丝错位、断丝翘曲程度，断丝在钢丝绳截面的位置、励磁磁场强度等多种因素。,根据铁磁材料缺陷漏磁场的特征及钢丝绳的结构特点，影响钢丝绳断丝漏磁场分布的有：钢丝绳直径、钢丝直径、断口距离、断丝错位、断丝翘曲程度，断丝在钢丝绳截面的位置、励磁磁场强度等多种因素。 钢丝绳直径越大，达到磁饱和所需的励磁磁场强度也越大。为了使钢丝绳四周磁化均匀，可采用多回路励磁方式。 如果钢丝绳直径较大，钢丝直径较小，断口又处在绳子内部，则不容易检出内部断丝。,铁磁材料矩形缺陷漏磁场的特征,钢丝直径越粗，则断裂后断口漏磁强度越大，表面断丝容易检出，有些内部断丝也能辨出。但如果钢丝太细，断口间距太小且紧靠一起，即使是表面断丝也不易检出。断口间距与漏磁曲线的宽度成正比。 由于钢丝在绳中呈空中螺旋线形式，工作中有扭矩作用，断丝后，断口大都不可能对齐，存在一定的错位，如图8-13所示，表面断丝尤其如此。有些断丝还存在一定程度地上翘，上翘对漏磁曲线和峰值影响较大，使峰值很高。,6.9.3 钢丝绳断丝的漏磁检测,一股中的集中断丝对钢丝绳周围的磁场分布影响较复杂。实际中，集中断丝的断口不可能整齐划一，典型的磨损疲劳断丝如图8-13所示。各断口之间呈空间螺旋排列，有一较小的间距。断口的漏磁场相互叠加，加上断丝错位及断丝上翘的影响，使得断丝处的漏磁强度与断丝根数不一定成线性关系。这样导致集中断丝的定量检测变得困难。,6.9.3 钢丝绳断丝的漏磁检测, 实例分析 从一实际检测的结果来分析断丝的漏磁通特征。检测对象为一根61928交互捻W型钢丝绳，钢丝直径1.8，麻芯，股距30mm。钢丝绳使用了较长时间。测试仪器为MTC-B型钢丝绳检测仪，检测原理是基于霍尔元件和聚磁环的漏磁检测，单回路饱和励磁。检测曲线如图8-14所示，人工统计的断丝数及检测仪给出的漏磁信号峰峰值见表11.4。,图8-13 61928交互捻W型钢丝绳断丝现象,图8-14 61928交互捻W型钢丝绳漏磁检测曲线,该钢丝绳的所有断丝几乎都分布在钢丝绳与滑轮接触的一侧，且断口位于钢丝磨损最大的部位。这种现象说明了断丝是由弯曲疲劳、接触疲劳、挤压的复合作用而产生的。检测曲线的大部份峰值间距约为30mm，等于股距，可知一股中的断丝不论多少只有一个波峰，原因有二条：一是一股中断丝间距比较近，25mm；二是聚磁环的聚磁作用。最大断口间距2.5mm，最小0.8mm，大部份断口间距约为11.2mm。,峰峰值是断丝漏磁强度的标志，最高的五处是峰24、峰29、峰21、峰22、峰19、对应的断丝根数分别为2根、1根、4根、3根、1根。峰24、峰29、峰19的形态显得较为尖锐，断丝根数却只1-2根。产生这种形态的原因是断口较宽，且断丝有一定程度上翘。可见断丝形态对峰值影响较大。断丝数最多的几处为峰21、峰22、峰23、峰14、峰9、峰6，断丝数分别为4根、3根、3根、3根、3根、3根。这几处波峰宽度比其它波峰要宽一点，但峰峰值却不是很大，原因是断口间距不大，且没有较大程度的上翘，断丝的漏磁场相互叠加，使波峰加宽。,从以上分析可以得出，判断断丝根数，除了考虑检测曲线峰峰值外，波峰宽度及形态（如波峰尖锐度）也是考虑的重要因素。 以上钢丝绳断丝检测的结果说明，钢丝绳断丝的漏磁信号比较复杂，判断断丝数量时，除了掌握检测原理外，还要多考虑检测信号的峰峰值、峰宽和波峰形态等信息，多积累工程经验。,8.3.4 钢丝绳金属截面积损失检测,LF的定量检测是很困难的，但在工程中，LMA定量检测技术相对比较成熟。用积分检测线圈和基于霍尔元件的主磁通检测都可以做到LMA定量测量，也可以通过基于霍尔元件的漏磁通法间接测量LMA。目前采用最多的是主磁通方法，即TMF方法（the Total Magnetic Flux Method），原理如图8-10。（http:/www.ndtte