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机械设备故障诊断实施技术 第四章 概述 机械故障诊断技术包括对机械零件 机械设备机械系统 功能诊断和运行诊断 定期诊断和连续诊断 直接诊断和间接诊断 常规诊断和特殊诊断 简易诊断和精密诊断 1振动诊断技术 2无损诊断技术 3温度诊断技术 4润滑油样分析技术 机械故障诊断技术的分类 振动诊断技术 测振传感器是用来测量振动参量的传感器 根据所测振动参量和频响范围的不同 测振传感器分为三大类 振动位移传感器振动速度传感器振动加速度传感器 1测振传感器 1压电加速度传感器 某些电介质 当沿着一定的方向对其施力而使之变形时 其内部将发生极化现象 同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷 当外力去除后 电介质又重新恢复到不带电的状态 介质的这种机械能转换为电能的现象即为压电效应 图5 2压电式加速度传感器典型结构1一基座 2一压电元件 3一质量块 4一预紧弹簧 2电涡流振动位移传感器 电涡流传感器是一种新近研制成功的传感器 它利用导体在交变磁场作用下的电涡流效应 将形变 位移与压力等物理参量的改变转化为阻抗 电感等电磁参量的变化 由于电涡流传感器具有灵敏度高 频响范围宽 测量范围大 抗干扰能力强 不受介质影响 结构简单以及非接触测量等优点 而被广泛地应用于各工业领域 在汽轮发电机组 压缩机 离心机等大型旋转机械的轴振动 轴端窜动以及轴心轨迹监测中都有应用 此外 电涡流传感器还可用于测厚 测表面粗糙度 无损探伤 测流体压力 转速等一切可转化为位移的物理参量 以及硬度 温度等 5 3电涡流传感器的工作原理 图5 4CZF1型电涡流传感器结构图 2 电涡流传感器的结构 高频反射式电涡流传感器目前被广泛应用 一般由传感器头部 壳体 固定电缆和接头四部分组成 在机械故障的振动诊断方法中 振动速度也是一个经常需要观测的物理参量 因为振动速度与振动能量直接对应 而振动能量常常是造成振动体破坏的根本原因 3磁电式速度传感器 4振动传感器的选用原则 在实际测试中 选用振动传感器应本着可用和优化的原则 可用 就是要使所选的传感器满足最基本的测试要求 优化 就是在满足基本测试要求的前提下 尽量降低传感器的费用 即取得最佳的性能价格比 具体要考虑以下问题 1 测量范围测量范围又称量程 必须保证不超过传感器的测量量程 2 频响范围振动参量的最显著特性就是其频率构成特性 即一个机械振动信号往往是由许多频率不同的信号叠加而成 传感器的频响特性要好 也就是要求其幅频特性的水平范围尽可能宽 频率下限尽可能地低 频率上限尽可能地高 3 灵敏度一般而言 总是希望传感器的灵敏度尽量高 以便检测微小信号 要求传感器的信噪比 S N 要高 有效地抑制噪声信号 4 精度 5 稳定性 时间稳定性和环境稳定性 此外 传感器的工作方式 外形尺寸 重量等也是需要考虑的因素 4 1 2信号记录与处理设备 光线示波器 电子示波器 笔式记录仪 磁带机以及数据采集器 磁带机和数据采集器 广泛应用 模拟式磁带机是模拟式记录仪器的典型代表 数据采集器则代表着数字式仪表的发展方向 随着计算机技术的飞速发展 基于A D转换原理的数据采集器功能日趋强大 性能价格比越来越高 且能集记录与分析于一体 从而简化了分析测试过程 数据采集器 采样过程是先将模拟信号分为一系列间隔为t的时间离散信号并加以采集量化过程然后将这些时间离散信号的幅值修约为某些规定的量级编码过程将这些时间和幅值均不连续的离散信号编码成一定长度的二进制序列模拟信号数字信号即A D转换过程 也称数据采集 数据采集包括采样 量化与编码三个过程 数据采集的基本原理 图5 6采样示意图 2 数据采集器的主要性能指标 1 通道数也就是指采集器可同时记录的信号路数一般为1 2 4 8 16不等 2 采样频率指采集器采集数据的快慢 单位为Hz 其值越大越好 3 分辨力是指采集器感知信号幅值微小变化的能力 5 信噪比是决定采集器动态范围的指标 单位为dB 要求越大越好 6 输入输出阻抗是采集器与其他仪器相联时需要考虑的指标 要求输入阻抗尽量大些而输出阻抗尽量小些 7 存贮容量 4 1 2 3信号分析与处理设备 理论上的各种数学运算必须借助一定的硬件设备才能真正得以实现 这就是信号的分析与处理设备 信号分析与处理设备分为两大类 通用型和专用型 所谓通用型信号分析与处理设备 是指由通用计算机硬件和基于其上的信号分析与处理软件组成的系统 所谓专用型信号分析与处理设备 则是指除通用型之外的其他各种信号分析与处理设备 信号处理的输出结果来看 数据形式的输出外 图形 二维 三维 单色 彩色 输出功能 从其体积或重量方面来看有的信号分析与处理设备因体积小 重量轻 供电方式灵活等而便于携带至现场使用 4 1 3振动诊断的基础工作 1 确定诊断对象 2 选定测量参数 位移 速度和加速度 3 选择监测点 测量点选择的正确与否 关系到能否对设备故障作出正确的诊断能对设备振动状态作出全面的描述 应是设备振动的敏感点 应是离机械设备核心部位最近的关键点 应是容易产生劣化现象的易损点 4 确定测量周期 2 随机点检 1 定期检测 3 长期监测 5 确定判断标准 4 1 4振动诊断技术的应用 振动诊断技术应用领域广泛 如应用于转轴 轴承 齿轮的故障诊断 4 1 4 1齿轮装置故障类型及原因齿轮装置 齿轮 旋转机构 润滑系统 箱体 由于齿轮在制造和装配中出现差错 就会造成故障 在各种故障中 因轮齿损伤而引起的故障最为普遍 齿轮加速时 有时还会出现具有非线性振动特点的跳跃现象齿轮磨损 啮合频率中产生为啮合频率2倍 3倍 等高次谐波齿轮磨损 啮合频率的1 2 1 3倍 等分数谐波齿轮磨损 齿轮制造缺陷引起的振动图4 8 d 为高频域的振动波形 齿轮不同轴引起的振动 齿轮局部异常引起的振动 4 1 4 3齿轮故障的振动诊断 1 检测参数与检测周期 据美国齿轮制造协会 AGMA 推荐 1 f1kHz以上的振动 则以加速度级为判定标准 对于与齿轮的旋转频率或啮合频率相关的低频振动振动速度作为检测参数对于与固有振动频率相关的高频振动振动加速度作为检测参数 为了提高诊断的有效性 可考虑用两种方法同时进行检测 2 检测部位与检测方向 普通减速器 其检测部位选择在轴承座盖 高速增速器 如轴承座在机箱内部 则选择轴承座附近刚性较好的部位 或测量基础的振动 通常要求测定部位的表面应是光滑的 而且为了获得准确的测定值 应保持每次的检测位置不变 由于齿轮发生不同异常情况时发生最大振动的方向各不相同 所以应尽可能地沿水平 垂直 轴向三个方向进行测定 高频振动 由于振动在所有方向上同样传递 所以 利用高频域的振动进行故障诊断时 只需在最容易测定的一个方向上检测 3 诊断程序和检测类型 A v 4 时域诊断 时标可以将某一齿轮轴的一整转定为脉冲周期T 乘以一定的传动比后 化为指定的周期 输入信号即可依周期分段采样再迭加平均 再经平滑化后输出 正常齿轮 齿面严重磨损 齿轮安装错位 个别齿断裂 图4 12齿轮在各种状态下的时域平均信号 5 功率谱分析 有一个齿存在局部缺陷 以载频 2 3 为中心的一系列边频 均匀分布的轮齿缺陷时的时域曲线和功率谱如图 b 所示谱图上的边频带高而窄 鬼线 Ghost 分析也是齿轮功率谱诊断的一个重要内容 所谓鬼线 是指功率谱上的一个频率分量 其产生的原因为加工过程给齿轮带来的周期性缺陷 缺陷来源于分度蜗轮 蜗杆及齿轮的误差 鬼线是由一定的几何误差产生的 载荷改变对其影响很小 图4 15载荷对鬼线分量和啮合分量的影响 a 轻载 b 满载 4 2无损诊断技术 4 2 1渗透检测4 2 2磁粉检测4 2 3涡流检测4 2 4射线检测4 2 5声发射检测4 2 6超声检测 渗透检测是用黄绿色的荧光渗透液或者红色的着色渗透液来显示放大了的缺陷图像的痕迹 从而能够用肉眼检查出试件表面的开口缺陷的一种检测方法 4 2 1 1渗透检测的简单原理 由渗透 清洗 显象 观察组成 根据渗透液的不同色调 渗透检测大致可分为 荧光渗透检测法和着色渗透检测法两种 荧光渗透检测法是采用含荧光材料的渗透液进行检测 它用波长为360nm的紫外线进行照射 使缺陷显示痕迹发出黄绿色的光线 荧光渗透检测的观察必须在暗室中采用紫外线灯进行 着色渗透检测法是采用含红色染料的渗透液进行检测的 它在自然光或在白光下可以观察出红色的缺陷痕迹 与荧光渗透法相比 着色渗透检测法受场所 电源和检测装置等条件的限制较少 特点 检测效率高 适用范围广 设备简单 检测结果受表面粗糙度影响 对多孔性材料检测仍很困难 4 2 2 1磁粉检测的简单原理 4 2 2磁粉检测 图4 19缺陷漏磁 磁粉检测由预处理 磁化 施加磁粉 观察 记录以及后处理 4 2 5声发射检测 声发射检测技术是上世纪50年代初兴起的一种新的无损检测方法 自从1950年德国科学家Kaiser发现了材料的声发射现象以来 人们对声发射技术的研究热潮先后传遍美国 日本和欧洲一些国家 我国对声发射的研究起步于1973年 并首先就着眼于应用研究 几十年来 声发射技术已经在压力容器的安全性检测与评价 焊接过程的监控和焊缝焊后的完整性检测 核反应堆的安全性监测以及断裂力学研究等诸多领域都取得了重要进展 4 2 5 1声发射与检测 金属材料由于内部晶格的位错 晶界滑移 或者由于内部裂纹的发生和发展 均要以弹性波的形式释放出应变能 这种现象称为声发射 各种材料声发射的频率很宽 从次声频 声频到超声频 所以 声发射也称作应力波发射 声发射是一种常见的物理现象 如果释放的应变能足够大 就产生听得见的声音 如锡片受力弯曲时就可听见劈啪声 这就是锡受力产生孪生变形的声发射 但多数金属材料受力发生塑性变形或断裂时的声发射信号很微弱 人耳难以查觉 需要借助电子仪器放大处理后才能被检测出来 4 2 5 2声发射检测仪器 声发射仪器的作用主要有三个 即接收声发射信号 处理信号 显示声发射数据等仪器 按接收声发射信号的通道数目 声发射仪器分为三类 即单通道声发射仪 双通道声发射仪 多通道声发射仪 4 2 5 3声发射检测的应用 在工业生产中 声发射检测主要应用在以下几方面 1 金属塑性变形的声发射分析 2 评价表面渗层的脆性 3 断裂韧性的声发射分析 4 检测疲劳裂纹扩展此外 控制焊接质量 评价压力容器安全性 泄漏监测 运转机械的状况监测 以及内部放电监测等都是声发射检验的典型应用场合 4 2 6超声波故障诊断技术 在声学中 人耳可听到的声波范围大致在20Hz到20kHz 低于20Hz的称为次声波 高于20kHz的就叫做超声波 用于探伤的超声波频率主要为1 5MHz 超声波探伤所用的高频超声波是在压电材料 如石英 钛酸钡等晶片上施加高频电压后产生的 在晶片的上 下两面都镀上很薄的银层作为电极 在电极上加上高频电压后 晶片就在厚度方向上产生伸缩 这样就把电的振荡转换为机械振动 并在介质中进行传播 纵波 横波 非对称板波 对称板波 表面波 4 2 6 5超声波探头 在超声波探伤中是实现电能和声能相互转换的关键元件 直探头 斜探头 脉冲反射法是用一定持续时间按一定频率发射的超声脉冲进行缺陷诊断的方法 其结果用示波管显示 4 2 6 6超声波探伤方法1 脉冲反射法 4 2 6 7超声波探伤的应用 4 3温度诊断技术 温度也是引发机械设备故障的一个重要因素 由此可以得出结论 温度与机械设备的运行状态密切相关 温度监测也因此而在机械设备故障诊断的整个技术体系中占有重要的地位 4 3 1接触式温度检测 4 3 2非接触测温技术 在太阳光谱中 位于红光光谱之外的区域里存在着一种看不见的 具有强烈热效应的辐射波 称为红外线 一般可见光的波长为0 4 0 7 红外线的波长范围相当宽 达0 75 1000 通常它又分为四类 近红外 波长0 75 3 中红外 波长3 6 远红外 波长6 15 超远红外 波长15 1000 4 3 2 2红外测温仪器 红外测温的仪器很多 就其主要工作原理可分为三种 红外测温仪 红外热象仪和红外热电视 红外测温的工作原理是 被测物体发出的红外线 通过光学系统聚集后 入射到红外探测器上 在红外辐射的作用下 探测器产生一个正比于辐射能量的电信号 由放大器放大和A D转换后 在数字显示器上显示温度值 红外探测器是红外检测系统中最关键 最重要的部分 它把所接收的红外辐射变换成易于测量的电量 图4 32红外测温仪的组成 2 红外热象仪红外热象仪是利用红外成象技术 将被测物体的热图象显示到视频显示器屏幕上的装置 这种装置自问世以来 随着计算机的出现 得到迅猛的发展 现在红外热象仪种类较多 其中应用较多的是光机扫描热象仪 图4 35红外热成像示意图 3 红外热电视红外热电视又称为热释电摄象管成象装置 它与光机扫描不同之处在于 前者是机械扫描 后者为电子扫描 和电视机工作原理相似 它由成象镜头 热释电摄象管 摄象机电路 显示器和温度标定电路组成 其中关键元件是摄象管 图4 36热释电摄象管结构示意图1 热成象镜头2 热释电效应靶3 聚焦和扫描线圈 4 3 2 3红外测温的特点红外测温有以下几个特点 1 非接触式测量 这一特点使得远距离 高速运动或带电的目标其温度测量变得方便 而且不影响被测目标的温度分布 2 反应速度快辐射是次光速传播的 红外测温取决于测温仪表的响应时间 一般比依靠热平衡原理测温的仪器响应时间短两个数量级以上 可用于实时显示 3 灵敏度高只要目标有微小的温度差就能分辨出来 一般红外测温仪都具有0 1 的温度分辨率和毫米级的空间分辨率 4 测温范围广根据不同要求 可以选择不同类型的仪器来实现负几十度到上千度的温度测量 4 3 2 4红外诊断的应用 红外监测技术最早是在军事应用中发展起来的 1 火车轴箱温度检测 利用红外测温技术制成了 热轴探测仪 仪器安放在车站外两侧 当火车通过时 探测器逐个测出各个车轴箱的温度 并把探测器输出的每一脉冲 轴箱温度的函数 输送到站内检测室 根据脉冲高低就可判断轴箱发热情况及热轴位置 以便采取措施 目前 全国铁路90 的列检所安装了轴温红外探测仪 其准确率高达99 2 航空发动机壳体红外无损缺陷主动探查 3 化工塔罐的检测 4 检查焊接质量 在电器设备中 特别是在高压输变线路中 常会出现隔离刀闸接点发热 高压断路器引线接点发热 电缆接头发热等等 这些都是故障点 检查人员可以用红外测温仪或红外热象仪将这些故障点很方便地检测出来 以便及时采取措施 避免了事故的发生 5 电器设备各种裸露接头的热故障的红外诊断 4 4润滑油样分析技术 4 4 1光谱分析技术4 4 1 1油样光谱分析的简单原理 油样光谱分析 就是利用油样中所含金属元素原子的光学电子在原子内能级间跃迁产生的特征谱线来检测该种元素的存在与否 而特征谱线的强度则与该种金属元素的含量多少有关 这样 通过光谱分析 就能检测出油样中所含金属元素的种类及其浓度 以此推断产生这些元素的磨损发生部位及其严重程度 并依此对相应零部件的工况作出判断 图4 37原子发射光谱分析法1一激发电源 2一回转石墨盘 3一油样 4一入口缝隙 5一光栅 6一特征光谱 7一焦点曲线 8一出口缝隙 9一光电探测器 10一信号积分器 11一数据处理系统 12一打印机 在光谱分析的应用中 根据光谱分析仪激发表征辐射光谱方法的不同 主要有原子发射光谱和原子吸收光谱两种方法 因发射光谱法的设备昂贵 故目前应用不如吸收光谱法普遍 发射光谱是以15kV高压产生的电火花直接激发油液中的金属元素 使之发射出供进行光谱分析的表征辐射 此辐射经过光栅或棱镜分光系统进行分光后 便形成了所含元素各自的特征光谱 并按波长顺序在聚焦处排列 通过各自的光电探测器在聚焦处对其特征光谱能量的接收和放大 原子吸收光谱分析 又称原子吸收分光光度分析法 简称原子吸收分析 其基本根据是 给一束特定的入射光投射至被测元素的基态原子蒸气 部分入射光将被蒸气吸收 未吸收部分的光则透射过去 若被测元素原子蒸气浓度愈大 对光的吸收量就越多 其透射部分也就愈小 于是根据样品中被测元素浓度N 入射光强及透射光强三者之间存在一定关系 并把它与被测元素已知浓度的标准溶液对光的吸收作比较 就可以求得试样中被测元素的含量 利用原子吸收的光谱波长可确定油液中各种金属元素 分析中几种常见金属的典型波长见表4 4 4 4 1 3原子吸收光谱分析法 图4 38原子吸收分析装置示意图1 空心阴极灯2 火焰3 分析油液4 凸透镜5 分光系统6 光电倍增管7 检波放大器8 读数记录系统9 调制电源10 雾化器11 光电倍增管电源12 空气和助燃气13 排废管 1 光源原子吸收所使用的锐线光源主要由空心阴极灯供给 它是由被测元素的纯金属做成的一个空心阴极 低压密封在一个圆柱形的玻璃筒内 其中充有约2mm汞柱的惰性气体 一般为氖或氩 当供给它适应的电流时 就可产生为原子吸收分析所需要的锐线光源 2 原子化系统原子化系统的作用是将测试祥品中的被测元素转变为不化合 不激发 不电离 不缔合的自由基态原子 为达到原子化的目的 最常用的有火焰原子化系统及非火焰原子化系统两大类 火焰原子化系统包括喷雾器及燃烧器两部分 3 分光系统将非吸收线分离掉 使它不被接收器接收和放大 这可以由棱镜或光栅来完成 4 接收放大系统 接收放大系统主要由接收器 光电倍增管及检波放大器两部分组成 光电倍增管的作用是在接收的同时 将测定的特定接收线由光信号转变为电信号 便于利用近代电子线路放大技术 5 读数系统经过接收放大的信号 必须把它显示或记录下来 通常用表头 记录器 数字显示或电传打字等来完成 此外 为了提高分析的准确性及自动化程度 分析装置还配有许多辅助设备 4 4 2铁谱分析技术 铁谱分析技术 Ferrography 是70年代国际摩擦学领域出现的一项新技术 1970年 美国麻省理工学院 MIT 的W W Seifert教授和福克斯波洛 Foxboro 公司的V CWestcott首先提出了铁谱技术的原理 并研制成功了用于分离磨屑和进行观察分析的仪器 铁谱仪 此后 铁谱技术迅速被许多国家的摩擦学工作者所接受 开始主要用作实验室磨损机理研究的一种手段 接着发展成为直接用于机械设备工况监测诊断的工具 经过各国学者和广大工程技术人员的共同努力 铁谱技术的理论日臻完善 应用范围也日趋扩大 铁谱技术已从最初的在发动机上的应用扩展到液压系统 齿轮蜗轮传动箱 轴承等部件 并广泛地应用于冶金 矿山 机械 汽车 铁路 船舶 煤炭 化工 建筑等行业 在机械故障诊断的油样分析方法中居主导地位 所谓铁谱分析 就是利用铁谱仪 Ferrograph 从润滑油 脂 试样中 分离和检测出磨屑和碎屑 从而分析和判断机器运动副表面的磨损类型 磨损程度和磨损部位的技术 铁谱仪是铁谱分析的关键设备 根据其工作方式的不同 铁谱仪可分为直读式铁谱仪 分析式铁谱仪和旋转式铁谱仪 近年来 又研究成功了在线式铁谱仪 4 4 2 1铁谱分析的仪器与原理 1 直读式铁谱仪 直读式铁谱仪能方便 迅速且较准确地测定油样内大小磨粒的相对数量 因而能对机械设备工况进行检测 但不能对磨粒的形态和成分进行进一步的观察 图4 39直读式铁谱仪示意图1 油样管2 吸油毛细管3 沉淀管4 集油管5 铁磁装置6 灯泡7 8 导光管9 10 光电检测器11 数量装置 磨粒的沉淀速度取决于本身的尺寸 形状 密度和磁化率 以及润滑油的粘度 密度和磁化率等许多因素 当其他因素固定后 磨粒的沉降速度与其尺寸的平方成正比 图4 40沉淀管磨粒的沉淀情况1 第一束光2 第二束光 磨粒沉积越多 光电检测器能接收到的光强度越弱 经转换后 在数字显示装置上显示光密度读数 2 分析式铁谱仪 分析式铁谱仪与直读式铁谱仪的不同是用玻璃基片代替玻璃沉淀管 将经过稀释的油样放在磁场中使磨粒沉淀在玻璃基片上制成谱片 然后用双色光学显微镜或扫描电子显微镜对磨粒进行观察分析 磨粒在玻璃基片上的沉淀原理与直读式铁谱仪相似 磨粒沉淀后 用四氯乙烯溶液清洗残油 使磨粒固定在基片上形成了谱片 利用分析式铁谱仪及其显微镜 可以确定磨粒的类型和成分 例如金属磨粒 氧化物和各种化合物 润滑油中添加剂所形成的聚合物和其他外部污染颗粒等 还可以对金属磨粒的形貌进行观察分析并对各类颗粒进行读数 3 旋转式铁谱仪 分析式铁谱仪进入工业应用以后 发现设计上存在下列不足 1 铁谱片制备时间过长 因而在生产中的使用受到一定的限制2 每制备一个谱片需消耗一支输送管 因而操作费用较高 3 谱片入口区磨粒堆积重叠 影响对颗粒的观察与分析 4 对颗粒浓度较高的油样 需要高度稀释 从而造成对某些判断磨损状态有重要价值的 临界颗粒 可能被遗漏 造成判断误差 5 含有大量残炭的柴油机油样 经高度稀释后 谱片上仍留有大量污染物 6 微量泵在输送油样时的辗压作用使某些大颗粒被破碎或不能通过 因此 英国在1984年研制出一种利用磁场力和离心力共同作用使磨粒沉降下来的旋转式铁谱仪 旋转式铁谱仪与其他铁谱仪的主要区别在于谱片的制作方法上 4 4 2 2铁谱分析技术及其应用 铁谱分析技术包括油样的制取 铁谱仪操作 铁谱读数处理及磨粒识别等几个方面 铁谱分析技术分定性和定量两个方面 定性方面主要是指对磨粒形态进行观察 从磨粒形态特征 颜色差异 尺寸大小并结合扫描电子显微镜 来识别磨损的类型