ppt2013往复类机电设备故障诊断技术_zhdf.ppt

1、机电设备状态监测与故障诊断,张登峰 2013年8月,南 京 理 工 大 学 NANJING UNIVERSITY OF SCI. & TECH.,提纲,概述 状态监测与故障诊断中的信号处理 设备状态监测与常用传感器和仪表 各类设备的状态监测与诊断技术 旋转类设备的状态监测与诊断技术 往复类机电设备的故障监测与诊断技术 设备监测与故障诊断的新理论与技术,一.往复机电设备故障诊断概述,研究现状：远远落后于旋转类设备的故障诊断 运动形式复杂，运动速度多变 各承力部件受力复杂 结构复杂，运动件多且形状复杂，又都嵌入机体内，信号难于直接测量 工况复杂，外界负载变化大 信号复杂，且各部件运动信号相互干扰，

2、故障特征信号难于提取 诊断方法：振动诊断, 铁谱分析, 油液分析, 温度监测,往复式设备的结构,往复设备：将活塞等的往复运动与曲轴等的回转运动转换，完成特定工作功能的机电设备。 运动时的动力是不平衡的，包括各种不平衡的惯性力（往复的、回转的及摆动的）、各种不平衡的惯性力矩（垂直平面的、水平平面的及旋转平面的） 例如：往复式压缩机、内燃机（柴油机及汽油机）、往复泵等。,往复式内燃机工作原理,内燃机是一种动力装备，它通过燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。 通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。 活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其气缸内燃烧、膨胀推动活塞作功，再通过曲柄连杆

3、机构或其他机构将机械功输出，驱动从动运动机构工作。,单缸汽油机的构造简图,1火花塞 2气缸盖 3出水口 4气缸 5活塞 6水套 7水泵 8活塞销 9进水口 10连杆 11飞轮 12曲轴 13机油管 14曲轴箱 15机油泵 16曲轴正时齿轮 17凸轮轴正时齿轮 18凸轮轴 19排气管 20进气管 21进气门 22排气门 23化油器,往复式内燃机工作原理,往复活塞式内燃机组成主要有：曲柄连杆机构、机体和气缸盖、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统等。 气缸是实现工作循环、产生动力的源地，安装在机体里，它的顶端用气缸盖封闭着。 活塞可在气缸套内往复运动，并从气缸下部封闭气缸，从而形成容积作规律变化

4、的密封空间。燃料在此空间内燃烧，产生的燃气动力推动活塞运动。 活塞的往复运动经过连杆推动曲轴作旋转运动，曲轴再从飞轮端将动力输出。 由活塞组、连杆组、曲轴和飞轮组成的曲柄连杆机构是内燃机传递动力的主要部分。,往复式内燃机工作原理,内燃机的工作循环由进气、压缩、膨胀、排气过程组成。这些过程中只有膨胀过程是对外作功的过程，其他过程都是为更好地实现作功过程而需要的过程。 按实现一个工作循环的行程数，工作循环可分为四冲程和二冲程两类。,曲柄连杆机构几何运动关系,往复式设备故障诊断,往复类设备通常需要利用一系列机构将回转运动转换成往复运动（例如往复压缩机）或者将往复运动转换成回转运动(如内燃机)，其结构

5、和运动形式比较复杂。例如，内燃机与旋转类装备相比，其特点如下： 系统比较复杂，运动部分（活塞曲轴机构）既有旋转运动引起的振动，又有往复运动产生的振动，还有燃烧时冲击造成的振动，众多的频率范围宽广的激励力比较难以识别。 振动随负荷变化，在转速一定时，其负荷又随外界情况变化。 同时发生多种振动，如气体压力引起燃烧室组件的振动，活塞撞击连杆引起的振动，活塞撞击气缸引起的振动等几乎在同一时刻发生，因此相互干扰大，当发动机的运动部件出现不同程度的故障时，难以从振动信号中检出相应的激励力变化情况。 各种撞击力大小都具有不稳定性。 缸数多，互相耦合，相互干扰，邻缸对本缸以及本缸中各运动部件之间的互相干扰不易

6、区分。 敏感测点的选择及判断依据的确定比较困难。 上述原因使得往复类装备的动力学十分复杂，从技术上给故障诊断带来较大的困难。,往复式设备故障诊断,从故障现象来看，往复类设备的故障主要有两类：结构性故障；性能方面的故障。 结构性故障是指零件磨损、裂纹、装配不当、动静部件间的碰磨、油路堵塞等。性能方面故障表现在机器性能指标达不到要求，例如功率不足、耗油量大、转速波动较大等。 结构性故障会反映在机器的性能方面，通过性能评定，可以反映是否存在结构性故障及其严重程度。 在实际工程中，由于采用性能分析法诊断故障属于间接诊断，影响因素较多，性能分析难度较大，所用传感器价格昂贵，因此对于往复类设备的监测和诊断

7、，以振动诊断法应用较多。,下表是根据工业用柴油机400多次停机故障的分类统计，反映了往复类设备故障的一个侧面。可以看出，绝大多数故障都会在振动方面有所反映。因此，对振动信号进行分析处理可以分析诊断出绝大多数设备故障。,二、往复类设备的故障诊断,以内燃机为例介绍常见故障与振动响应的关系。 1)、转速与负荷对振动响应的影响,1、往复设备常见故障与振动响应的关系,一般情况下，随着转速的变化，测点的振动响应功率谱也随之变化。如图所示。这主要是因为不同的激励源的频率响应的范围不同。,负荷是对振动响应影响最大的因素之一，也是最复杂的因素之一，因为负荷变化对振动响应的影响与各机件的材料、负荷变化的快慢等许多

8、因素有关。,往复设备的故障诊断,一方面，负荷增加会使机件振动增加；另一方面，负荷的增加会使各部件的温度增加，这样活塞与气缸之间的间隙以及其他运动连接件间的间隙会相应减小，因撞击引起的振动响应会有所减小。因此，在同一工作状态下，机件振动响应的变化不一样，有的可能使振动响应变大，有的可能使振动影响变小，如图所示。,2)、传速函数的周期对振动响应的影响 在内燃机的工作过程中，活塞连杆的位置是周期性变化的，在不同的曲柄转角，活塞作用在气缸上的力和位置也是不同的，传递函数也是周期性变化的。因此活塞在不同位置，其振动响应是不同的。 3)、阻尼对振动响应的影响 内燃机的主轴与轴瓦之间，活塞与气缸之间以及活塞

9、、连杆和轴承之间都存在油膜，油膜的阻尼对振动传递的影响是不可忽略的。对于主轴承，如果油压过高，油膜类似于一个硬弹簧；如果油压过低，油膜起不到阻尼的作用；冲击量的大小取决于油量。活塞与气缸之间的油膜阻尼对振动响应的影响也比较大，其大小取决于二者之间的间隙。 由于油膜的状态不一定稳定，所以由于油膜阻尼的作用，振动响应是变化的。,往复设备的故障诊断,4)、冲击对振动响应的影响 内燃机工作过程中存在各种各样的冲击激励，由于每次撞击力的大小都具有不稳定性，所以引起的振动瞬态响应的幅值和持续时间也不相同。 5)、各种激励相互作用对振动响应的影响 柴油机工作中承受的各种各样的激励力几乎都是同时发生的，这些同

10、时发生的撞击在时域上的持续时间不同；在频域上，其谱结构和相位也不同。因此，在分析处理前，应明确激励时间，并且应从多侧面和多种方法进行识别。 6)、辅助部件对振动响应的影响 内燃机一般都带有许多辅助部件，这些辅助部件在工作过程中产生的振动和结构噪声必然会从不同的路径传递到测点，干扰被测信号，有时甚至淹没所要提取的有用信号。,往复设备的故障诊断,往复类设备的故障诊断,以内燃机为例： 1、气阀故障的信号特征 2、敲缸故障原因及信号特征 3、拉缸故障原因及信号特征 4、主轴瓦拉伤故障原因及信号特征 5、气流脉动的原因及治理措施,气阀机构是往复设备的重要部件之一，也是易损件之一。进排气阀的主要故障有气阀

11、与气阀座的配合部件磨损、烧坏，气阀间隙过大或过小，气阀杆弯曲变形，气阀弹簧的折断等故障。这些故障如前所述可以通过对振动信号检测、分析处理进行识别。,2、气阀故障信号特征与识别,图为试验获得的气阀落座、开启的实际信号，从图中可以看出，气阀落座冲击主要引起高频振动。但频率域上是采用功率谱分析，失去了相位信息，很难从频率域上区别进、排气阀落座冲击特征。,所以，还必须从时域上分离这些激励源，根据不同的激励力作用于缸盖的相位不同，分离出这些激励力。下图是一个周期内缸盖振动的时域波形，说明缸盖的振动具有瞬态冲击响应的特点。根据上止点信号和内燃机配气定时规律，可以识别这些信号。,往复设备的故障诊断,往复设备

12、的故障诊断,三缸泵测点示意图,往复设备的故障诊断,三缸泵结构示意图,排出阀振动加速度时域波形,敲缸是内燃机常见故障之一，是指曲柄机构振动与气体波动撞击气缸壁或气缸盖的异常现象。敲缸故障发生时，伴随着噪声和剧烈的振动，同时零件受力增加，严重影响内燃机的正常工作，造成机器使用寿命缩短。,3、敲缸故障的诊断,内燃机敲缸的主要原因如下： (1)喷油提前角不正确； (2)喷油雾化不良； (3)给油量过大。,正常工作情况下，内燃机发火时的加速度响应幅值为0.999V，时间延迟为7.4ms，如(a)所示，加速度响应的功率谱成分在04.5kHz之间，响应的整个频率段可划为三个频带，即0-1.51kHz，1.5

13、-3.0kHz，3.0-4.5kHz，而振动能量主要集中在第一、二频带。,往复设备的故障诊断,当发生严重敲缸时，内燃机发火时的加速度响应值为4.860V，是正常状态的4.9倍，时间延迟为22.5ms，为正常状态的3.04倍。而在频域内，功率谱在三个频带的峰值都明显增加，特别是第一、二频带。,时域波形,频域波形,从拉缸的现象和机理分析，通常是由于活塞与气缸壁局部区域的油膜破坏所造成的。摩擦副表面产生的热量与其相对运动速度、作用压力和摩擦系数的乘积有关，摩擦产生的热量使局部区域温度升高，导致局部点状膨胀凸起。若这时如能及时得到润滑与冷却，就能将刚出现膨胀凸起的部分磨合掉；此时若不能得到良好的润滑与

14、冷却，摩擦热会继续增长，热量又不能及时传出，会造成气缸与活塞过热，油膜完全破坏，使温度上升到高于金属粘附的临界温度时，凸起由点状发展成块状，硬质金属颗粒磨落成为磨料，加剧磨损的恶性循环，最终导致拉缸故障的发生。,4、拉缸故障的诊断,造成拉缸故障的原因主要如下： (1)设计间隙过小或新缸套、新活塞、新活塞环配合间隙过小，磨合时间不够即投入使用； (2)材质不均匀、局部膨胀量过大； (3)柴油机油温过高，润滑油黏度降低； (4)润滑油位过低； (5)润滑油脏或主油道有异物； (6)润滑油中进水； (7)润滑油泵故障； (8)冷却机低温强迫起动； (9)活塞环折断损坏。,往复设备的故障诊断,正常工作

15、情况下，能量主要均布在第一和第二个频带内，如图(a)所示。 当柴油机拉缸时，第一和第二个频带比正常情况下略有增加，第三频带比正常时有所拓宽，而且能量也比正常时有明显增加，如图(b)所示。,往复设备的故障诊断,一旦往复式压缩机或内燃机的曲轴与主轴瓦之间不能形成良好的油膜，就会出现干摩擦，造成拉瓦故障。轻则造成主轴瓦局部表面的合金层被磨掉，重则会使合金局部过热、变色甚至会使主轴瓦烧损、变形、辗片、合金层大片脱落，以致将曲轴主轴颈咬死，造成严重事故。 其主要原因如下： (1)设计瓦量过小或轴瓦刮研不好，配合接触不良； (2)油路部分堵塞，供油不足； (3)润滑油进水； (4)油温过高，润滑油黏度降低

16、； (5)机油滤清不良，有尘或其他异物。,5、主轴瓦拉伤故障的诊断,主轴瓦拉伤是由于油膜破坏造成的，其最终结果是影响主轴的振动情况。因此，其故障信号中会在1频及1/2频、2频处有所反映。,往复设备的故障诊断,下图为主轴瓦拉伤故障信号与正常信号的对比，正常状态下主轴瓦的加速度响应时域信号和功率谱如图(a)所示。主轴瓦拉伤后，信号的峰-峰值比正常状态明显增大，信号的功率谱在1/2转速频率处和1转速频率处都有明显峰值，且比正常状态下的功率谱有明显增加。,往复式压缩机由于吸、排气的间断性会产生严重的气流脉动，由此而引起机组和管网振动所造成的故障是石油化工行业常见的。管网振动会使管道及与之相连的设备发生

17、疲劳破坏，紧固件断裂、管道开裂、容器爆炸，同时也会造成压缩机损坏，危害极大。 管网系统振动破坏绝大多数是由于气流脉动引起的，对于这类振动可以从两方面解决：一是合理地设计管网系统；二是现场采取适当的措施，消除气流脉动。 管道内气流的压力和速度呈周期性变化的现象称为气流脉动。,6、管网振动的机理与对策,1)、气流脉动引起管道振动的机理,往复设备的故障诊断,气流脉动引起的管道振动可用下图来说明。当脉动的气流流经管道弯头时，流体向外的力F，总是作用在管的内壁，该力可以分解为两个沿管路轴心线方向上的大小相等的分力。,(1)如果压力是稳定的，则力F也是稳定的，仅引起管道的静变形。 (2)如果压力是脉动的，则该分力就是管路的振动激励力。管道及连接部位在该力的激振下会发生强烈振动。脉动激振力的大小与压力不均匀度成正比。 =（Pmax-Pmin)/P0,往复设备的故障诊断,当脉动气流流经异径管时，同样会产生引起管道振动的