机械设备故障诊断实施技术

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1、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

2、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。

3、,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5-4 CZF1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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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） f 1kHz 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

10、 , 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 ,

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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 15MHz。,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