机械设备故障诊断实施技术

1、机械设备故障诊断实施技术机械设备故障诊断实施技术 概述： 机械故障诊断技术包括对机械零件、机械设机械故障诊断技术包括对机械零件、机械设 备机械系统备机械系统 功能诊断和运行诊断功能诊断和运行诊断 定期诊断和连续诊断定期诊断和连续诊断 直接诊断和间接诊断直接诊断和间接诊断 常规诊断和特殊诊断常规诊断和特殊诊断 简易诊断和精密诊断简易诊断和精密诊断 1 振动诊断技术振动诊断技术 2 无损诊断技术无损诊断技术 3 温度诊断技术温度诊断技术 4 润滑油样分析技术润滑油样分析技术 机械故障诊断技术的分类机械故障诊断技术的分类 振动诊断技术振动诊断技术 测振传感器是用来测量振动参量的传感器测振传感器是用来

2、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 器分为三大类器分为三大类 ： 振动振动位移位移传感器传感器 振动振动速度速度传感器传感器 振动振动加速度加速度传感器传感器 1 1 测振传感器测振传感器 1 1 压电加速度传感器压电加速度传感器 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

3、的状态。恢复到不带电的状态。 介质的这种介质的这种机械能机械能转换为转换为电能电能的现象即为的现象即为压电效应压电效应 图图5-2 5-2 压电式加速度传感器典型结构压电式加速度传感器典型结构 1一基座，一基座，2一压电元件，一压电元件，3一质量块，一质量块，4一预紧弹簧一预紧弹簧 2 2 电涡流振动位移传感器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，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，它利用导体在交变磁场作用下的电涡流效应， 将将形变形变、位移位移与与压力压力等物理参量的改变转化等物理参量的改变转化 为为阻抗、电感阻抗、电感等

4、电磁参量的变化。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，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。轴振动、轴端窜动以及轴心轨迹监测中都有应用。 此外此外，电涡流传感器还可用于，电涡流传感器还可用于测厚测厚、测、测表面粗表面粗 糙度糙度、无

5、损探伤无损探伤、测、测流体压力流体压力、转速转速等一切可等一切可 转化为位移的物理参量，以及转化为位移的物理参量，以及硬度、温度硬度、温度等。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 2电涡流传感器的结构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 传感器头部传感器头部、壳体壳体、固定电缆固定电缆和和接头接头四部分组成四部分组成 在机械故障的振动诊断方法中，在机械故障的振动诊断方法中，振动速振动速 度度也是一个经常需要观测的物理参量，因也是一个经常需要观测的物理参量，因 为为振动速度振动速度

6、与与振动能量振动能量直接对应，而振动直接对应，而振动 能量常常是造成振动体破坏的根本原因能量常常是造成振动体破坏的根本原因 3 3 磁电式速度传感器磁电式速度传感器 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在实际测试中，选用振动传感器应本着可用可用 和和优化优化的原则。的原则。 可用可用就是要使所选的传感器满足最基本的测就是要使所选的传感器满足最基本的测 试要求；试要求； 优化优化就是在满足基本测试要求的前提下，尽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。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具体要考虑以下问题

7、 1 1测量范围测量范围 测量范围又称量程，必须保证不超过测量范围又称量程，必须保证不超过 传感器的测量量程传感器的测量量程。 2. 2. 频响范围频响范围 振动参量的最显著特性就是其频率构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。由许多频率不同的信号叠加而成。 传感器的频响特性要好，也就是要求其传感器的频响特性要好，也就是要求其幅频特性幅频特性 的水平范围尽可能宽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。频率下限尽可能地低，频率上限尽可能地高。 3. 3. 灵敏度灵敏度 一般而言，总是希

8、望传感器的灵敏度尽量高，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。以便检测微小信号。 要求传感器的信噪比要求传感器的信噪比(S/N)(S/N)要高，有效地抑制要高，有效地抑制 噪声信号噪声信号 4. 精度精度 5. 5. 稳定性稳定性 时间稳定性和环境稳定性时间稳定性和环境稳定性 此外，传感器的此外，传感器的工作方式工作方式、外形尺寸外形尺寸、 重量重量等也是需要考虑的因素。等也是需要考虑的因素。 4.1.2 信号记录与处理设备信号记录与处理设备 光线示波器、电子示波器、笔式记录仪、光线示波器、电子示波器、笔式记录仪、磁带机磁带机 以及以及数据采集器数据采集器 磁带机磁带机和

9、和数据采集器：数据采集器：广泛应用广泛应用 模拟式磁带机模拟式磁带机是模拟式记录仪器的典型代表是模拟式记录仪器的典型代表 数据采集器数据采集器则代表着数字式仪表的发展方向则代表着数字式仪表的发展方向 随着随着计算机技术计算机技术的飞速发展，基于的飞速发展，基于A/D转换转换 原理的数据采集器功能日趋强大，性能价格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。而简化了分析测试过程。 数据采集器数据采集器 采样采样过程过程是先将模拟信号分为一系列间隔为是先将模拟信号分为一系列间隔为t t 的时间离散信号并

10、加以采集的时间离散信号并加以采集 量化量化过程过程然后将这些时间离散信号的幅值修约然后将这些时间离散信号的幅值修约 为某些规定的量级为某些规定的量级 编码编码过程过程将这些时间和幅值均不连续的离散信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号编码成一定长度的二进制序列 模拟信号模拟信号 数字信号数字信号 即即A/DA/D转换转换过程，也称过程，也称数据采集数据采集 数据采集数据采集包括采样、量化采样、量化与编码编码三个过程 数据采集的基本原理数据采集的基本原理 图5-6 采样示意图 序 号 项 目 t1 t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12 采样值采样值1.7

11、52.34-0.65-1.661.681.051.402.552.05-0.5-1.95- 1.73 量化值量化值1.802.20-0.6-1.81.801.01.402.602.20-0.6-1.80- 1.80 量化误量化误 差差 0.05-0.140.05-0.140.12-0.0500.050.150.10.15- 0.07 编码值编码值1213631210111413633 二进制二进制110 0 11010110010111001010101111101101011001010101 2 .数据采集器的主要性能指标数据采集器的主要性能指标 (1)通通 道道 数数 也就是指采集器可同

12、时记录的信号路数 一般为1、2、4、8、16不等 (2)采样频率采样频率 指采集器采集数据的快慢，单位为Hz， 其值越大越好。 (3)分分 辨辨 力力 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。才能真正得以实现，这就是信号的

13、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，信号处理的输出结果来看， 数据形式数据形式的输出外，的输出外， 图形图形( (二维二维/ /三维、单色三维、单色/ /彩色彩色) )输出功能，输出功能， 从其体积或重量方面来看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量轻、供电方式灵活等而便于携带

14、至现 场使用场使用 4.1.3 振动诊断的基础工作振动诊断的基础工作 1确定诊断对象确定诊断对象 2选定测量参数选定测量参数 位移、速度和加速度位移、速度和加速度 3选择监测点选择监测点 测量点选择的测量点选择的正确与否，关系到能否对设备故正确与否，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；应是设备振动的的描述；应是设备振动的敏感点敏感点；应是离机械；应是离机械 设备核心部位最近的设备核心部位最近的关键点关键点；应是容易产生劣；应是容易产生劣 化现象的化现象的易损点易损点。 4确定测量周期确定测量周期 2）随机点检）随机点检

15、1）定期检测）定期检测 3）长期监测）长期监测 5确定判断标准确定判断标准 4.1.4 振动振动诊断技术诊断技术的应用的应用 振动诊断技术应用领域广泛，振动诊断技术应用领域广泛， 如应用于如应用于转轴、轴承、齿轮转轴、轴承、齿轮的故障诊断的故障诊断 4.1.4.1 齿轮装置故障类型及原因齿轮装置故障类型及原因 齿轮装置齿轮装置:齿轮齿轮、旋转机构旋转机构、润滑系统润滑系统、箱体箱体 由于齿轮在由于齿轮在制造制造和和装配装配中出现差错中出现差错, , 就会造成故障。就会造成故障。 在各种故障中在各种故障中, , 因因轮齿轮齿损伤而引起的故障最为普遍。损伤而引起的故障最为普遍。 不能运行不能运行

16、驱驱 动动 源源 齿轮装置齿轮装置 旋转机构旋转机构轴、联轴节、键、轴承等严重损伤、折断轴、联轴节、键、轴承等严重损伤、折断 齿轮轮体齿轮轮体折断、严重变形、严重损伤折断、严重变形、严重损伤 齿轮轮齿齿轮轮齿折断、烧伤、严重变形、咬入异物折断、烧伤、严重变形、咬入异物 齿轮箱体齿轮箱体变形、有夹杂物变形、有夹杂物 动力源动力源电源中断、燃料中断、电动机或内燃机故障电源中断、燃料中断、电动机或内燃机故障 其他其他 组合磨损组合磨损 轮齿断裂轮齿断裂 齿面损伤齿面损伤 轮体折断轮体折断 轮体变形轮体变形 轮体损伤轮体损伤 松松 动动 不对中不对中 不平衡不平衡 油质劣化油质劣化 严重漏油严重漏油

17、油温升高油温升高 密封不良密封不良 精精 度度 差差 刚度不足刚度不足 尚能运行尚能运行 能耗增大能耗增大 磨损加剧磨损加剧 严重漏油严重漏油 温度升高温度升高 噪声异常噪声异常 振动增大振动增大 振动增大振动增大 振动增大振动增大 振动增大振动增大 振动增大振动增大 振动增大振动增大 齿面疲劳齿面疲劳 粘着撕伤粘着撕伤 齿面磨损齿面磨损 烧烧 伤伤 齿面塑性变形齿面塑性变形 疲劳折断疲劳折断 过载折断过载折断 轮齿断裂轮齿断裂 轮齿塑性变形轮齿塑性变形 腐蚀磨损腐蚀磨损 气蚀 严重磨损严重磨损 断齿断齿 电蚀电蚀 图图4-74-7齿轮装置故障原因分析齿轮装置故障原因分析 齿轮加速时齿轮加速时

18、 , , 有时还有时还 会出现具有非线会出现具有非线 性振动特点的跳性振动特点的跳 跃现象跃现象 齿轮磨损齿轮磨损 啮合啮合频率中产生频率中产生为啮合为啮合频率频率 2 2 倍、倍、 3 3 倍、倍、等高次谐波等高次谐波 齿轮磨损齿轮磨损 啮合啮合频率的频率的 1/2 1/2 、 1/3 1/3 倍倍等等 分数谐波分数谐波 齿轮磨损齿轮磨损 齿轮齿轮制造缺陷制造缺陷引起的振引起的振动动 图图4-8(d)4-8(d)为高频域的振动波形为高频域的振动波形 齿轮齿轮不同轴不同轴引起的振动引起的振动 齿轮齿轮局部异常局部异常引起的振动引起的振动 4.1.4.3 齿轮故障的振动诊断齿轮故障的振动诊断 1

19、. 检测参数与检测周期检测参数与检测周期 据据美国齿轮制造协会美国齿轮制造协会(AGMA)推荐推荐： 1） f 10Hz 以下时以下时, 将将位移级位移级作为诊断的判定标准作为诊断的判定标准, 2) 1Hzf 1kHz 以上的振动以上的振动, 则以则以加速度级加速度级为判定标准。为判定标准。 对于与齿轮的旋转频率或对于与齿轮的旋转频率或啮啮合频率相关的合频率相关的 低频振动低频振动 振动速度振动速度作为检测参数作为检测参数 对于与固有振动频率相关的对于与固有振动频率相关的 高频振动高频振动 振动加速度振动加速度作为检测参数。作为检测参数。 为了提高诊断的有效性为了提高诊断的有效性 , , 可考

20、虑用两种方法同时进行检测。可考虑用两种方法同时进行检测。 2. 2. 检测部位与检测方向检测部位与检测方向 普通减速器普通减速器 , , 其检测部位选择在轴承座盖其检测部位选择在轴承座盖 高速高速增速器增速器 , , 如轴承座在机箱内部如轴承座在机箱内部 , , 则选择轴承座附近刚则选择轴承座附近刚 性较好的部位性较好的部位 , , 或测量基础的振动。通或测量基础的振动。通 常要求测定部位的常要求测定部位的 表面应是光滑的表面应是光滑的 , , 而且为了获得准确的测定值而且为了获得准确的测定值 , , 应保持每应保持每 次的检测位置不变次的检测位置不变。 由于齿轮发生不同异常情况时发生最大振动

21、的方向各不相同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 , , 所以应尽可能地沿所以应尽可能地沿水平、垂直、轴向水平、垂直、轴向三个方向进行测定。三个方向进行测定。 高频振动高频振动, , 由于振动在所有方向上同样传递由于振动在所有方向上同样传递, , 所以所以 , , 利用利用 高频域的振动进行故障诊断时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只需在最容易测定的一个方 向上检测。向上检测。 3. 3. 诊断程序和检测类型诊断程序和检测类型 加速度传感器 电荷放大器 积分器 频率分析 带通滤波器 平均响应 电荷放大器 普通滤波器 绝对值处理 频率分析 平均响应 诊

22、断对象齿轮 低频域 高频域 A-v 4. 时域诊断时域诊断 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。 TT 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. 功率谱分析功率谱分析 a)a) 有一个齿存在局部缺陷有一个齿存在局部缺陷, ,以载频以载频、2 2、3 3， 为中心的一系列边频为中心的一系列边频 b) 均匀分布的轮齿缺陷时的时域曲线和功率谱均匀分布的轮齿缺陷时的时域曲线和功率谱 如图如图（b）所示谱所示谱 图上的边频带高而窄

23、。图上的边频带高而窄。 鬼线（鬼线（GhostGhost）分析分析也是齿轮功率谱诊断的一也是齿轮功率谱诊断的一 个重要内容。所谓个重要内容。所谓鬼线鬼线 , , 是指功率谱上的一是指功率谱上的一 个频率分量个频率分量 , , 其产生的原因为加工过程给齿其产生的原因为加工过程给齿 轮带来的周期性缺陷轮带来的周期性缺陷 , , 缺陷来源于分度蜗缺陷来源于分度蜗 轮、蜗杆及齿轮的误差轮、蜗杆及齿轮的误差 。 鬼线是由一定的几何误差产生的鬼线是由一定的几何误差产生的 , , 载荷载荷 改变对其影响很小改变对其影响很小。 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

24、断技术无损诊断技术 4.2.1 4.2.1 渗透检测渗透检测 4.2.2 4.2.2 磁粉检测磁粉检测 4.2.3 4.2.3 涡流检测涡流检测 4.2.4 4.2.4 射线检测射线检测 4.2.5 4.2.5 声发射检测声发射检测 4.2.6 4.2.6 超声检测超声检测 渗透检测是用黄绿色的荧光渗透液或者红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色的着色渗透液来显示放大了的缺陷图像 的痕迹的痕迹, 从而能够用肉眼检查出试件表面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。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渗透检测的简单原

25、理 由由 渗透、清洗、显象、观察组成渗透、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：根据渗透液的不同色调，渗透检测大致可分为： 荧光渗透检测法荧光渗透检测法和和着色渗透检测法着色渗透检测法两种两种 荧光渗透检测法荧光渗透检测法是采用含是采用含荧光材料的渗透液荧光材料的渗透液进行进行 检测，它用波长为检测，它用波长为 360nm 的紫外线进行照射，使的紫外线进行照射，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。的观察必须在暗室中采用紫外线灯进行。 着色渗透检测法着色渗透检测法是采用含是采用含红

26、色染料的渗透液红色染料的渗透液进行进行 检测的，它在自然光或在白光下可以观察出红色检测的，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。法受场所、电源和检测装置等条件的限制较少。 特点：特点：检测效率高、适用范围广、设备简单、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、对多孔性材料检测检测结果受表面粗糙度影响、对多孔性材料检测 仍很困难。仍很困难。 4.2.2.1 4.2.2.1磁粉检测的简单原理磁粉检测的简单原理 4.2.2 4.2.2 磁粉检测磁粉检测 图

27、 4-19 缺陷漏磁 磁粉检测由磁粉检测由预处理、磁化、施加磁粉、观察、记预处理、磁化、施加磁粉、观察、记 录以及后处理录以及后处理 4.2.5 4.2.5 声发射检测声发射检测 声发射检测技术声发射检测技术是是上上世纪世纪 50 50 年代年代初兴起的一种初兴起的一种 新的无损检测方法。自从新的无损检测方法。自从 19501950 年德国科学家年德国科学家 Kaiser Kaiser 发现了材料的声发射现象以来发现了材料的声发射现象以来，人们对声人们对声 发射技术的研究热潮先后传遍美发射技术的研究热潮先后传遍美国国、日本和欧洲、日本和欧洲 一些国家。我国对声发射的研究起步于一些国家。我国对声

28、发射的研究起步于19731973年年, , 并首先就着眼于应用研究。几十年来并首先就着眼于应用研究。几十年来, , 声发射技声发射技 术已经在术已经在压力容器的安全性检测与评价压力容器的安全性检测与评价、焊接过焊接过 程的监控和焊缝焊后的完整性程的监控和焊缝焊后的完整性 检测检测、核反应堆的核反应堆的 安全性监测以及断裂力学研究安全性监测以及断裂力学研究等诸多领域都取得等诸多领域都取得 了重要进展了重要进展 。 4.2.5.1 4.2.5.1 声发射与检声发射与检 测测 金属材料由于内部晶格的位错，晶界滑移，或者由于内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

29、部裂纹的发生和发展，均要以弹性波弹性波的形式释放出应变的形式释放出应变 能，这种现象称为能，这种现象称为声发射。声发射。 各种材料声发射的频率很宽，从各种材料声发射的频率很宽，从次声频、声频到超次声频、声频到超 声频声频。所以，声发射也称作。所以，声发射也称作应力波发射应力波发射。声发射是一种。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，如得见的声音，如锡片受力弯曲时就可听见劈啪声锡片受力弯曲时就可听见劈啪声，这就，这就 是锡受力产生孪生变形的声发射。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

30、断裂时的声但多数金属材料受力发生塑性变形或断裂时的声发发 射信号很微弱射信号很微弱，人耳难以查觉人耳难以查觉，需要借助电子仪器放大需要借助电子仪器放大 处理后才能被检测出来。处理后才能被检测出来。 4.2.5.2 4.2.5.2 声发射检测仪器声发射检测仪器 声发射仪器的作用主要有三声发射仪器的作用主要有三个个: 即即接收声发射信号、处接收声发射信号、处 理信号、显示声发射数据理信号、显示声发射数据等仪器等仪器。按接收声发射信号的。按接收声发射信号的 通道数目通道数目, 声发射仪器分为三类声发射仪器分为三类: 即即单通道声发射仪、双单通道声发射仪、双 通道声发射仪、多通道声发射仪通道声发射仪、

31、多通道声发射仪。 传感器 前置放大器 滤波器主放大器 信号形成计数器 仪 时基 4.2.5.3 4.2.5.3 声发射检测的应用声发射检测的应用 在工业生产中，声发射检测主要应用在以下几方面：在工业生产中，声发射检测主要应用在以下几方面： (1)(1)金属塑性变形的声发射分析金属塑性变形的声发射分析 (2)(2)评价表面渗层的脆性评价表面渗层的脆性 (3)(3)断裂韧性的声发射分析断裂韧性的声发射分析 (4)(4)检测疲劳裂纹扩展检测疲劳裂纹扩展 此外，控制焊接质量、评价压力容器安全性、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，以及内部放电监泄漏监测、运转机械的状

32、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。测等都是声发射检验的典型应用场合。 4.2.6 4.2.6 超声波故障诊断技术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在声学中，人耳可听到的声波范围大致在 20Hz20Hz到到 20kHz 20kHz ，低于，低于 20Hz20Hz的称为的称为次声波次声波，高于，高于 20kHz 20kHz 的就的就 叫做叫做超声波超声波。用于探伤的超声波频率主要为。用于探伤的超声波频率主要为 1 15MHz5MHz。 电极 伸 缩 晶片 电压 超声波探伤所用的高频超声波超声波探伤所用的高频超声波 是在压电材料，如是在压电材料，如石英、

33、钛酸石英、钛酸 钡等晶片钡等晶片上施加上施加高频电压高频电压后产后产 生的。在晶片的上、下两面都生的。在晶片的上、下两面都 镀上很薄的镀上很薄的银层银层作为作为电极电极，在，在 电极上加上电极上加上高频电压高频电压后，晶片后，晶片 就在厚度方向上产生就在厚度方向上产生伸缩伸缩。这。这 样就把样就把电的振荡电的振荡转换为转换为机械振机械振 动动，并在介质中进行传播。，并在介质中进行传播。 图4-22 超声波波型 a)纵波 b)横波 c)表面波 d)非对称型 板波 e)对称板波 a)b) 表 面 介 质 空 气 平 均 平 均 c)d) e) 纵波纵波 横波横波 空气 介质 表面 平均 平均 非对

34、称板波非对称板波 对称板波对称板波 表面波表面波 4.2.6.5 4.2.6.5 超声波探头超声波探头 在超声波探伤中是实现电能和声能相互转换的关键元件在超声波探伤中是实现电能和声能相互转换的关键元件 入射点 折射角 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。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 4.2.6.6 超声波探伤方法超声波探伤方法 1 1、脉冲反射法、脉冲反射法 振荡器 探头 接收器示波管 探伤面 被检物 缺陷 探头 被检物 缺陷 4.2.6.7 超声

35、波探伤的应用超声波探伤的应用 4.3 温度诊断技术温度诊断技术 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 有重要的地位有重要的地位 。 4.3.1 接触式温度检测接触式温度检测 4.3.2 非接触测温技术非接触测温技术 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、具有一种看不见的、具有强

36、烈热效应的辐射波强烈热效应的辐射波，称为，称为红红 外线外线。一般可见光的波长为。一般可见光的波长为0.40.40.70.7，红外线的，红外线的 波长范围相当宽，达波长范围相当宽，达0.750.7510001000。m m 通常它又分为四类：通常它又分为四类： 近红外近红外，波长，波长0.750.753 3， 中红外中红外，波长，波长3 36 6， 远红外远红外，波长，波长6 61515， 超远红外超远红外，波长，波长151510001000。 m m m m 4.3.2.2红外测温仪器红外测温仪器 红外测温的仪器很多，就其主要工作原理可分为三红外测温的仪器很多，就其主要工作原理可分为三 种：

37、种：红外测温仪、红外热象仪和红外热电视。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，由放大器放大和器产生一个正比于辐射能量的电信号，由放大器放大和A/DA/D转换转换 后，在数字显示器上显示温度值。后，在数字显示器上显示温度值。 红外探测器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

38、射变换成易于测量的电量。接收的红外辐射变换成易于测量的电量。 光 学 系 统 调 制 系 统 放大器 记录 显示 被 测 物 体 红 外 探 测 器 图4-32红外测温仪的组成 2. 2. 红外热象仪红外热象仪 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。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。光机扫描热象仪。 光

39、学系统 探测器在物 体空间投影 水平扫描器 物体空间现场 垂直扫描器 探测器 视频显示 信号处理器 图4-35 红外热成像示意图 3. 红外热电视红外热电视 红外热电视又称为热释电摄象管成象装置。红外热电视又称为热释电摄象管成象装置。它它与光机扫描与光机扫描 不同之处在于不同之处在于, , 前者是机械扫描前者是机械扫描, , 后者为后者为电子扫描电子扫描。和。和电电 视机工作原理视机工作原理相似相似, , 它由它由成象镜头成象镜头, , 热释电摄象管热释电摄象管、摄象摄象 机电路、显示器和温度标定电路机电路、显示器和温度标定电路组成。其中关键元件是摄组成。其中关键元件是摄 象管。象管。 图4-

40、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的特点 红外测温有以下几个特点：红外测温有以下几个特点： 1.非接触式测量非接触式测量 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。便，而且不影响被测目标的温度分布。 2.反应速度快反应速度快 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，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，一般比依靠热平

41、衡原理测温的仪器响应时间短两个数量级以上， 可用于实时显示可用于实时显示 。 3.灵敏度高灵敏度高 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。的温度分辨率和毫米级的空间分辨率。 4.测温范围广测温范围广 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。度的温度测量。 4.3.2.4 红外诊断的应用红外诊断的应用 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

42、温度检测火车轴箱温度检测 利用红外测温技术制成了利用红外测温技术制成了 “热轴探测仪热轴探测仪”，仪器安放在车站，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，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并把探测器输出的每一脉冲( (轴箱温度的函数轴箱温度的函数) )输送到站内检输送到站内检 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，全国铁路便采取措施。目前，全国铁路90%90%的列检所安装了轴温红外探的列检所安装了轴温红外探 测仪，其准确率高达测仪，其

43、准确率高达99%99%。 2.航空发动机壳体红外无损缺陷主动探查航空发动机壳体红外无损缺陷主动探查 3.化工塔罐的检测化工塔罐的检测 4. 检查焊接质量检查焊接质量 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。出来，以便及时采取措

44、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 润滑油样分析技术润滑油样分析技术 4.4.1光谱分析技术光谱分析技术 4.4.1.1油样光谱分析的简单原理油样光谱分析的简单原理 油样光谱分析，油样光谱分析， 就是利用油样中所含金属元素原子的光学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，存在与否， 而特征谱线的强度则与该种金属元素的含量多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

45、中所含金属少有关，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。位及其严重程度，并依此对相应零部件的工况作出判断。 图图4-37 4-37 原子发射光谱分析法原子发射光谱分析法 1 1一激发电源一激发电源; 2; 2一回转石墨盘一回转石墨盘; 3; 3一油样一油样; 4; 4一入口缝隙一入口缝隙; 5; 5一光栅一光栅; 6; 6一特征光谱一特征光谱; 7; 7一焦点曲线一焦点曲线;8;8一一 出口缝隙出口缝隙; 9; 9一光电探测器一光电

46、探测器; 10; 10一信号积分器一信号积分器; 11; 11一数据处理系统一数据处理系统; 12; 12一打印机一打印机 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，主要有光谱方法的不同，主要有原子原子发射发射光谱光谱和和原子原子吸收吸收光光 谱谱两种方法，因发射光谱法的设备昂贵，故目前应用两种方法，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。不如吸收光谱法普遍。 发射光谱是以发射光谱是以15kV15kV高压产高压产 生的电火花直接激发油液生的电火花直接激发油液 中的金属元素，使之发射中的金属元素，使之发射 出供进

47、行光谱分析的表征出供进行光谱分析的表征 辐射，此辐射经过辐射，此辐射经过光栅或光栅或 棱镜分光系统棱镜分光系统进行分光后，进行分光后， 便形成了所含元素各自的便形成了所含元素各自的 特征光谱，并按特征光谱，并按波长顺序波长顺序 在聚焦处排列在聚焦处排列，通过各自，通过各自 的的光电探测器光电探测器在聚焦处对在聚焦处对 其特征光谱能量的接收和其特征光谱能量的接收和 放大。放大。 原子吸收光谱分析，又称原子吸收光谱分析，又称原子吸收分光光度分析法原子吸收分光光度分析法, , 简称简称原子原子 吸收分析吸收分析。其基本根据是：给一束特定的入射光投射至被测元。其基本根据是：给一束特定的入射光投射至被测

48、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被测元素浓度N N、 入射光强及透射光强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

49、可确定油液中各种被测元素的含量。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金属元素。分析中几种常见金属的典型波长见表4-44-4。 o IoII 4.4.1.3原子吸收光谱分析法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. 光源光源 原子吸收所使用的锐线光源主要由原子吸收所使用的锐线光源主要由空心阴极灯空心阴极灯供给。它是由供给。它是由 被测

50、元素的被测元素的纯金属纯金属做成的一个空心阴极，低压密封在一个圆柱做成的一个空心阴极，低压密封在一个圆柱 形的玻璃筒内，其中充有约形的玻璃筒内，其中充有约2mm2mm汞柱的惰性气体汞柱的惰性气体( (一般为一般为氖或氩氖或氩 ) )。当供给它适应的电流时，就可产生为原子吸收分析所需要。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。的锐线光源。 2原子化系统原子化系统 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化合 、不激发、不电离、不缔合、不激发、不电离、不缔合的自由基态原子。为达到原子化的的自由基态原子。为达到原子化

51、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。火焰原子化系统包括喷雾器及燃烧器两部分。 3分光系统分光系统 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。由棱镜或光栅来完成。 4接收放大系统接收放大系统 接收放大系统主要由接收放大系统主要由接收器接收器光电倍增管光电倍增管及及检波放大器检波放大器 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

52、由特定接收线由光信号光信号转变为转变为电信号电信号，便于利用近代电子线路，便于利用近代电子线路 放大技术。放大技术。 5读数系统读数系统 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。备。 4.4.2 铁谱分析技术铁谱分析技术 铁谱分析技术铁谱分析技术(Ferrography)(Ferrography)是是7070年代年代

53、国际摩擦学领域出国际摩擦学领域出 现的一项新技术，现的一项新技术，19701970年年，美国麻省理工学院美国麻省理工学院(MIT)(MIT)的的 W.W.SeifertW.W.Seifert教授和福克斯波洛教授和福克斯波洛(Foxboro)(Foxboro)公司的公司的V.C V.C WestcottWestcott首先提出了铁谱技术的原理，并研制成功了用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于分离磨屑和进行观察分析的仪器铁谱仪铁谱仪。此后，。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

54、室磨损机理研究的一种手段，接着发展成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。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谱技术已从最初的在发动机上的应用扩展到液压系液压系 统统、齿轮蜗轮传动箱齿轮蜗轮传动箱、轴承轴承等部件，并广泛地应用等部件，并广泛地应用 于于冶金、矿山、机械、汽车、铁路、船舶、煤炭、冶金、矿山、机械、汽车、铁路、船舶

55、、煤炭、 化工、建筑化工、建筑等行业。等行业。 在机械故障诊断的油样分析方法中居主导地在机械故障诊断的油样分析方法中居主导地 位。位。 所谓铁谱分析，就是利用铁谱仪所谓铁谱分析，就是利用铁谱仪(Ferrograph)(Ferrograph) 从润滑油从润滑油( (脂脂) )试样中，分离和检测出试样中，分离和检测出磨屑和碎屑磨屑和碎屑， 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，铁谱仪可分关键设备，根据其工作方式的不同，铁谱仪可分 为为

56、直读式铁谱仪直读式铁谱仪、分析式铁谱仪分析式铁谱仪和和旋转式铁谱仪旋转式铁谱仪。 近年来，又研究成功了在线式铁谱仪。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铁谱分析的仪器与原理 1. 直读式铁谱仪直读式铁谱仪 直读式铁谱仪能方便、迅速且较准确地测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定油样内大小磨粒的相对数量相对数量, , 因而能对因而能对 机械设备工况进行检测机械设备工况进行检测, , 但不能对磨粒的但不能对磨粒的 形态和成分形态和成分进行进一步的观察。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

57、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 磨粒沉积磨粒沉积越多越多， 光电检测器能接光电检测器能接 收到的光强度收到的光强度越越 弱弱，经转换后，经转换后， 在数字显示装置在数字显示装置 上显示光密度读上显示光密度读 数。数。 2. 分析式铁谱仪分析式铁谱仪 分析式铁谱仪与直读式铁谱仪的不同是用分析式铁谱仪与直读式铁谱仪的不同是用玻璃玻

58、璃 基片基片代替代替玻璃沉淀管玻璃沉淀管, , 将经过稀释的油样放在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磁场中使磨粒沉淀在玻璃基片上制成谱片, , 然然 后用后用双色光学显微镜双色光学显微镜或或扫描电子显微镜扫描电子显微镜对磨粒对磨粒 进行观察分析。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。磨粒沉淀后相似。磨粒沉淀后, , 用四氯乙烯溶液清洗残油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。使磨粒固定在基片上形成了谱片。 利用分析式铁谱仪及其利用分析式铁谱仪及其显微镜显微镜, , 可以确定可以确定

59、磨磨 粒的类型粒的类型和和成分成分, , 例如例如金属磨粒金属磨粒、氧化物氧化物和和各各 种化合物种化合物, , 润滑油中添加剂所形成的聚合物和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。貌进行观察分析并对各类颗粒进行读数。 3. 旋转式铁谱仪旋转式铁谱仪 分析式铁谱仪进入工业应用以后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发现设计上存在下列不足： 1 1）铁谱片制备时间过长）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因而在生产中的使用受到一定的限制 2) 2

60、) 每制备一个谱片需消耗一支输送管每制备一个谱片需消耗一支输送管, , 因而操作费用较高。因而操作费用较高。 3) 3) 谱片入口区磨粒堆积重叠谱片入口区磨粒堆积重叠, , 影响对颗粒的观察与分析。影响对颗粒的观察与分析。 4) 4) 对颗粒浓度较高的油样对颗粒浓度较高的油样, , 需要高度稀释需要高度稀释, , 从而造从而造 成对某些判断磨损状态有重要价值的成对某些判断磨损状态有重要价值的“临界颗粒临界颗粒 可能可能 被遗漏被遗漏, , 造成判断误差。造成判断误差。 5) 5) 含有大量残炭的柴油机油样含有大量残炭的柴油机油样, , 经高度稀释后经高度稀释后, , 谱谱 片上仍留有大量片上仍