本科生机械故障诊断学各种方法

1、状态监测与故障诊断(第二、三章)中国石油大学（北京） 梁伟 联系方式：综合科研楼624第二章 传感器原理与信号检测1、传感器概述2、振动信号检测3、计算机辅助信号采集系统4、信号预处理 传感器是人类器官的延伸 传感器概述 分类 位移、温度、压力、流量、速度传感器等。 机械式、电气式、光学式、流体式等。 物性型、结构型能量转换型(无源型、 发电型或主动传感器)、能量控制型( 有源型、能量调节型或被动传感器)模拟式、数字式f (t) mkcy0(t)y1(t)单自由度系统在基础受力所产生的受迫振动 令 振动信号检测固有频率：阻尼比：以y1(t)作为输入： 位移输入：幅-频

2、曲线位移输入：相-频曲线当n时，A()接近于1，表明质块相对基础的运动与基础的运动近乎相等，即质块在惯性座标中几乎处于静止状态。上述原理是研究振动测试的基础。 以 作为输入： 00.511.522.5300.511.522.533.544.55A()加速度输入：幅-频曲线01.0=z0.10.20.50.71 涡流式位移传感器 w ： 线圈匝数 ：空气的磁导率 传感器的自感量L与距离关系 00.10.20.30.40.50.60.70.80.911.11.21.31.41.51.600.0250.050.0750.10.1250.150.1750.20.2250.25d, mmL壳体螺纹六角螺

3、母探头同轴电缆传感器本体 磁电式速度传感器 e=WBlvsin e=kWBA图 电磁式绝对速度计1弹簧 2壳体 3阻尼环 4磁钢 5线圈 6芯轴 压电式加速度传感器 金属膜FF压电晶片等效电荷源等效电压源CaRaqCaRaua压电器件相当于具有一定电容的电荷源：电容两极板间开路电压为：若考虑负载（测量电路），等效电路如下：电荷源等效电路CaRaqCcRiCi电压源等效电路CaRauaCcRiCi假设一恒定力F作用于压电器件，产生电量q，则输出电压：CaRa电压放大电路uaCcRiCi-Auiuo高通滤波其中，R = Ra/Ri，C = Ca + Cc + Ci。 电荷放大器是一个高增益带电容负

4、反馈的运算放大器，其输入阻抗极高（1012以上）。 电荷放大电路CaRaqCcRi-AuiuoCfCi电荷放大等效电压放大电路CaRaqCcRiCi-Auiuo(1+A)Cf其中，R = Ra/Ri C = Ca + Cc + Ci + (1+A)Cf (1+A)Cf ICP Sensor System压电式加速度传感器NOISE COMPARISONICPCHARGEMODE(Ranged for500 mV/gSensitivity) 钢螺栓a)钢螺栓c)绝缘螺栓b)云母垫圈 薄蜡层探针d )e)粘接剂 粘接螺栓f )粘接剂g )磁 铁各种振动传感器的测量范围 涡流位移传感器的校准仪 计算

5、机辅助信号采集系统被测对象传感器信号调理多路模拟开关采样保持A/D计算机总线D/A低通滤波激励装置功率放大CPUROMRAM键盘显示控制逻辑工业控制计算机PC 总线多通道同步采集A/D卡AC/DC分离雧通道选择模拟信号隔离采样控制转速测量振动信号采集模块温度、压力等非振动信号输入开关量输入非振动信号采集模块开关量 采集模块. 振动信号输入AC/DC选择透平压缩机组信号采集装置示意图 信号调理 1、交、直流分离 2、信号滤波 3、信号放大 4、信号积分 A/D转换 0123456789101112131415161718192002468101214x( t )x( t )xt时间 t= kD,

6、 sD 采样定理 若原始信号是带限信号， 则采样后信号不发生混叠的条件为：fs 2fh（如下图）。其中fh为信号中的最高频率。此即为采样定理。 消除混叠的措施 提高采样频率。但提高采样频率将导致在 同样信号长度下，采样点数随之提高，增 加计算负担。 应用抗混滤波器降低信号中的最高频率。 从理论上讲，由于抗混滤波器的非理想特 性，信号中高频分量不可能完全衰减，因 此不可能彻底消除混叠。 数字信号处理 及其存在问题 时域采样： 时域离散化截断： 时间有限化 频域采样： 频域离散化结果：时、频域周期化 截断、泄漏和窗函数 x(t) w(t)0tTX(f)*W(f)-f0f00fX(f)-f0f00f

7、W(f )1T1T3T3T2T2Tfw(t)0tTx(t)0t截断的正弦信号频谱 减小泄漏的措施 提高截断信号长度，即提高矩形窗宽度，此 时 sinc函数主瓣变窄，旁瓣向主瓣密集，由 于旁瓣衰减较快，故可减小泄漏，但显然采 样点数随之提高，增加计算负担。 采用其它窗函数。一个好的窗函数应当：主 瓣尽可能窄（提高频率分辨力）、旁瓣相对 于主瓣尽可能小，且衰减快（减小泄漏）。 W(f )1T1T3T3T2T2Tfw(t)0tT/2T/2矩形窗 w(t)10T/2T/2tW(f)T/22T02Tf三角窗w(t)10T/2T/2tW(f)T/22T02Tf汉宁窗（余弦窗）-18dB/oct-32dB4

8、/T汉宁窗-12dB/oct-26dB4/T三角形窗-6dB/oct-13dB2/T矩形窗旁瓣衰减速度最大旁瓣幅度主瓣宽度窗函数类型 频域采样与栅栏效应 频率分辨力、整周期采样 降低fs或提高N以提高f。但前者受采样定理的限制，不可能随意降低，后者必然增加计算量。由于谱线是离散的，因此频谱谱线对应的频率值都是f整数倍。对于简谐信号，为了得到特定频率f0的谱线，必须满足： 转速测量及采样控制 异常值处理 3s准则 标定 信号预处理第三章、设备主要诊断方法1、振动诊断法：是主要使用的方法2、噪声诊断法：声压、声强法3、油液分析法：铁谱、光谱法4、无损检测法：超声、声发射技术5、温度检测法：接触法、

9、红外法6、应力、应变法7、其它方法： 压力法、电流法、转速法等振动诊断法 通过振动传感器测试机体振动，对幅值、频谱进行分析，对各种故障进行诊断。振动时域波形振动频域图噪声诊断法 振动在空气中传播形成噪声。适于诊断远距离（车辆）、不易接近（涡轮增压器）的设备。 声压：声的应力值（分贝dB）， n=20log10 x 极轻声：0-10（安静的环境） 轻声：20-30 （图书馆） 适中声：40-50（较静办公室） 高声：60-70（大商场） 甚高声：80-90（繁忙的大街） 震耳欲聋：100-120 声强：声的单位能量值。油液分析法 油液分析法，包括铁谱、光谱分析法等，是指通过分析设备润滑油的性能指

10、标、颗粒物、来对磨损状态进行诊断。1主要分析内容1）磨损微粒分析1）目标：确定主要磨损部位、磨损程度。2）参数：磨粒数量、尺寸分布、成分。3）仪器：铁谱、发射光谱、颗粒计数器等2）油品变质及污染物分析1）目标：确定油的可用度及相关的系统故障及原因2）参数：油变质和污染物类型及数量变质产物：氧化物、氮氧化物、硫化物等污染产物：水分、烟尘、燃油残物、尘埃、乙二醇3）仪器：红外光谱、发射光谱、铁谱3）常规理化指标分析1）目标：确定油的可用度及相关子系统故障及原因2）参数 ：粘度、水分、总碱值/酸值 不溶物/机械杂质、氧化度、腐蚀度、污染度3）手段：粘度/闪点/水分仪、滴定法、斑点试验等 铁谱分析法分

11、为以下几个步骤： 1)样品制备； 2)谱片的显微镜观察； 3)铁谱片的加热分析 在铁谱分析中，主要通过大磨粒读数DL、小磨粒读数DS 、磨损烈度指数Is等来评价磨损的，上述值越大，说明磨损量越大。2 铁谱分析法1）磨损烈度指数：2）磨损量累积值磨损颗粒谱片粘着擦伤谱片元素可能来源反映的问题Fe, Cr, Pb, Cu, Sn, Al, Ni, Ag, Mn,Mo, Zn, Ti, W, Sb, Mg金属磨损机器发生磨损或腐蚀的来源和程度Si, B, Na, K污染物污染来源及污染程度Cu, Mg, Ca, Ba, Zn, Mo, Sb, B, P添加剂添加剂消耗水平及油液剩余润滑效力3 光谱分

12、析法1）光谱分析法中的诊断依据序号元素典型来源1Fe缸套、活塞环、滚动轴承、齿轮、气门、轴承环、凸轮轴、销、螺杆、曲轴等2Ag轴承保持架、滑动轴承（表面）、电镀轴承（飞机发动机）、银焊连接管及其它银制机件3Al活塞、滑动轴承（表面）、箱体、轴承保持架、齿轮、垫片等4Cr活塞环表面、齿轮、密封环、滚动轴承，铬酸盐腐蚀造成的冷却系统泄漏5Cu轴承、轴瓦、套筒、垫圈、连接管（腐蚀）、齿轮、阀门、冷却器泄漏、润滑油添加剂6Mg飞机发动机零件（箱体、壳体等），海洋设施及海运设备的水污染、润滑油添加剂2）常见金属元素类型7Na冷却系统泄漏、润滑脂、海洋设施及海运设备的水污染8Ni表面镀层、轴承材料、燃气轮

13、机叶片、阀9Pb轴承、轴瓦、密封件、焊材、漆料、油脂10Si空气中的尘土、密封件、润滑油添加剂11Sn轴承、衬套、活塞销、密封件、焊料12Ti喷气发动机的支承毂、压缩机盘、燃气轮机叶片13B密封件、空气中的尘土、冷却水、冷却系统泄漏14Ba润滑油添加剂、油脂、水泄漏15Mo活塞环、电动马达、轴、润滑油添加剂16Zn黄铜部件、氯丁橡胶密封件、润滑油添加剂17Ca润滑油添加剂、油脂18P润滑油添加剂、冷却系统泄漏19Sb轴承合金、油脂20Mn阀、喷油嘴、进排气系统无损检测法 频率20000HZ 为超声波1、超声诊断 系统组成：超声波主机、发射、接收传感器组成。 检测原理：超声波遇不同的界面会返回。双探头分别发射、接收声波，根据反射波形的形状、时差决定零部件缺陷、位置。 设部件厚度为L，超声波速度为V，则两个脉冲间的时差T为：T=2L/V 若在时差t处发现附加脉冲，则有缺陷发生，其位置l为l=t*V/2 超声诊断原理图2、声发射 系统组成：计算机、高频2-8MHz AD卡、接收传感器组成，美国PAC公司 检测原理：接收金属内部晶格发生变形时产生的高频声音。用于诊断动（高速）、静（压力容器）设备。通过事件数、能量值来反映缺陷的情况。 主要问题