第六章-往复机械

第六章往复机械故障诊断6.1概述6.2往复机械基础知识6.3往复机械的性能检测6.4发动机振动的传递特性的研究6.5往复机械运动件磨损状态的监测1东北大学设备诊断工程中心6.1概述

往复运动在机械运动中往复运动是一种最常见的运动。通过一系列的机构将往复（直线、摆动）运动变成回转或将回转变成往复运动。

常用构件有凸轮、齿轮、链轮、齿条、偏心轮、曲柄、连杆等。

主要研究对象曲柄－连杆机构，内燃机、往复式空气压缩机。

内燃机监测包括性能监测和机械状态监测。

往复式空压机系统监测系统由电动机、往复式空压机、中冷器、储气罐等一系列设备组成，应该对整个系统进行监测监控。2东北大学设备诊断工程中心监测诊断的复杂性：

⑴

激励源复杂，频率成分复杂；

⑵

运动部件多而复杂，包含在机身内，其参数难以测量，其状态难以判定；

⑶

在发动机的不同部件中，激励力的传递途径，激励力对表面振动的贡献，众多的激励（同时作用）与各自响应（交织一起）对应关系的识别；

⑷当发动机的运动部件出现不同故障，是否引起相应的激励变化？是否引起表面振动信号的改变？反向分析诊断是否可行？

⑸

缸与缸之间、本缸部件间互相干扰，能否区别？

⑹

敏感测点如何选择，判据如何确定？3东北大学设备诊断工程中心

综合监测检测方法不可以单一化、简单化；振动检测、温度检测、铁谱分析、光谱分析、性能参数测定等，必须综合检测，全面分析。

人员要求对设备结构的清晰了解，对动力特性的深刻掌握，对故障机理通晓，较为全面的相关领域知识，丰富的设备维护、管理及实际工作经验等。4东北大学设备诊断工程中心6.2往复机械基础知识图6.2挡车轭机构1主轴；2滑动块；3压头6.2.1往复机械的分类1.档车轭机构档车轭机构如图6.2所示。以主轴的偏心动作带动而实现锻压机的压缩运动。5东北大学设备诊断工程中心图6.3直线往复机构1蜗杆；2输入轴；3机架；4蜗轮2.直线往复机构直线往复机构如图6.3所示。使往复运动和输入轴的旋转相一致。［印刷机油墨进给圆筒的联动机构］6东北大学设备诊断工程中心图6.4往复空间曲柄1输入件；2连接环A；3连接环B；4输出件3.往复空间曲柄如图6.4的锉床。将输入轴１的旋转，经连接环、，转变成输出件４的往复运动。7东北大学设备诊断工程中心图6.5发动机的“菱形”传动4.发电机的菱形传动机构如图6.5所示的发电机的菱形传动机构。将往复运动转化成转动。是一种菲利普公司研制的新型传动机构，用于具有高热效率发动机、热气机。１密封填料箱；２缓冲室；３控制杆；４曲轴；５活塞；６移动活塞杆；７动力活塞；８动力活塞杆；９齿轮8东北大学设备诊断工程中心图6.6曲柄－连杆机构类型简图

5.曲柄－连杆机构如图6.6所示的曲柄－连杆机构由活塞、连杆、曲柄三个基本元件组成的运动机构，广泛应用于内燃机、往复式空压机等。9东北大学设备诊断工程中心曲柄－连杆机构可分为四种类型：⑴正置式曲柄－连杆机构，如图6.6所示。气缸中心线通过曲柄的回转中心，侧推力由缸套承受。（内燃机采用）⑵十字头式曲柄－连杆机构，如图6.6所示。气缸中心线通过曲柄的回转中心，侧推力由十字头和导板承受。⑶偏置式曲柄－连杆机构，如图6.6所示气缸中心线偏置在曲柄回转中心的一侧。（少量高速小型内燃机采用）⑷主、副连杆式曲柄－连杆机构，如图6.6所示。一个曲柄带动几个主副连杆工作。（航空用星型活塞式发动机的标准运动机构）10东北大学设备诊断工程中心图6.7正置式曲柄－连杆机构几何关系图6.2.2正置式曲柄－连杆机构的工作特点1.活塞的位移、速度、加速度⑴活塞位移的计算由图6.7的几何关系可得：（6.1）设11东北大学设备诊断工程中心

图6.7中：活塞销中心；曲柄销中心；连杆长度；曲柄半径；

活塞冲程，；曲柄转角；连杆摆角；曲柄半径与连杆长度比，且。由此可得：（6.2）一般，按二项式定理展开式（6.2），并略去的高次项，则有常用近似式：（6.3）12东北大学设备诊断工程中心⑵活塞运动速度的计算对式（6.3）求导，并注意到：则活塞运动速度的近似式为：（6.4）⑶活塞加速度的计算同理，对式（6.3）求导，可得活塞加速度的近似式为：（6.5）13东北大学设备诊断工程中心2.作用力分析⑴连杆小端处作用力的分析连杆小端处作用力由两部分组成：周期性变化的气体压力，活塞惯性里，有。如图6.8所示，在垂直于汽缸壁方向的分力（活塞侧推力）、在连杆中心线方向的分力（连杆推力）可由式给出。（）14东北大学设备诊断工程中心⑵连杆大端处作用力的分析连杆推力沿连杆中心线传递给曲柄销处，可分解成沿曲柄方向的法向分量和垂直于曲柄方向的切向分量，据几何关系可写为：（）连杆因其质量，在运动中对曲柄销有惯性力作用，设连杆大端回转质量所产生的离心力为，故曲柄销处承受的法向力应为：15东北大学设备诊断工程中心⑶主轴颈处作用力的分析取曲柄连杆机构为研究对象，其受力图如图6.8所示，轴颈处垂直作用力和水平作用力为：（）从图6.8、上看，内燃机输出扭矩为：16东北大学设备诊断工程中心6.2.3内燃机常用参数及计算公式用于判定气缸内部工作状况的常用参数及简单计算公式为：1.研究工作循环有效性的参数⑴平均指示压力（）平均指示压力单位气缸工作容积所做的指示功。即式中工作循环的指示功；气缸工作容积。［假设在一个完整活塞行程内，一个不变的力所做的功，与实际工作循环所做的功相等。］17东北大学设备诊断工程中心平均指示压力的大小，主要与气体与燃料的混合情况、换气质量、燃烧速度、负荷有关。对于内燃机，负荷增加，平均指示压力就会增大；对于非增压式柴油机，平均指示压力主要受过量空气系数（）的影响［要保证足够的过量空气系数，才能使平均指示压力满足要求］；对于增压式柴油机，平均指示压力的提高主要受柴油机热负荷的限制。18东北大学设备诊断工程中心

⑵指示功率（）指示功率内燃机燃气在气缸中单位时间内所完成的指示功，即式中柴油机转，；气缸数；

冲程数。19东北大学设备诊断工程中心⑶平均有效压力（）平均有效压力一个不变的压力，作用在活塞整个行程上所做的功，同柴油机曲轴上所发出的有效功（有效功=指示功－机械损失功）相等，即式中输出的有效功式中机械损失压力；机械效率。平均有效压力随平均指示压力和机械效率变化而变化。20东北大学设备诊断工程中心⑷有效功率（）有效功率（轴功率、制动功率）是指内燃机曲柄输出的实际功率，即

内燃机有效功率测定（常用）方法：在实验台上用制动测功机测出输出轴转矩，并以下式计算：21东北大学设备诊断工程中心⑸机械损失功率（）柴油机中构成机械损失的因素很多，主要有以下三种：①摩擦损失功率消耗在相互运动的零件间的摩擦功率。②传动损失功率带动辅助机械（燃油泵、润滑油泵、水泵、气压机、二冲程扫气泵等）的损失功率。③泵气损失功率仅发生在四冲程柴油机的进、排气过程中。⑹机械效率（）机械效率等于柴油机有效功率与指示功率之比值，即22东北大学设备诊断工程中心2.研究工作循环经济性的参数⑴有效热效率（）有效热效率是指柴油机曲轴处转变成有效功相当的热量同燃料燃烧所发出的全部热量的比值，即考虑了柴油机循环的热损失、全部机械损失，给出了整台柴油机经济性的概念，表明其最终使用价值。其应用公式为：式中燃料低热值；燃料消耗量23东北大学设备诊断工程中心⑵有效燃料消耗率（）又称有效耗油率、比油耗有效燃料消耗率每一有效千瓦小时的工作中所消耗的燃料公斤数或克数，即当已知柴油机有效热效率和燃料低热值时，得24东北大学设备诊断工程中心内燃机旋转活塞式燃气轮式往复活塞式煤油机汽油机柴油机按燃料分类6.2.4柴油机的分类25东北大学设备诊断工程中心柴油机的分类：1.按完成每工作循环所需的冲程数目划分⑴二冲程柴油机活塞运行两个行程，曲柄旋转一转完成一个工作循环的柴油机；⑵四冲程柴油机活塞运行四个行程，曲柄旋转二转完成一个工作循环的柴油机。

2.按柴油机曲柄转数划分⑴低速柴油机曲柄转速为

以下；⑵中速柴油机

曲柄转速为；⑶高速柴油机

曲柄转速为以上。26东北大学设备诊断工程中心3.按汽缸排列方式划分⑴直列式柴油机所有气缸排列成一直线，气缸中心线为垂直方向；⑵卧式柴油机所有气缸中心线呈水平方向排列；⑶型柴油机气缸呈“”型排列两行，两行气缸中心线相交成一定角度；

⑷其他型式柴油机“”型、“”型、“”型。4.按曲柄－连杆机构的构造分类⑴筒形活塞式柴油机（箱式柴油机）活塞通过活塞销直接与连杆相连，如图6.9所示。⑵十字头式柴油机活塞通过活塞杆及十字头与连杆相连，由十字头起导程作用，如图6.9所示。27东北大学设备诊断工程中心图6.9柴油机筒形活塞式柴油机；十字头式柴油机28东北大学设备诊断工程中心5.按汽缸进气方式分类⑴非增压式柴油机进气完全靠活塞本身的运动吸入空气的四冲程柴油机，用扫气泵供给较低压力的空气去扫除废气的二冲程柴油机；⑵增压式柴油机用专门的增压泵增加进气压力来提高功率的柴油机。（废气涡轮增压式柴油机）6.按功率分类⑴小型船舶柴油机额定功率小于；⑵中型船舶柴油机额定功率为；⑶大型船舶柴油机额定功率大于。29东北大学设备诊断工程中心6.3往复机械的性能监测传统检测工作参数表盘显示、定期维护；现代监测结合计算机软硬件技术的应用，选择表征设备性能、运行状态的敏感参量，在线监测设备运行信息，利用数据库中的状态限值进行数据比较，趋势预报，超限报警；利用知识库中的规则，进行故障诊断，以达到对设备的。预知维修30东北大学设备诊断工程中心内燃机的性能比较复杂，监测内容比较多，主要分为以下10个子系统：⑴发电机功率和摩擦损失的监测；⑵各缸功率的平衡；⑶各缸压缩力的平衡；⑷燃油喷射系统；⑸增压系统（包括增压器）⑹排气系统；⑺曲柄箱漏气量；⑻润滑油系统；⑼冷却水系统；⑽轴承等。31东北大学设备诊断工程中心子系统常有近百个零部件组成，有众多参数需要监测。因此，选择好敏感参量，实现对其准确的测量，是后续一系列研究工作的前提基础。32东北大学设备诊断工程中心图6.10示功图分析6.3.1燃烧状态监测燃烧过程描述着火滞燃期、燃烧速度、燃烧量、燃烧不完全等。燃烧过程影响因素燃油品质、预热温度、喷油器状态等。气缸压力监测检查燃烧状态，以保证效率、防止积炭，以防组件磨损。示功图监测可从中识别以下信息：（见图6.10）33东北大学设备诊断工程中心⑴最高燃烧压力它与着火滞燃期有关并影响初期的放热速度；⑵在膨胀线上某一固定曲柄转角时缸内压力它给出了有关过后燃烧和燃烧阻滞的信息；⑶着火时刻此参数意味着着火滞燃和燃烧阻滞的综合；⑷压缩压力表征气阀、活塞环及缸套的状态；（密闭性）⑸平均指示压力效验各缸间的功率是否平衡。34东北大学设备诊断工程中心6.3.2增压系统监测废气涡轮增压器是大型柴油机必备辅助设备（小型高速柴油机除外），一个典型的增压系统监测装置应具有下列功能：⑴涡轮效率的监测；⑵压气机效率的监测；⑶中冷器阻力的监测；⑷中冷器效率的监测。35东北大学设备诊断工程中心需要检测参量：涡轮膨胀比、涡轮的进出废气温度、增压器转速；压气机的压力升高比、压气机的进出空气温度；中冷器前后冷却水温度、测量中冷器后增压空气的温降——以确定中冷器的效率；测量中冷器前后增压空气的压力降——以确定中冷器的污染程度；测量小型高速柴油机空气滤清器的前后压差——确定是否堵塞；36东北大学设备诊断工程中心6.3.3排气系统监测对于排气系统必须监测：排气压力、总管排气温度、排气烟度、排气成分各缸支管排气温度反映进气阀、排气阀、喷油器的工作状态；瞬时排气温度可有效反映喷油器空负荷状态下的性能。37东北大学设备诊断工程中心6.3.4用互相关函数检测工作过程的均衡性将示功图（角度域）进行谱分析（互相关函数时差域），可获取深层次信息；互相关函数曲线峰值反映两个信号之间的相关程度，以１为最大值；峰值所对应的横坐标（时间），代表两个信号之间的时延即对应两个气缸之间的发火间隔角；互相关分析提供了检测多缸发动机各缸工作均衡性的途径，诊断各缸压力、做功的均匀一致性，发火间隔的均匀一致性；（参见图6.12）互相关分析提供了检测单缸工作稳定性的途径，如果稳定，在同点（如排气冲程上止点）触发采样的前提下，互相关函数曲线峰值应为１，峰值对应的时延应为零。38东北大学设备诊断工程中心图6.12I缸不均衡时气缸压力的互相关图因此，互相关分析可以用于发动机的工作状态监测、故障诊断。39东北大学设备诊断工程中心6.3.5柴油机的性能监测衡量柴油机性能的最终指标是耗油量。影响耗油量的因素有：喷油定时、喷油设备状态、进气和排气系统、分油机的正确使用、燃油的预热、中冷器等。柴油机性能监测流程：（参考图6.13）测量压电示功图并进行自动参数识别；结合必要的相关参数测量（温度、压力、压力降、耗油量、转速等）；以各种参量的限值为标准，经进行计算机程序计算、分析、判定；使监测系统可实施如下功能：状态显示、数据存储、信息查询、趋势分析、超限报警。40东北大学设备诊断工程中心计算提示

趋势分析

压电示功图记录有劣化倾向的工作参数例如：温度压力压力降燃油消耗量转速等推定出：

●发动机的状态（燃油消耗量）●各缸的平均值●标准值●测量值和标准值间的偏离●测量值和各缸均值间的偏离●平均值和标准值间的偏离●警告发动机的状态气缸参数气缸状态增压空气和排气数据存储、分析和提取图6.13柴油机的性能监测41东北大学设备诊断工程中心6.3.6内燃机性能的模拟计算技术移植到内机的监控内燃机性能模拟计算已成功地用于内燃机设计过程中，将模拟计算技术移植到内燃机监控，是切实可行之途径。首先，计算内燃机的零部件在最佳状态下的主要工作参数：耗油率、涡轮速度、进气温度、排气温度、进气压力、排气压力、平均有效压力等；然后，对一些零部件分别设置不同程度故障，如：⑴燃油品质劣化使燃烧变差；⑵涡轮喷嘴堵塞或损伤；⑶中冷器失效；42东北大学设备诊断工程中心⑷排气阀烧损或泄漏；⑸活塞或缸套损伤等。计算出相应工作参数变化规律；经过实验校核验证；确定故障敏感参数特征；据此反推零部件的故障及故障程度。43东北大学设备诊断工程中心6.3.7往复式空气压缩机性能参数的监测往复式空压机所需监测的主要性能参数：⑴排气量累计值、瞬时值⑵主电机的输入功率⑶压缩机汽缸的漏气量用以监测填料、气阀、活塞环的工作状态；⑷温度用以监测各级进排气、冷却水、油主要摩擦副等的工作状态；⑸压力用以监测各级进排气、冷却水、油、滤清器等的工作状态。44东北大学设备诊断工程中心6.4发动机振动的传递特性的研究特点是：运动件多，且复杂，引起振动的激励源多。对于不同零部件的振动，这些激励各自的贡献是不同的。了解这些激励力在发动机中不同部件的传递路径及其对振动的影响，分析不同激励源的特征，是利用机器表面振动信号判别其故障的基础工作。对于单输入、输出线性系统，其传递函数为：（6.3）式中传递函数；响应的傅氏变换；激励的傅氏变换；45东北大学设备诊断工程中心

激励和响应的互谱函数；激励的自谱函数。缸盖系统是一个复杂的机械系统本身结构复杂、承受多种激励力。主要激励力：⑴缸内气体压力；⑵进排气阀落座冲击；⑶进排气阀开启气流冲击；⑷机身振动影响。本节将从研究缸盖的振动特性入手，从时域、频域上，分离各个激励对缸盖振动的影响；通过实验得到对应这些激励的传递函数46东北大学设备诊断工程中心图6.18缸盖振动频率特征6.4.1缸盖激励源的分离从如图6.18所示的缸盖振动信号的频谱图上可以看出：振动能量主要分布在以下和两个频带上。47东北大学设备诊断工程中心图6.19缸盖由于气阀冲击作用下的振动特征去掉连杆、活塞（去除气体压力作用），由电动机带动发动机倒拖，其振动信号谱图如图6.19所示，说明气阀落座冲击主要是高频振动。48东北大学设备诊断工程中心图6.20缸盖响应的相干分析作缸盖振动和气体压力的相干分析，如图6.20所示，可以得出结论：低频振动能量是由缸内气体压力引起的。（相干功率谱的能量，对应集中分布在低频段上。）49东北大学设备诊断工程中心上述分析表明：气体压力和气阀落座冲击所引起的振动，在频率域上有明显不同的特征，容易将它们分离。但是频率域上的功率谱分析不含相位信息，所以不能区分进气阀落座冲击和排气阀落座冲击这对原本据有相位差异的信号特征。由于不同的激励力作用于缸盖的（时间）相位不同，必须讨论从时域上分离这些激励力。图6.21是一个周期内缸盖振动的时域波形，根据上止点信号、发动机定时配气规律，可以分别识别出各激励力在缸盖上的瞬态冲击响应。50东北大学设备诊断工程中心图6.21缸盖响应时域信号运用延时触发和瞬态窗技术，可以分析不同激励对缸盖振动的贡献，如图6.22所示。51东北大学设备诊断工程中心图6.22不同激励对缸盖振动的贡献52东北大学设备诊断工程中心6.4.2缸盖系统传递特性如前所述：缸盖上某点振动可用属于多输入、单点输出的线性系统来描述。由于上述激励是不相关的，所以缸盖该点的振动响应可写成：（6.4）式中缸盖表面响应信号的傅氏变换；气体压力信号的傅氏变换；排气阀落座冲击力信号的傅氏变换；进气阀落座冲击力信号的傅氏变换；排气阀开启气流冲击力信号的傅氏变换；53东北大学设备诊断工程中心气体压力的传递函数；

排气阀落座力的传递函数；进气阀落座力的传递函数；

排气阀开启力的传递函数；

干扰信号的傅氏变换。掌握各种传递函数，就有可能根据缸盖表面振动响应，来推断各个激励的性质。54东北大学设备诊断工程中心6.4.3传递函数的测量

1.气阀落座冲击和开启的传递特性在发动机运行过程中，气阀落座的冲击是一个瞬态冲击力，难以实测。但其传递特征与发动机动态运行参数无关。所以，可以在发动机静态条件下，以力锤敲击阀座，得到相应的机械导纳，从而确定不同测点对气阀落座的传递函数。

2.气体压力的传递函数气体压力可测，缸盖表面振动（综合）响应可测，两者间传递函数求解思路如图6.24所示。55东北大学设备诊断工程中心图6.24求缸盖对