往复机械故障诊断新篇

3.主要研究对象——曲柄-连杆机构，内燃机、往复式空气压缩机。第六章往复机械故障诊断

6.1概述1.往复运动——在机械运动中往复运动是一种最常见的运动。（直线、摆动）往复运动变成回转或将回转变成往复运动。2.常用构件——凸轮、齿轮、链轮、齿条、偏心轮、曲柄、连杆等。通过一系列的机构将14.内燃机监测——[单机监测]包括性能监测和机械状态监测。5.往复式空压机系统监测——[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。6.监测诊断的复杂性——

（1）运动件多而复杂，且包含在机身内，其参数难以测量，其状态难以判定；（2）激励源众多，频率、相位等成分复杂；2（6）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？（3）本缸机构各冲程运动干扰、缸与缸之间互相干扰，交织在一起，能否区别？（5）敏感测点如何选择，判据如何确定？（4）

各种激励力的传递途径，激励力对表面振动的贡献，众多激励同时作用与分时作用交织一起，对应关系的识别？38.人员要求——

对设备结构的清晰了解，对动力特性的全面掌握，对故障机理的深入研究，有较为全面的相关领域知识，有丰富的设备维护、管理及实际工作经验等。7.综合监测——

检测方法不可单一化、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，必须实施综合检测，多信息融合，全面分析诊断。46．2往复机械基础知识6.2.1往复机械的分类1.档车轭机构（图6.2）以主轴的偏心动作带动，来实现锻压机的压缩运动。图6.2挡车轭机构1—主轴；2—滑动块；3—压头2.直线往复机构（图6.3）输入轴的旋转转化成外部机构的往复运动。

图6.3直线往复机构1—蜗杆；2—输入轴；3—机架；4—蜗轮[印刷机油墨进给圆筒的联动机构][锻压操作]53.往复空间曲柄（见图6.4）将输入轴1的旋转，经连接环A、B，转变成输出件4的往复运动。4.发电机的菱形传动机构（见图6.5）将往复运动转化成转动。图6.4往复空间曲柄[锉床]1—输入件；2—连接环A；3—连接环B；4—输出件图6.5发动机的“菱形”传动[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6两冲程发动机工作原理：此发动机有两个冲程，且两个冲程都是做功冲程。

此发动机有两个活塞：左边的是配气活塞（活塞和气缸之间有间隙，以便空气在冷热端流动）；右边是动力活塞，动力活塞与缸体紧密配合，将缸体封闭成一个与外部隔绝的密封腔体。两活塞是刚性连接。当活塞从上止点往下止点（从左向右）移动时，将冷端的冷空气压向热端，冷空气在热端受热膨胀，腔体里气体压力高于大气压，故进一步推动活塞向下止点移动（做功冲程）。7当活塞运动到下止点时，图中管道C的X开口和动力气缸的开口X接通（exhaust处），热空气通过管道C排出到外部。由于飞轮的惯性作用，活塞将从下止点向上止点（从右向左）移动，此时残留在热端的热空气将被压向冷端，进入冷端的热空气被冷却后收缩，引起腔内的气体压力下降到低于大气压，故动力活塞在外部大气压的作用下进一步向上止点（向左）移动（也是做功冲程）。

当活塞移动到上止点时，管道B被接通，外部的冷空气通过此管道被吸入腔体（因为此时腔体内的气压低于大气压）。如此往复循环……8实物照片原理示意图原理分解示意图原理动画示意图95.曲柄-连杆机构（见图6.6）由活塞、连杆、曲柄3个基本元件组成的运动机构，分4种类型。

[广泛用于内燃机、往复式空压机等。](a)正置式曲柄-连杆机构（见图6.6(a)）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]

(b)十字头式曲柄-连杆机构（见图6.6(b)）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。图6.6曲柄—连杆机构类型简图

10(c)偏置式曲柄-连杆机构（见图6.6(c)）气缸中心线偏置在曲柄回转中心的一侧。[仅少量高速小型内燃机采用]

(d)主、副连杆式曲柄-连杆机构（见图6.6(d)）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]

图6.6曲柄—连杆机构类型简图

11发动机中的曲柄-连杆机构12曲柄-连杆机构实物136.2.2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(1)活塞位移x的计算：由(图6.7)的几何关系可得：

图6.7正置式曲柄—连杆机构几何关系图A—活塞销中心；B—曲柄销中心；L—连杆长度；R—曲柄半径；S—活塞冲程（S=2R）；—曲柄转角；—连杆摆角；λ—曲柄半径与连杆长度比（λ=R/L）设:代入6.1式消元，得:(6.1)(6.2)即:14图6.7正置式曲柄—连杆机构几何关系图∵一般λ＜1/3.5[小于1]

按二项式定理展开（6.2）式，并略去λ高次项，(6.2´)(6.2)A—活塞销中心；B—曲柄销中心；L—连杆长度；R—曲柄半径；S—活塞冲程（S=2R）；—曲柄转角；—连杆摆角；λ—曲柄半径与连杆长度比（λ=R/L）有常用近似式：15(2)活塞运动速度v的计算：

对（式6.2´）求导，并注意到：活塞运动速度的近似式为：(6.2´´)(3)活塞加速度a的计算：同理求导，活塞加速度的近似式为：(6.2´´´)(6.2´)162.曲柄-连杆机构作用力分析

17图6.8（a）、（b）、(c)曲柄—连杆机构上的作用力

VH（c）α曲柄—连杆机构上的作用力如图所示：18为在连杆中心线方向的分力

（连杆推力）(1)连杆小端处作用力的分析

连杆小端处作用力P由两部分组成：

——周期性变化的气体压力

——活塞惯性力

为在垂直于汽缸壁方向的分力（活塞侧推力）

VH图6.8（c）α19连杆具有其质量，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：(2)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，垂直于曲柄方向的切向分量

。据几何关系可写为：

VHα20(c)

PH

´VPrH图6.8（c）α(3)主轴颈处作用力的分析取曲柄—连杆机构为研究对象，其受力如图（6.8（c））,设曲柄—连杆机构作用在主轴径处的离心力为，主轴颈处垂直作用力V为：水平作用力H为：为曲柄、连杆惯性力对主轴颈处综合作用的结果。——周期性变化的气体压力

——活塞惯性力21(c)

PH

´VPrH图6.8（c）α从图（6.8（a）、（c））上看，内燃机输出扭矩为：

VHαA—活塞销中心；内燃机输出扭矩226.2.3内燃机常用参数及计算公式[常用参数——用于判定气缸内部工作状况]1.研究工作循环有效性的参数(1)平均指示压力（）[图示]假定有一个不变的压力作用在活塞上，使活塞在一个行程中所做的功与实际工作循环所做的功相等。——这个力叫作平均指示压力；——它表示一个工作循环内，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——气缸工作容积气体、燃料的混合情况换气质量燃烧速度负荷平均指示压力的大小，主要与有关。对于内燃机——平均指示压力随负荷增加而增大；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。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；[实际作用力是瞬变的]23(2)指示功率（）指示功率——

燃气在气缸中单位时间内所完成的指示功，

即:式中：——平均指示压力,Pa;——气缸工作容积,L;——柴油机转速,r/min;——气缸数;——冲程数。24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相等。

[有效功=指示功-机械损失功]式中：——输出的有效功，J；(3)平均有效压力（）

式中：——平均指示压力,——机械损失压力，Pa——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。[刨除了中间环节的机械损失功]25有效功率——是指内燃机曲柄输出的实际功率（轴功率、制动功率），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：(4)有效功率（）式中：——平均有效压力，Pa指示功率——平均指示压力26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——带动辅助机械的损失功率。

（燃油泵、润滑油泵、水泵、二冲程扫气泵、气压机等）3）泵气损失功率——仅发生在四冲程柴油机的进、排气过程中。机械效率等于柴油机有效功率与指示功率之比值，即:(5)机械损失功率（）(6)机械效率（）27（1）有效热效率（）有效热效率——是指柴油机曲轴所做有效功的相当热量同燃料燃烧所发出的全部热量的比值。即：（2.1.1）有效热效率

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，表明了柴油机中热能的最终使用价值。其实际应用公式为：（2.1.2）2.研究工作循环经济性的参数式中:——有效功率，kW；——燃料低热值，kJ/kg；——燃料消耗量，kg/h28（2.2.1）——有效功率，kW。（2）有效燃料消耗率（）有效燃料消耗率（有效耗油率、比油耗）——

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，有效燃料消耗率可以改写成:——燃料消耗量，kg/h式中:——燃料低热值，kJ/kg296.2.4柴油机的分类1.按完成每工作循环所需的冲程数目划分：（1）二冲程柴油机——活塞运行两个行程曲柄转一转完成一个工作循环的柴油机。（2）四冲程柴油机——活塞运行四个行程曲柄转二转曲柄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：（1）低速柴油机——曲柄转速为250r/min以下；（2）中速柴油机——曲柄转速为250-1000r/min；（3）高速柴油机——曲柄转速为1000r/min以上。柴油机的分类：煤气机柴油机燃气轮式旋转活塞式（转子式）往复活塞式三种基本形式汽油机按使用燃料分内燃机的分类：303.按汽缸排列方式划分（1）直列式柴油机——所有气缸排列成一直线排列，气缸中心线为垂直方向；（2）卧式柴油机——所有气缸中心线呈水平方向排列；

（3）V型柴油机——气缸呈“V”型排列两行，两行气缸中心线相交成一定角度；（4）其他型式柴油机——“W”型、“X”型、“H”型。

31图6.9柴油机（a）筒形活塞式柴油机；（b）十字头式柴油机4.按曲柄-连