设备状态监测与故障诊断技术第9章-液压设备状态监测与诊断.ppt

1、第九章 液压设备状态监测与诊断,有关资料统计，液压设备故障约占整个设备总故障的30%左右。除了一般机械设备的共同点外，液压设备还有其自身的特点，例如油液分析就是液压设备中一个重要而特殊的诊断参数。,学习目标： 要求了解液压设备的失效分析； 掌握液压设备故障诊断方法； 熟悉油液污染分析方法（重点讲解铁谱分析法）。,第一节 液压设备的失效分析,一、失效与失效判据 不同的产品有不同的失效判据，相同的产品不同的用途，失效判据也不同。军品和民品的判别准则显然有差别。 总之，要按用户、生产厂和业务主管部门的具体要求来制定。液压产品通常以某些技术参数和性能参数为指标来衡量是否失效。,表9-1 液压设备各类失

2、效比, 轴向柱塞泵 容积效率下降到低于出厂合格指标的5%； 主要滑动磨擦副（柱塞-缸体，缸体-配油盘，滑靴-斜盘）表面出现粘铜、烧蚀或拉丝； 滚动体出现疲劳剥蚀； 零部件出现断裂、损坏； 变量机构失灵或变量特性低于出厂合格指标的10%； 有滴状外漏。 齿轮泵 容积效率下降到低于出厂合格指标的5%； 齿轮端面等磨擦副表面出现拉丝、粘铜或烧蚀； 轴承处出现剥蚀或抱轴、咬死； 零部件出现断裂、损坏； 有滴状外漏。,第一节 液压设备的失效分析, 液压缸 有滴状外漏； 缸体（包括焊缝）出现裂纹； 紧固螺钉断裂。 压力控制阀 压力调节失灵或有卡死现象； 导阀的颤振和啸叫，控制压力发生大的振摆； 零部件的异

3、常磨损或断裂； 技术性能指标低于标准值的10%； 有滴状外漏。,第一节 液压设备的失效分析, 方向控制阀 换向，复位（对中）时间超过标准值的10%； 内泄漏量超过标准值的10%； 出现卡死、啸叫或抖动现象； 零部件的异常磨损或断裂； 有滴状外漏。 此外，异常的噪声和温升，也常是液压件失效判据的主要内容。失效判据应根据具体情况合理确定。 进行液压设备的失效分析，还需要对失效进行分级，一般可分为四级：造成重大生命财产损失；影响重大功能完成；造成系统运行有效性的降低；造成过多的非计划维护。,第一节 液压设备的失效分析,二、失效模式与失效机理 液压件常见的失效模式可归纳如下： 轴向柱塞泵和马达 配流盘

4、缸体摩擦副严重磨损或烧伤； 滑靴斜盘摩擦副严重磨损或烧伤； 柱塞缸孔摩擦副严重磨损或咬死； 轴承磨损或剥蚀； 柱塞球头的颈部断裂； 滑靴变形、脱靴或断裂； 缸体开裂（特别在配油槽处）； 变量机构调节失灵； 密封处漏油。,第一节 液压设备的失效分析, 齿轮泵和马达 齿轮严重磨损； 齿轮齿牙断裂； 齿轮变形； 侧板严重磨损； 轴承严重磨损或烧伤； 密封处漏油。 叶片泵和马达 叶片顶部与定子间的严重磨损或烧伤； 叶片与叶片槽间的严重磨损或烧伤； 配流盘与侧板间的严重磨损或烧伤； 叶片断裂； 轴承磨损或剥蚀； 密封处漏油。,第一节 液压设备的失效分析, 低速大扭矩马达 滚轮或钢球与导轨间的严重磨损或剥

5、蚀（内曲线式）； 连杆滑块与曲轴间的严重磨损或烧伤（曲轴连杆式）； 配流轴与配流套间的严重磨损或烧伤（轴配流式）； 配流盘与转子间的严重磨损或烧伤（端面配流式）； 轴承磨损或剥蚀； 密封处漏油。 液压缸 缸体裂纹； 螺钉断裂； 活塞杆磨损、锈蚀； 密封环损坏； 密封处漏油。, 液压阀 阀芯卡死； 节流孔口堵塞； 弹簧形变或断裂； 压力阀导阀芯的颤振和啸叫； 锥阀芯与阀座的严重磨损或剥蚀； 电磁铁吸力不足或线圈烧坏； 密封处漏油。,第一节 液压设备的失效分析,机械零部件（包括液压元件）所发生失效的最基本机理，有如下几种：形变或应力断裂，腐蚀，磨损，冲击断裂，疲劳，热应力与热变形。对于液压元件来说

6、，上述六种失效机理中，最主要的是磨损和疲劳失效。 液压元件中存在着许多摩擦副，例如轴向柱塞泵中的斜盘与滑靴，柱塞与缸孔，配流盘与缸体，叶片泵中的定子环与叶片，齿轮泵中的齿轮与壳体，换向阀中的阀芯和阀套等等。凡是两个相互接触的物体，在载荷作用下作相对运动，就必然存在着摩擦磨损。因此对磨损机理的研究，随着产品向高速、高载、自动化发展，就显得愈来愈重要。近年来，一门新学科摩擦磨损润滑学（简称摩擦学）有了很大的发展。 磨损的定义，一般可认为是：“两个相互接触的物体产生相对运动和摩擦时，由于对接触表面施加压力的结果，使接触表面的部分材料从表面上脱落或产生位移，形成材料破坏。”按照磨损机理，磨损可分为磨粒

7、磨损、粘着磨损、接触疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损。,第一节 液压设备的失效分析,磨粒磨损 硬的颗粒或突起物在摩擦过程中，由于力的作用，使所接触的表面的部分材料产生脱落或位移。磨粒磨损还可分为两体磨损、三体磨损和冲刷磨损。 粘着磨损 两个相对运动的表面相互压紧时，表面上的凸起点产生金属与金属的点接触。 接触疲劳磨损 由于交变载荷的作用，在元件接触表面产生弹性变形和塑性变形，而使材料间的聚合力丧失。 腐蚀磨损 腐蚀就是元件表面原子同周围流体介质之间发生反应的过程，包括由电化学势能和流体流动势能，以及对表面直接的化学侵袭所激起的各种反应。 微动磨损 由于机械振动而引起两接触表面间的低幅振动，例如轴孔

8、配合面、螺栓联接处等位置，这种表面间的微量振动会产生微动磨损。,第一节 液压设备的失效分析,疲劳失效是液压元件的又一主要失效机理，由液压元件的工作载荷可以看出，大多数液压元件都承受交变载荷，例如，轴向柱塞泵的传动轴、柱塞球头颈部、柱塞、缸体、轴承；齿轮泵的传动轴、齿轮啮合面、轴承；液压阀的弹簧、电磁铁导磁套、顶杆、阀芯、阀座等。而且随着液压元件向高压、小型化发展，其应力水平越来越高，疲劳失效的诊断也就越来越突出。 疲劳的定义可以认为是材料在交变应力或应变循环作用下，逐渐产生带有选择性的累积损伤，经过一段时间后，发生带有局部特征的断裂现象。疲劳过程包括裂纹产生、扩展和最终瞬时断裂三个阶段。 疲劳

9、失效一般呈现为突发性失效，因此，对它的事前监控就比较困难。常用间接的方法，如监测其载荷的变化来达到控制的目的,第一节 液压设备的失效分析,第二节 液压设备故障诊断方法,一、功能诊断法 液压设备是个完整的系统，有其输入参数和其相应的输出参数。根据输出参数的变化规律，可以判断设备状态的好坏，从而对设备做出诊断。液压设备的输出参数主要有：油液压力、流量、容积效率。例如液压系统的压力低于某额定值或出现剧烈波动时，就意味着油液通道阻塞或内泄漏等故障。,液压设备的工况在发生变化时，会产生过渡工况，即形成过渡过程。例如换向阀换向、液压马达反转时。通过检测分析过渡过程的特点，可以确定液压设备各组成部分的技术状

10、态。 图9-1所示是某工厂液压缸执行机构的速度时间过渡过程。其中曲线1是正常特性曲线。若特性曲线偏离曲线1，则表明液压缸发生故障。曲线2就表示节流口和换向环节故障，曲线3则表示密封件损坏。,图9-1 某液压缸的速度时间过渡过程,二、振动诊断法 振动诊断法是目前应用得最普遍，发展得比较成熟的一种诊断方法。液压系统中发生的振动过程包含着十分丰富的信息，相当充分地反映了液压元部件和整个设备的技术状态。 （a）正常泵 （b）轴承有故障泵 图9-2 正常泵与异常泵的振幅频谱（片段）比较 图9-2所示为一台正常齿轮泵和一台轴承有故障的泵的振幅频谱的片段。从波形图上可以看到，正常泵的振动谱的主要分量是齿轮齿

11、的啮合谐波，而支承轴承滚道上的故障引起的谐波与泵转速一致且振幅也较大。,第二节 液压设备故障诊断方法,三、声学诊断法 声学诊断法主要包括噪声诊断和声发射诊断。 研究噪声的声源、机理、特征及其频率组成，就可以对设备的状态进行监测与诊断。液压设备中的流体噪声FBN（Fluid Borne Noise）和结构噪声SBN（Structure Borne Noise）,最终反映为空气噪声ABN（Air Borne Noise）传入人耳。液压系统中的气蚀、水锤、换向冲击、配油吸空、齿轮啮合、配合间隙、管道磨擦、密封不良等等都会产生流体噪声和结构噪声，因此，液压设备的噪声频带很宽。 噪声的测量结果会受到外界

12、条件的影响，如环境、测量场所的规模、消音能力、空气湿度、其他设备等。由于信噪比比较低，因此一般很少直接用噪声的声强或声压来表征诊断对象的技术状态。,第二节 液压设备故障诊断方法,声发射技术是近几年来迅速发展起来的一种诊断方法，它具有许多优点，已成为一种快速、动态、灵敏、整体性的无损检测手段。声发射的频率范围很宽广，利用高频超声来检测声发射，大大减低了周围环境机械噪声的干扰。国外有些学者专门研究了用声发射技术来检测液压系统中的泄漏。 液压设备应用声发射技术进行故障诊断还刚刚起步，困难之处在于液压系统本身存在着高频流体噪声，因而淹没了声发射信号。,第二节 液压设备故障诊断方法,四、参量诊断法 参量

13、诊断法是指检测液压系统中的某些参数来诊断设备的工作状态，如油液温度、油液污染度、油缸位移、液压马达转速等。液压设备故障诊断中常用的诊断参数有：振动、噪声、压力、流量、油液污染度、容积效率、泄漏量、油液温度、声发射、磨擦副电阻、油液综合体积弹性模量等。 压力与流量是两个反映设备工作特性的最基本的参数。只要测试的压力、流量值与设备正常工况值不相符，就可判定液压设备发生了故障。,第二节 液压设备故障诊断方法,油液是液压系统的工作介质，它既起到传递动力的作用，又起到润滑元部件的作用，是液压系统（设备）中不可缺少的工作介质，它就像人体中的血液一样重要。污染的油液将使液压元件的磨损剧增，而元件的磨损又反过

14、来进一步增加油液的污染。国外资料曾统计，认为液压系统的故障70%是由于油液污染所引起的。 温度监测只作为液压设备故障诊断中的辅助监测量。其他一些参量诊断，如转速、位移、扭矩等，都可按照设备的具体要求、条件、实际情况来确定。 液压设备故障诊断时，常常需要几种方法同时应用，就像人体诊断时既需要听诊、测脉搏，又需要量血压、化验血液、化验排泄物等。,第二节 液压设备故障诊断方法,第三节 油液污染分析,一、油液诊断方法概述 油液分析包括两大内容： 一是油液本身的物理化学性能分析。例如油的粘度、酸值、油性、闪点、凝点、抗氧化稳定性、防锈性等。其中粘度和酸值对设备的正常运行尤为重要。粘度是影响油液流动的主要

15、物理性质，又是决定运动件表面油膜厚度的主要因素，而酸值反映了油液对设备的腐蚀性，也是油液变质的主要标志； 二是油液的污染分析。油液中的污染物很多，一般定义为：外来的或生成的，不需要存在于油液中的，对液压系统工作性能、寿命和可靠性有害的物质或能量。污染物质指固态、气态、液态的无机物或有机物（微生物）。污染能量指热能、静电荷、磁场、放射线等。,第三节 油液污染分析,污染物质有磨粒、灰尘、水气、空气、微生物等，其中出现得最经常、数量最大、危害最严重的是固体颗粒污染物。液压油液中的固体颗粒主要是指磨粒，除了部分属于外界侵入外（如灰尘、铸件砂粒），主要来源于液压设备运转时的磨擦磨损、机械冲击、表面疲劳、

16、腐蚀、流体动力、化学及电化学反应等。 小小的磨粒（从几个微米到几百微米）是液压设备故障诊断的重要信息源，其数量、成分、尺寸、形状、分布反映了不同磨损失效类型和故障特征。可见，油液中的固体颗粒反映了液压系统的工作状态。,油液诊断方法的基本步骤为采样、检测、诊断、预测和处理。 所谓采样，就是采集能正确反映当前液压设备中元、部件运行状态的、有代表性的油样； 所谓检测，就是对油样进行分析，测定油样中磨屑的数量、大小及成份等 所谓诊断，就是初步回答设备的磨损状态属于正常还是异常，如果是异常磨损还要确定哪些元、部件磨损和何种磨损类型；,油样分析检测方法 在线分析法 油样分析法 光学法 电学法 其它方法 光

17、谱分析法 铁谱分析法 简 精 电 电 电 磁 过 颗 原 原 分 X 在 旋 直 分 易 密 导 感 容 塞 滤 粒 子 子 度 射 线 转 接 析 法 法 法 法 法 法 法 记 吸 发 光 线 式 式 式 式 数 收 射 度 荧 铁 铁 铁 铁 法 光 光 计 光 谱 谱 谱 谱 谱 谱 法 法 仪 仪 仪 仪 法 法,图9-3 油样分析监测方法汇总图,所谓预测，就是估计处于异常磨损状态的设备元、部件的剩余寿命和今后可能发生的磨损类型； 所谓处理，就是根据预测的情况确定维修方式、时间和部位。,第三节 油液污染分析,在上述油样分析监测方法中，主要是光谱分析与铁谱分析两大类。目前，常用的有油液

18、光谱分析法、油液铁谱分析法和磁塞检查法等，近几年又出现了油液能谱分析法。 油液光谱分析法是指用原子吸收或原子发散光谱分析油液中磨屑的成分和含量，判断磨损的零件和磨损的严重程度的方法。该方法对有色金属比较适用。 油液铁谱分析法是指将油液按一定的操作步骤稀释在玻璃试管或玻璃片上，使之通过一个强磁场。在强磁场的作用下，不同大小的磨屑所能通过的距离不一样，根据油样中磨屑沉淀情况便可判断设备元、部件磨损和程度。 磁塞检查法是指用带有磁性的塞头插入液压设备的管道内，收集油液中的磨屑，用肉眼直接观察磨屑的含量、大小及形状，判断设备元、部件的磨损状况。,第三节 油液污染分析,图9-4 各种油样分析技术的适应范

19、围,注：其实液压设备油液污染分析可以扩大到所有设备的润滑系统。设备的润滑状态直接影响到设备的使用寿命、动力消耗以及故障的程度和频度，因此必须对设备润滑进行有效的控制，这里润滑油液分析就显得尤为重要，需要大力推广普及。,第三节 油液污染分析,二、几种常用油液污染颗粒测定方法简介 1颗粒浓度法：是一种对液体中颗粒进行宏观统计的测定方法。这类方法只给出全部颗粒的整体数量概念，而不是对单个颗粒进行测定。 2淤积指数法：其原理是以污染的油液通过滤膜，由于污染颗粒滞留于膜上，使一部分膜上的过滤微孔被堵塞。这样就减慢了过滤速度，以专门的装置，使油液在一定的压力下，将规定了的三个不同容积的液量通过滤膜，测定相

20、应的流过时间t1，t2，t3，则淤积指数S为 S=（t3-2t2）/t1 （9-1） 此法可用来测定5m以下的颗粒数量或胶质状态物质。,第三节 油液污染分析,3显微镜颗粒计数法：显微镜法在一般情况下是广泛采用的方法，但由于光学现象的人的因素的影响，测量精度较低，测量时间较长。 4自动颗粒计数法：此法是利用液体中的颗粒对光的消光、遮光作用（对不透明颗粒）或散射作用（对透明颗粒）的原理。 5光谱分析法：光谱分析法的优点在于分析速度快，自动化程度高，定量准确又可进行多元素分析。但由于受工作原理上的限制，它只能得到磨损元素的含量、成份而不能得到它们的存在方式（如形状、尺寸大小等）方面的信息。,第三节

21、油液污染分析,三、铁谱分析法 铁谱分析法是上世纪70年代发展起来的十分有效的一种油液分析方法。 1工作原理 图9-5所示为铁谱分析仪工作原理，图9-6为其磁场装置示意。,图9-5 铁谱分析仪原理图 1油样 2微量泵 3特种胶管 4玻璃基片 5导流管 6储油杯 7磁场装置 8支架,图9-6 磁场装置简图,第三节 油液污染分析,液压系统的油样由微量泵吸入，然后输出至呈一定角度倾斜的玻璃滑片上。滑片下有高梯度的磁场装置。在油液缓慢下流的过程中，油液中的可磁化颗粒在磁场的作用下沉积在滑片上。根据Stokes定律：大颗粒及重颗粒先沉积，小颗粒及轻颗粒后沉积，然后是非铁磁性颗粒在重力作用下沉积。这样，颗粒

22、在滑片上按大小和重量有规律地排列分布。滑片经清洗残油和固定颗粒的处理后，制成铁谱基片。 应用铁谱显微镜，对基片上沉积的颗粒进行尺寸、形态、成份、数量等定量的观察和分析，并由此判断设备的摩擦磨损状态与故障情况。,第三节 油液污染分析,实验表明，较大尺寸的颗粒（5m）一般沉积在基片上端液流入口处（距下端出口处约5456mm处），而较小的亚微米颗粒（1m）一般沉积在距液流出口处约30mm以下的区域，其排列分布见图9-7及表9-2。,谱片上距出口端距离（mm）,图9-7 铁谱基片上颗粒尺寸分布示意图,表9-2 谱片上不同位置沉积的颗粒尺寸,第三节 油液污染分析,2油样制备 油样的制备是做好铁谱分析的关

23、键，因为取样是否正确，油样有无代表性，必然影响到设备工况判断的正确性。 油液取样 取样可分为静态取样和动态取样两种。静态取样是指从静止的或接近静止的液流系统部分取样，一般是指油箱中取样。动态取样是指从流动的液体中取样，一般是指从液压系统的回油管路上取样。 由于颗粒的沉降作用，油箱中颗粒的分布是不均匀的。因此在油箱中取样时，取样管应插入油面高度一半以下的深度，同时尽可能地将取样管始终固定在一个位置上取样，以取得有代表性油样。考虑到大颗粒先沉降，必要时可将取样管接近油箱底部取样，但需与箱底沉积物之间距离大于25mm，以避免吸入其它杂物。同时要避免在死角处取样。,第三节 油液污染分析,对于循环液压系

24、统，宜在回油管路上取样，取样点应设置在过滤器之前。同时，最好选择在紊流断面处。 取样时间应尽可能在液压系统运转状态下进行。处于管路取样容易实现，对于油箱取样，有时需停机才行。此时应在停机后尽可能短的时间内进行，一般不应超过两小时。 取样的时间间隔取决于设备的性质、使用情况以及设备工况监测的要求。机械磨损一般有三个阶段：跑合磨损阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段。在稳定阶段取样间隔可稍长些，而在跑合和剧烈磨损阶段因磨损变化率大，所以取样间隔应短些。 油样处理 油样必须经过处理才能进行铁谱分析，处理主要是指加热搅拌和稀释。,第三节 油液污染分析,3颗粒识别 铁谱分析技术就是根据油液中的颗粒的浓度、形

25、态、成分、类型、大小、分布和材料等数据信息，分析判断设备的磨损状态、磨损部位、磨损机理，进行故障诊断。 不同的磨损机理，在摩擦副表面会产生不同形态和尺寸的磨损微粒。根据微粒的形态、尺寸和产生方式的不同，大致可分为以下几种主要类型： 正常摩擦磨损颗粒 指在设备正常运转状态下，金属表面在摩擦力周期性的反复作用下，两摩擦表面上生成的剪切混合层由于疲劳而产生小片剥落，呈光滑表面的“鳞片”状。这种正常摩擦磨损颗粒，其尺寸一般在0.515m，或更小些，其厚度为0.151m。,第三节 油液污染分析, 切削磨损颗粒 其形状象切削加工时产生的切屑。主要是由于摩擦副中存在硬质微凸刃道或外部进入的硬质磨粒，在摩擦过

26、程中产生微切削而形成。平均宽度为25m，长度为25100m的切削颗粒为锐刃道在滑动表面“切削”形成；厚度在0.25m，长度为5m的切削颗粒为两滑动面间的磨粒杂物“切削”产生。若液压系统中大的切削颗粒（如长度大于50m）迅速增加，则表明摩擦副即将失效。 疲劳磨损颗粒 是指运动副因接触疲劳而产生的磨损颗粒，通常发生在滚动轴承、齿轮传动中。尺寸在10m左右，最大可达100m。其长度与厚度之比为4：1到10：1。如果系统中大于10m的颗粒明显增加，尺寸进一步扩大，这就表明表面小块剥落由微观转为宏观，这是失效的前兆。因此，可根据大于10m颗粒数的增长速率来判断零部件的磨损是否正常。,第三节 油液污染分析

27、, 严重滑动磨损颗粒 一般在20m以上。长度与厚度之比约为10：1。颗粒表面常有划痕，有直的棱边，有整齐的刃口。磨损愈剧烈，其划痕和直线刃口愈明显。 有色金属磨损颗粒 有色金属磨损颗粒具有特有的金属光泽，这是区别于其他磨损颗粒的重要标志。 注：液压系统的油液中，除了钢铁磨损颗粒、有色金属磨损颗粒外，还有铁氧化物、润滑油变质产物、摩擦聚合物和外来污染颗粒（如泥沙、灰尘、煤屑、纤维物质等）。这些都是需要给予正确的识别。,第三节 油液污染分析,小 结,液压设备是一种流体驱动的装置，是机械设备中的重要组成部分。据有关资料统计，液压设备故障约占整个设备总故障的30%左右。 液压元件最主要的失效机理是磨损

28、和疲劳。 目前，确定液压设备状态的常用方法有功能诊断法、振动诊断法、声学诊断法和参量诊断法等。 油液分析包括两大内容：一是油液本身的物理化学性能分析；二是油液的污染分析。 油液诊断方法的基本步骤为采样、检测、诊断、预测和处理。目前已经使用或正在研究的油样分析监测方法包括油液光谱分析法、油液铁谱分析法和磁塞检查法等，近几年又出现了油液能谱分析法。 铁谱分析技术就是根据油液中的颗粒的浓度、形态、成分、类型、大小、分布和材料等数据信息，分析判断设备的磨损状态、磨损部位、磨损机理，进行故障诊断。,问 题 与 回 答,互动时间,一、单项选择题（在备选答案中选出一个正确答案，并将其号码填在题干中的横线上）,1对于液压元件来说，下述失效机理中最常见的是 。 A、应力断裂 B、腐蚀 C、疲劳 D、热变形 2冲刷磨损属于 的一种。