第4章 机械设备故障诊断技术,知识点 1机械故障诊断及其分类 2温度诊断技术、振动诊断技术 3油样分析技术、无损检测技术 学习要求 1故障诊断及其分类 2故障诊断的主要工作环节和简易诊断方法 3了解振动诊断技术 4了解温度诊断技术等,www.sciencepcom,4.1 概述,4.1.1 故障诊断及其分类 机械故障诊断，就是对机械系统所处的状态进行监测，判断其是否正常，当出现异常时分析其产生的原因和部位，并预报其发展趋势。机械设备的故障诊断方法可以按如下几种方式进行分类: 1机械设备的故障诊断方法 （1）按诊断目的分类 1）功能诊断，即对新安装或刚维修过的机械系统诊断其功能是否正常，并进行适当调整。 2）运行诊断，即对正常工作中的机械系统进行的诊断。,www.sciencepcom,4.1 概述,（2）按诊断方式分类 1）巡回诊断，即每隔一定的时间对工作中的机械系统进行检查和诊断，也称定期诊断。 2）在线诊断，即连续地对工作中的机械系统进行监测，对所监测的信号自动、连续、定时地进行采集和分析，对出现的故障及时作出诊断。 （3）按提取信息的方式分类 1）直接诊断，即诊断对象与诊断信息来源直接对应的一种诊断方法，亦即一次信息诊断，如通过检测齿轮的安装偏心和运动偏心等参数来判断齿轮是否正常即属此类。直接诊断往往受到机械结构和工作条件的限制而无法实现，这时就采用间接诊断。 2）间接诊断，即诊断对象与诊断信息来源不直接对应的非一次信息的诊断方法，如通过测箱体的振动来判断齿轮箱中的齿轮是否正常等即属此类。,www.sciencepcom,4.1 概述,2机械设备的故障诊断分类 （1）简易诊断 简易诊断就是对机械系统的状态作出相对粗略的判断，一般只回答“有无故障”等问题，而不分析故障的原因、故障的部位及故障程度等。 （2）精确诊断 在简易诊断基础上更为细致的一种诊断过程，它除了回答“有无故障”外，还要详细地分析出故障原因、故障部位、故障程度及其发展趋势等一系列问题。 机械故障诊断还可根据所采用的技术手段的不同而分为温度诊断、振动诊断、油样分析以及无损探伤等。,www.sciencepcom,4.1 概述,4.1.2 故障诊断的主要工作环节 一个完整的诊断过程一般由下面几个主要工作环节组成。 （1）确立运行状态监测的内容 （2）建立测试系统 （3）测试、分析及信息提取 （4）状态监测、判断及预报 4.1.3 故障简易诊断方法 （1）人工监测诊断法 （2）自动监测诊断法,www.sciencepcom,4.1 概述,4.1.2 故障诊断的主要工作环节 一个完整的诊断过程一般由下面几个主要工作环节组成。 （1）确立运行状态监测的内容 （2）建立测试系统 （3）测试、分析及信息提取 （4）状态监测、判断及预报 4.1.3 故障简易诊断方法 （1）人工监测诊断法 （2）自动监测诊断法,www.sciencepcom,4.2 温度诊断技术,温度是表征机电设备故障的一个特征参量，润滑不良造成的机件异常磨损、发动机的排气管阻塞、电气触点烧坏等故障都会造成相应部位的温度升高。 4.2.1 接触式测温 1热电偶法测温 （1）热电偶测温的基本原理 （2）热电偶的基本定理 1）中间导体定律 2）标准电极定律 3）中间温度定律 （3）热电偶的结构 1）普通热电偶 2）铠装热电偶 3）薄膜热电偶,www.sciencepcom,4.2 温度诊断技术,（4）热电偶冷端的温度补偿 冷端温度的处理方法主要有： 冰点槽法：一般用于实验室的精密测温，特别是在分度和校验热电偶时； 冷端温度测量计算法 冷端补偿法 仪表机械零点调整法,www.sciencepcom,4.2 温度诊断技术,2热电阻法测温 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要优点是测量精度高，性能稳定；缺点是不适于某点温度的测量。 （1）热电阻测温原理及材料 （2）热电阻的种类 1）金属热电阻 2）半导体热电阻，及其主要性能特点有： 1）灵敏度高 2）体积小，热惯性小，响应快。 3）元件本身的电阻值可达3700k 4）互换性差，稳定性差和测温精度较低,www.sciencepcom,4.2 温度诊断技术,3集成温度传感器 集成温度传感器具有测温精度较高、互换性好、体积小、使用方便、可靠性高、成本低等性能特点而获得广泛的应用，是机械故障诊断领域最为常用的一种温度传感器。,www.sciencepcom,4.2 温度诊断技术,4.2.2 非接触式测温 1辐射测温的基本原理 （1）辐射的基本概念 （2）普朗克定律 （3）斯特藩-玻尔兹曼定律,www.sciencepcom,4.2 温度诊断技术,2红外测温仪 （1）单色辐射测温仪 1）光学高温计,www.sciencepcom,4.2 温度诊断技术,www.sciencepcom,2）单色光电高温计,4.2 温度诊断技术,www.sciencepcom,（2）辐射测温仪,4.2 温度诊断技术,www.sciencepcom,3红外热像仪 红外热像仪是目前世界上最先进的测温仪表，它首先通过红外扫描单元把来自被测对象的电磁辐射能量转化为电子视频信号，该信号经过放大、滤波等环节处理后传输到显示屏等处。热像仪的最大特点在于它不仅可以测量某一点的温度，而且还可以测量物体的温度场；其输出可以是直接数字显示，也可以通过不同颜色来形象地表征被测物体的温度分布。,4.3 振动诊断技术,www.sciencepcom,振动诊断是以在某种激励下的振动响应作为诊断信号的来源，通过对测得的振动参量（振动位移、速度、加速度）进行各种分析处理，并借助一定的识别策略，对机械设备的运行状态作出判断，最后诊断出故障部位、故障程度以及故障原因等方面的信息。 1按对系统的输入不同分类 1）自由振动 2）强迫振动 3）自激振动 2按系统的输出特性分类 1）简谐振动 2）非简谐周期振动 3）准周期振动 4）瞬态振动 5）随机振动,4.3 振动诊断技术,www.sciencepcom,3按系统的自由度的数目分类 1）单自由度系统的振动,即用一个独立坐标（自由度）就能确定的系统振动。 2）多自由度系统的振动,即用两个以上的有限个独立坐标才能确定的系统振动。 3）弹性体振动，即用无限多个独立坐标才能确定的系统振动，又称无限自由度振动。 4按描述系统的微分方程分类 1）线性振动 2）非线性振动 5按振动位移的特征分类 1）扭转振动 2）直线振动,4.3 振动诊断技术,www.sciencepcom,4.3.2 机械振动测量仪器及测量系统 1简单系统 2振动状态监测的系统 （1）频率分析的基本系统 （2）先进的机器状态监测系统 3在线的机器振动监测 在线监测首先应用于那些对生产过程起重要作用的单台设备，当机器出现突然变化时，能立即或在几分钟之内向控制室提出警告，以便在灾难性故障出现之前采取有效措施，这种系统用来监视汽轮机、进料泵和压气机等设备。,4.3 振动诊断技术,www.sciencepcom,4.3.3 典型零部件故障的振动诊断 1转轴组件的故障诊断 （1）不平衡 （2）不同轴 （3）机械松动 （4）自激振动 （5）电磁力引起的振动 以上五种典型故障形式的特征频率一般都处在小于1kHz的低频段。,4.3 振动诊断技术,www.sciencepcom,2齿轮故障的振动诊断 （1）齿面损伤,4.3 振动诊断技术,www.sciencepcom,2齿轮故障的振动诊断 （2）齿轮偏心,4.3 振动诊断技术,www.sciencepcom,（3）齿轮回转质量不平衡 齿轮回转质量不平衡的振动波形如图4.27所示，其主要频率成分与正常情况基本相同，即为旋转频率fr和啮合频率fm，但旋转频率振动的振幅较正常情况大。 （4）齿轮局部缺陷,4.3 振动诊断技术,www.sciencepcom,（5）齿距误差 当齿轮存在齿距误差时，齿轮在每转中的速度将时快时慢地变化，致使啮合振动的频率受旋转频率振动的调制，振动波形如图4.29所示，其频谱包含旋转频率fr和啮合频率fm成分及其边频带fmnfr（n=1，2，3，）。 （6）高速旋转齿轮的振动,4.3 振动诊断技术,www.sciencepcom,3滚动轴承故障的振动诊断 （1）低频段的旋转特征频率 （2）高频段的固有振动频率 （3）滚动轴承有异常时的振动特性 1）由滚动轴承的构造所引起的振动 2）滚动轴承的非线性引发的振动 3）由于精加工波纹引起的振动 4）滚动轴承损伤（缺陷）而引起的振动,4.3 振动诊断技术,www.sciencepcom,4.4 油样分析技术,www.sciencepcom,润滑油在机器中循环流动，必然携带着机器中零部件由于摩擦和磨损而产生的磨损粒子和磨屑一起流动。,4.4 油样分析技术,www.sciencepcom,4.4.1 油样铁谱分析技术 1铁谱分析与铁谱仪 （1）直读式铁谱仪,4.4 油样分析技术,www.sciencepcom,（2）分析式铁谱仪（制谱仪）,4.4 油样分析技术,www.sciencepcom,2铁谱分析的一般程序 （1）采样 （2）制谱 （3）观察与分析 （4）结论 3铁谱技术的运用 铁谱技术在机械设备状态监测与故障诊断中的应用主要分四个方面。 1）根据主要磨粒类型、形态、尺寸等特征，判定零件所处的磨损阶段，进而判断设备的寿命状况。 2）根据所绘制的磨损曲线，判断设备的磨损情况。 3）依据磨粒尺寸的相对关系，判断设备发生剧烈磨损的程度。 4）按照磨粒的材料成分，确定磨粒来源，以判断设备磨损的具体部位。,4.4 油样分析技术,www.sciencepcom,4.4.2 油样光谱分析技术 1光谱分析 2原子吸收光谱测定法,4.4 油样分析技术,www.sciencepcom,3原子发射光谱测定法,4.4 油样分析技术,www.sciencepcom,4.4.3 磁塞检测法 磁塞检测法是将特制的磁性探头插入循环着的润滑系统的适当部位，磁性探头将流过它的润滑油中铁磁磨粒吸住，定期取下探头上的磨粒进行分析。,4.5 无损检测,www.sciencepcom,无损检测是指对材料或工件实施一种不损害或不影响其未来使用性能或用途的检测手段。 4.5.1 超声波检测 1超声波检测的基本原理 （1）超声波的产生与接收 （2）超声波的种类 （3）超声波的反射与穿透 （4）小物体上的超声波反射,4.5 无损检测,www.sciencepcom,2超声波检测设备 （1）超声波检测仪 （2）超声波探头 （3）试块 1）标准试块（STB试块） 2）对比试块（RB试块）,4.5 无损检测,www.sciencepcom,3超声波检测技术 （1）脉冲反射法,4.5 无损检测,www.sciencepcom,（2）共振法 应用共振现象检测缺陷的方法称为共振法。 工件中若存在较大的缺陷或厚度改变，将使共振现象消失或共振点偏移。可用此现象诊断复合材料的胶合质量、板材点焊质量、均匀腐蚀量和板材内部夹层等缺陷。,4.5 无损检测,www.sciencepcom,（3）穿透法,4.5 无损检测,www.sciencepcom,4.5.2 射线检测 1射线检测的基本原理 2射线检测的操作过程 3射线检测的特点、适用范围和注意事项,