故障诊断技术.docx

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故障诊断技术

故障诊断技术

l.性能参数分析法

   又称性能监控，是船机故障诊断的核心技术。

它是利用传感器或仪器、仪表测定船机设备的各项性能参数（如温度、压力、转速等），经数据处理、比较和分析后判断其运转状态和趋势。

   性能参数分析法诊断故障，早在船舶蒸汽机时代就已采用，轮机员用"听、摸、嗅、看"来了解主、辅机的运转参数，进而通过人脑快速思维分析判断机器的运转状况和运转趋势。

至今，这种方法在现代船舶柴油机运转管理中仍被沿用，例如，用手触摸柴油机高压油管，依其脉动债况判断高压油泵的工作状况。

   性能参数监控范围广，可监控船上的零件、部件、机器、系统等。

根据监控手段和数据处理方法的不同有以下两种:

（1）图示法利用柴油机上的仪表或简单的测量工具，定时定位采集性能参数，并且每次测取数根据在相同的稳定工况下进行，以便对比分析。

通常，测取3一4个参数并绘于同一坐标图中，反映某一零部件或运转状态的情况，从中分析判断出问题所在。

例如，柴油机气缸内燃烧状况可通过测取燃油消耗最、扫气压力和排烟温度等性能参数，作图显示气缸内各性能参数变化，分析诊断燃烧存在的问题及发展趋向。

   图示法性能监控可以有效地诊断故障，对降低维修费用、延长零部件及机器使用寿命和提高轮机员技术素质均十分有益。

但此法是由人工采集参数、分析和比较来诊断故障则是一项十分繁重、麻烦的工作，需要轮机员有一定的技术水平。

（2）监测装置和监控系统利用安装在机器上的传感器、计算机等构成监测装置或监控系统，传感器扫描各监测点的性能参数（如温度、压力、速度等），通过计算机记录、处理和显示，进而分析判断故障。

   活塞环磨损监测装置（SIPWA）是利用安装在气缸扫气口处的传感器检测特制的顶环— 第一道活塞环外圆面上镶嵌一圈非磁性材料的楔形环带。

当顶环通过扫气口时，传感器测量楔形环带宽度变化，实现对活塞环径向磨损的监控，并显示于屏幕上，如图5-10所示。

当燃油净化不良时，顶环磨损增加，SlPWA给出警示，轮机员可及时采取措施。

   应用计算机自动监测和诊断故障的性能监控系统可以对整个柴油机动力装置进行监控，也可以对机器、零部件的工作过程进行监控。

例如PAC监控系统可对动力装置中发动机运转、废气涡轮增压器运行、活塞环工作状态、气缸的润滑和磨损、气缸热负荷、燃烧和喷油系统等进行监控，DMC监测系统可对缸内燃烧和喷射过程进行监控。

   2.振动监测

   船舶动力机械在运转中的振动是故障诊断的重要信息，振动信号的变化反映着机器内部状态的变化。

因此，采集振动信号，经过信号处理、状态识别和趋势分析，就可诊断故障。

据国内外统计资料表明，利用振动监测可以诊断绝大部分的机械故障，所以振动分析是一种应用广泛的重要诊断技术。

   振动监测技术包括以下内容

（1）振动信号的测取依振动频率不同配置相应的传感器，并安装在合适的测是点处采集振动信号。

对应于低、中、高频振动信号分别选用位移、速度、加速度传感器，一般加速度传感器应用最为普遍。

（2）信号处理利用信号分析仪将采集的振动信号进行处理，除掉原振动波形中无意义而又有害的波，并加工成便于精密分析的信号，进而提取机器故障的振动信号。

信号处理是振动监测技术的核心。

   （3）状态识别根据提取的放障信息频谱，参考有关故障的振动频谱对机器状态作出判断，并对故障原因进行分析。

   （4）诊断决策依故障诊断的结果确定防止或消除故障的对策，预测机器状态变化的趋向等。

   振动监测所用的振动信号测试分析仪种类繁多，分为简易型、半精密型和精密型，并且有通用与专用之分。

简易型检测仪为便携式，体积小、重最轻、携带方便、操作简易，并能快速显示测试结果，价格便宜。

如便携式测振仪、冲击脉冲计等。

精密型测试仪器测量精度高，抗干扰能力强，现场采集信号和进行分析，但不能立即获得测试结果，操作复杂，价格较贵。

精密测试仪包括传感器·放大器、记录仪和信号分析仪。

   自20世纪70年代起振动分析就已应用在船舶机械上，如目前用于舰船动力装置振动分析和船用柴油机拉缸、曲柄销轴承过度磨损、增压器压气机滑动轴承咬死等的振动分析。

通过这些故障的振动频谱图与正常图谱的分析、比较进行故随诊断和原因分析等。

   3.噪声监测

   船舶机械噪声是机器运转时各种声音的汇合，包括气流声，如柴油机排气声、燃烧噪声，增压器中的吸排气芦等:

金属敲击声，如活塞敲缸、气阀落座声等;结构件振动声，如各种罩壳、箱盖等的振动噪声；摩擦副相对运动声，如齿轮、轴承等摩擦副发出的声响，等等，船舶机械的噪声是其运转状态的外部表现形式，反映着船机设计、制造、安装和修理的质量及其维护管理的质量。

采集噪声信号进行信号处理、状态识别，实现船机故障诊断和预测。

  噪声听诊器是简易噪声检测仪，它通过测量噪声变化来检查机器状态。

近年来随着高新技术的发展，大谩测试分析仪器的出现有力地推动噪声监测技术的发展。

如采用高保真磁带录音机和信号分析仪采集噪声信号和进行信号的分析处理等。

此外用于振动测试的仪器和分析方法也可用于噪声监测。

   4.油液监测

   柴油机运转过程中，即便各运动副处于良好的液体润滑状态也不可避兔地产生靡擦热和磨损。

润滑油的温度升高使其理化性能逐下降，更重要的是容纳了大量的磨损产物—金属颗粒和其他污染微粒。

润滑油中的金属磨拉成分，颗粒大小和多少与摩擦副的工作情况密切相关。

因此，润滑油申的金属磨粒是摩擦副技术状态的外部信息。

油液监测技术是通过采集船机设备润滑油样，利用各种分析手段检测油样的性能和其所携带的反映摩擦副技术状态的磨损微粒，获得油样性能参数值和磨粒的成分、尺寸、形貌和数量等信息，以定性和定量地判断船机设备的磨损状态及预测其发展趋势。

   润滑油监测技术包括润滑油理化性能检测和磨损微粒的分析。

根据润滑油理化性能的变化，检测船机设备的润滑状态和由此引起的故障；根据磨粒分析判断磨损部位和程度，诊断磨损故障。

油液监测技术的监测过程包括取油样、理化性能检测、磨粒分析、分析和诊断等步骤。

油液监测技术包括：

   油液检测技术包括：

油样理化性能检测 油样磨粒分析                  

  油样礼花性能检测包括：

经验法；滤纸法；常规化验法

  油样磨粒分析包括：

磁塞法；光谱分析法；铁谱分析法；颗粒计数器法

   1）理化性能检测

（1）经验法 是一种定性简易检测方法。

轮机员往日常的轮机管理中，经常通过观察润滑油的颜色、闻气味、用手捻搓等了解润滑油的粘度和金属屑、污染物及乳化变质等的情况，粗略判断油的质量和摩擦副的磨损程度。

（2）滤纸法 滤纸斑点试验法是测定油品理化性能常用的简易定性分析法。

取油样滴于滤纸上，待其充分扩散后观察纸上的油滴斑痕图像，并与新油试样图像比较。

油渍越黑表明油越脏。

中心黑点较小、颜色较浅和四周黄色油渍面积较大。

表明滑油尚可使用:

黑点较大，呈黑褐色、均匀无颗粒，表明滑油己变质，应换油。

   （3）常规化验法 船机润滑油常规化验法是普遍采用的一种定期、定量指标检测方法。

对船用柴油机润滑系统每隔3～4个月取一次油样进行定量分析。

主要检验项目有：

粘度、闪点、酸值、总碱值、水分和机械杂质等。

具体检验方法按有关规定由专门检验部门进行。

根据检验指标的变化情况综合分析在用油的质量，并对摩擦副状态进行粗略判断。

   2）油样磨粒分析

   通过监测油样中磨粒的成分、含量、尺寸、形貌等来定性、定量地评价被监测的船舶机械和设备的磨损状态，诊断故障的类型、部位、程度和原因，并预测故障的发展趋势。

近年来，油液监测技术发展迅速，光谱分析是其中最为成熟、可靠的先进监测技术。

（1）磁塞法 磁塞是一种带有磁性探头的检测器，将其安装到滑油管路中适当部位，吸附滑油中磨损产物、腐蚀产物和疲劳破坏的金属鳞片等。

定期取下磁头，收集其捕捉到的金属屑，在光学或电子显微镜下观察金属屑的形貌、尺寸，分析判断故障部位和程度，如图5-11所示。

（2）光谱分析法 光谱分析油液中的金属磨粒进行故障诊断的技术是一种应用范围较广、历史较长的诊断方法。

光谱分析法分为原子发射光谱分析法和原子吸收光谱分析法。

   光谱分析是利用原子和分子发射或吸收光谱进行物质化学成分及含量分析的物理方法。

由于各种物质的原子和分子都具有自身特定波长的谱线。

所以利用光谱的特性进行物质构成的分析是光谱分析的基本原理。

油液光谱分析是通过分析润滑油中金属磨粒和污染物微粒的光谱来确定它们的成分和含量，评价船机设备和零件的磨损程度及剩余寿命。

   原子发射光谱法:

   原子发射光谱是利用物质内部原子和分子受到外界激发产生能量变化获得的。

原子在正常情况下处于能量最低的稳定状态，称为基态。

当受到外界热能、电能或高速粒子能最作用时，核外电子被激发跃迁到较高能级轨道。

处于不稳定状态，称为激发态。

激发态原子仅存在约10-8s的时间就从高能级迁回基态的低能级，同时把多余的能量以光的形式释放。

使其通过棱镜或光栅后就可获得按一定波长顺序排列的图谱，即光谱。

依光谱谱线的长度、强度可分别判定油液中磨粒的成分和含量。

所以，利用物质受热能或电能激发后辐射的特征谱线来测定特定物质的成分、含量的方法称为原子发射光谱分析法。

   目前，国际上应用较为广泛的光谱仪有美国BAlRD公司生产的MOA型油料分析光谱仪，可分析油液中的所有的金属元素。

30s便可直接测定出油样中所含的全部金属元素及其含量，并且全部分析程序用计算机控制，操作简单，易于掌握，同时油样不需额外进行处理。

所以，原子发射光谱分析仪分析速度快、自动化程度高，是一种先进的现代化的监测手段。

目前，原子发射光谱仪广泛应用在石油、航空、冶金、铁路、发电厂、船舶机械和军事等方面。

   原子吸收光诸法：

   此法利用热能或电能将含待测元素物质的油样在高温下变为原子蒸气，再用特制光源（空心阴极灯）发射出包含该元素特征谱线的光波（具有一定波长）穿过原子蒸气。

其中部分被蒸气中待测元素的基态原子吸收，使特征光波的强度减弱，透过光经单色器分离掉其他波长的谱线，检测减弱后的特征辐射线的光强度，以测定待测元素的种类和含量。

   目前广泛使用直读式原子吸收光谱仪，灵敏度高，测定元素范围广，可达70多种元素。

根据将元素变为原子蒸气的方式不同有火焰原子吸收光谱分析，即用火焰将抽样分解成自由原子；石墨炉无火焰原子吸收光谱分析，即用电热石墨管将抽样分化和分解为自由原子。

   （3）铁谱分析法 铁谱分析法是20世纪70年代发展起来的一种新型油液监测技术。

它是利用高梯度强磁场将磨损产物的微粒和污染物微粒从润滑剂中分离出来，并按其几何尺寸大小依次沉积排列于透明玻璃谱片上，再借助光学或电子显微镜对摩粒和污染物微粒的形貌、成分、尺寸及分布进行定性、定量分析和研究。

铁谱分析法具有以下特点:

   ①有较宽的磨粒尺寸检测范围，可检测0.1～1000um的磨粒。

由于机器、设备的磨损状态与其产生的磨粒尺寸和数量有直接关系，所以磨粒尺寸是反映机器、设备磨损程度的重要参数。

例如，当磨粒尺寸大于5um时表明机器有严重的磨损。

   ②可以同时获得磨粒的多种信息，既可观察磨粒的形貌、测定磨粒的尺寸、鉴定磨粒的成分，还可以确定磨粒的数量，从而可实现磨粒的定量和定性分析。

   ③铁谱分析法采用的仪器有：

直读式铁谱仪、分析式铁谱仪、旋转式铁谱仪等。

各类铁谱仪具有各自的特点和相应的使用范围。

直读式铁谱仪操作简单、迅速，可以较快地获得油样中磨粒浓度的分析结果，适于现场使用进行简单诊断。

   分析式铁谱仪是由铁磁装置、低稳排量的微量泵（或称蠕动泵，排最为0.25cm3/min）、输油导管和玻璃基片组成的，如图5-12所示。

抽取油样并进行浓度和粘度稀释处理后由微量泵将其输送到铁磁装置的高梯度磁场上方玻璃基片上，油样沿倾斜玻璃基片向下流动，油样中的磨粒在磁力、重力和液体粘性阻力作用下，按磨粒尺寸大小依次沉积排列于基片上，润滑油流入容器中。

用四氯乙烯溶剂清洗基片，清除残油并使磨粒固定干基片上而成为铁谱片。

这样就将磨粒从润滑油中分离出来。

在铁谱片上首先沉积大磨粒，然后磨粒依尺寸逐渐减小。

大磨粒尺寸≥5um较小磨粒尺寸<1um。

最后在铁谱显微镜下观察和分析铁谱片上磨粒的形貌、大小、成分等，进而揭示船机设备的磨损形式、原因和程度。

   目前铁谱分析作为油液监测技术应用于航天、石化、冶金和交通、军工等行业，在船机设备上也已进行研究和应用。

监测对象有柴油机、尾轴承、齿轮箱及燃气轮机等。

   5.红外监控

   船机设备在运转过程中，温度是最基本的工作性能参数之一，零部件的温度变化直接与其工况和故障有关，所以进行温度监测可及时判断船机设备工况以保证安全可靠运转。

   温度监测方法分为采用温度计的接触式测量和通过接收热辐射能量的非接触式测量。

红外监测就是温度监测中的非接触式测温技术之一。

   太阳光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种可见光组成的，波长在0.3～0.76um之间。

在红光和紫光以外有不可见光红外光和紫外光。

可见光与不可见光均是电磁波，红外光是介于可见光与微波之间的电磁波，波长范围在0.76～1000um之间。

   从物质结构知，构成物质的原子、分子都在热运动，并且不时地改变其能量状态。

当能量状态由高级向低级跃迁时会辐射出电磁波，电磁波以光子形式将能量带走。

   物体表面温度与其辐射功率的关系由斯特藩一玻尔兹曼定律给出，即物体辐射强度与其热力学温度的4次方成正比。

所以物体辐射强度随温度升高而显著增加。

自然界中，任何高于绝对零度（一273℃）的物体都是红外辐射源。

通过探测物体的红外辐射强度了解物体表面温度，进而诊断故障。

因此，红外检测技术就是利用物体的红外辐射能量与其表面温度的关系实现非接触检测温度的技术，并通过温度变化测定物体内部的缺陷。

   红外测温仪是最轻便、最直观、最快速和最价廉的表面测温仪器，分为红外点温仪和红外线温仪。

可用指针或数字显示。

目前国内产品测温范围有0～500℃和800～1500℃。

美国远程红外测温仪可测100m内物体的温度，其范围为一20～200℃。

   红外热成像系统是利用红外传感器、光学成像物镜和光扫描系统，非接触接收被测物体红外辐射信号，转变成电信号后放大、处理和显示。

将人眼看不见的与被测物体表面热分布对应的实时热像图转变成可见的电视图像或照片。

国产便携式红外热像仪测温范围为0～150℃，美国照相扫描温度计能扫描、比较、测定并拍摄实景和温度分布曲线，测温范围达1000℃。

红外检测技术具有以下优点：

（1）非接触测温，减少影响测温精度的因素和用于因距离、动态、高温、不安全等难于接触物体表面的测温;

（2）测温速度快、显示直观、携带轻便、价格低廉;

   （3）测温灵敏度高，能区别微小的温度（0.01～0.1℃）;

   （4）测温范围广，可达一50～200O℃。

   红外检测技术源于军事领域，现已应用到工业生产领域，不仅可以测温，而且可进行故障诊断。

例如运行中车辆车轴箱的在线监测。

火车通过布置于铁轨两侧的红外线轴温探测仪时，测温仪自动起动，依次测量通过车辆轴箱温度，依各轴箱温度变化情况诊断和预测故障。

大型烟囱、反应塔和加热炉炉门等无法接近的设备均可采用红外监测技术。

   除上述主要故障诊断技术外，在故障诊断中还常常采用逻辑诊断法和故障树诊断法。

   随着计算机技术的高速发展与普及，计算机正应用于各种故障诊断技术中，对采集的信息进行分析处理、比较、诊断和报警、存储、显示等，从而促进了故障诊断技术的发展，出现了各类计算机监测和诊断系统，如振动监测系统、油液监测系统等。