故障诊断技术.docx

1、故障诊断技术振动测量就是通过对机械设备所表现的振动信号进行检测、分析，用以判断机械自身的劣化程度及预测其寿命。一般所进行的振动测量大致有以下两方面的内容：1振动基本参数的测量。测量振动构件上某点的位移、速度、加速度、频率和相位，用于识别该构件的运动状态是否正常。2结构和部件的动态特性测量。这种测量方式以某种激振力作用在被测体上，使被测件产生受迫振动，测量输入(激振力)和输出(被测体振动响应)，从而确定被测体的固有频率、振型等动态参数。这类测量称为“频率响应试验”或“机械阻抗试验”。各种机器设备在运行中，都不同程度地存在振动，并且这些振动往往与机器的运行状态相关，为了能从不同角度来研究振动问题，

2、首先介绍机械振动的3种分类方法：按振动规律分类，按振动的动力学特征分类，按振动频率分类。1.按振动规律分类这种分类，主要是根据振动在时间历程内的变化特征来划分的。大多数机械设备的振动是左图所示几种振动中的一种，或是某几种振动的组合。设备在实际运行中，其表现的周期信号往往淹没在随机振动信号中，而当设备故障程度加剧时，随机振动中的周期成分加强。因此，从某种意义上讲，设备振动诊断过程，是从随机信号中提取周期成分的过程。2. 按振动的动力学特征分类（1）自由振动与固有频率这种振动靠初始激励（通常是一个脉冲力）一次性获得振动能量，历程有限，一般不会对设备造成破坏，不是现场设备诊断所需考虑的目标。描写单自

3、由度线性系统的运动方程式为： 式中x-振动位移量通过对自由振动方程的求解，我们导出了一个很有用的关系式：无阻尼自由振动的振动频率为:式中：m物体的质量、k物体的刚度这个振动频率与物体的初始情况无关，完全由物体的力学性质决定是物体自身固有的称为固有频率，这个结论对复杂振动体系同样成立。它揭示了振动体的一个非常重要的特性。许多设备强振问题，如强迫共振、失稳自激、非线性谐波共振等均与此有关。阻尼振动体在运动过程中总是会受到某种阻尼作用，如空气阻尼、材料内摩擦损耗等，只有当阻尼小于临界值时才可激发起振动。临界阻尼Ce：振动体的一种固有属性。阻尼比：实际阻尼系数C与临界阻尼Ce之比。当阻尼比1时，为一种

4、振幅按指数规律衰减的振动，其振动频率与初始振动无关，振动频率略小于固有频率n；当1时，物体不会振动，而是作非周期运动。(2) 强迫振动和共振物体在持续的周期变化的外力作用下产生的振动叫强迫振动，如由不平衡、不对中所引起的振动。图2为强迫振动的力学模型。由图23所见，衰减自由振动随时间推移迅速消失，而强迫振动则不受阻尼影响，是一种振动频率和激振力同频的振动。从而可见，强迫振动过程不仅与激振力的性质（激励频率和幅值）有关，而且，与物体自身固有的特性（质量、弹性刚度、阻尼）有关，这就是强迫振动的特点。由强迫振动的运动方程式知，其解由通解和特解组成，即 通解部分为衰减自由振动，特解部分为稳态强迫振动。

5、式中 A-自由振动的振幅， B-强迫振动的振幅。-阻尼比，,-初相角。强迫振动的特点：1）物体在简谐力作用下产生的强迫振动也是简谐振动，其稳态响应频率与激励频率相等。2）振幅B的大小除与激励力大小写成正比、与刚度成反比外，还与频率比、阻尼比有关。（a）当激励力的频率很低时，即/n很小时：强迫振动的振幅接近于静态位移（力的频率低，相当于静力），即振幅B与静力作用下的位移比值=1。（b）当激励力的频率很高时：0，即物体由于惯性原因跟不上力的变化而几乎停止不动。（c）当激励力的频率与固有频率相近时：若阻尼很小，则振幅很大，为共振现象。共振频率为自由振动、强迫振动、自激振动这三种振动在设备故障诊断中有

6、各自的主要使用领域。对于结构件，因局部裂纹、紧固松动等原因导致结构件的特性参数发生改变的故障，多利用脉冲力所激励的自由振动来检测，测定构件的固有频率、阻尼系数等参数的变化。对于减速箱、电动机、低速旋转设备等机械故障，主要以强迫振动为特征，通过对强迫振动的频率成分、振幅变化等特征参数分析，来鉴别故障。对于高速旋转设备以及能被工艺流体所激励的设备，除了需要监测强迫振动的特征参数外，还需监测自激振动的特征参数。3. 按振动频率分类低频振动：f1000Hz在高频范围，主要测量的振幅是加速度。它表征振动部件所受冲击力的强度。冲击力的大小与冲击的频率与加速度值正相关。目前在工业发达的国家中，油液分析技术正

7、在或已经成为机械设备状态监测及故障诊断的不可缺少的方法之一，占有重要的地位。（1）分析内容：主要包括磨粒分析、油品理化分析、颗粒计数分析等方面内容。其中磨粒分析指油样中所含磨粒的数量、大小、形态、成分及其变化。理化、颗粒计数分析则主要是监测油品的衰变程度：氧化程度、聚合程度、被污染程度、被燃油和水稀释程度以及添加剂成分的损耗程度等。（2）分析功能： a 监测设备、诊断故障、失效分析、预测预防； b 推行状态监测，实行视情维修，降低维修费用，合理地利用设备的效益； c 保证油品的质量，判断油品的被污染和变质程度； d 延长润滑油的使用期限； e 制定合理的设备磨合规范。油液分析技术的机理和分析内

8、容汇总表油液分析技术机 理分析内容理化指标油品物理、化学性能指标的变化，反映油品的劣化变质程度，表明润滑油的润滑性能下降，超过一定数值则该润滑油成为废油。粘度、酸值、碱值、闪点、水分、机械杂质、积炭、硝化、硫化、氧化、乙二醇颗粒计数杂质污染颗粒数光谱通过测量物质燃烧时发出的特定波长、一定光强度的光，从而检测磨粒的元素成分及含量浓度、监测设备运行状态、磨损趋势、判断磨损部位金属磨粒元素成分和含量浓度值；添加剂元素成分浓度；杂质污染元素成分及浓度铁谱借助高梯度、强磁场的铁谱仪将油液中的金属磨粒有序地分离出来，通过分析这些磨损颗粒的形貌、大小、数量、成分，从而对机械设备的运转工况、关键部件的磨损状态

9、及磨损机理进行判断磨粒尺寸、数量、形貌、成分1.油品理化分析它是通过检测油液本身的性能及其组成，掌握油液在使用过程中的变化情况。油液质量的好坏，将直接影响机器的正常状态，因此检测油液品质的变化是设备诊断的一种常用手段。分类：油液物理化学性能的分析和油液中化学组分的分析。在设备的状态监测中，主要对润滑油或液压油的以下指标进行常规分析内容如下：运动粘度、酸值、水分、铜片腐蚀、机械杂质。运动粘度是反应液体粘度大小的一个表示方法，是用毛细管粘度计来进行测定的。它是流体润滑材料最重要的性能。粘度大的润滑油能够承受大的压力负荷，不易从摩擦面挤出来，并保持一定厚度的油膜；但粘度过大则不能流到配合间隙很小的两

10、摩擦面间，因而不能起到润滑作用。对液压油而言，粘度的大小直接影响设备工作的性能，如液压动作的灵敏性，液压力的传递以及供给等。酸值是中和1克油中酸性成分所需碱的毫克数，以mgKOH/g表示。一方面，酸值是控制和反映油品精制程度的重要指标之一，油品精制深度愈深，其酸值愈小。另一方面，油在储存或使用中由于一定温度下，与空气中的氧发生化学反应，生成一定量的有机酸。此时，油品的酸值越大，说明油品衰变越严重，也是判定油的废旧程度的重要指标。水分是指油品中含水量的百分比。水分的存在会使金属产生锈蚀，降低油品润滑性，使油品更易蒸发和起泡，还会加速油品水解和氧化，产生沉淀物和腐蚀性物质等，所以合格油品中应无水分

11、或只有水的痕迹。油中的水分主要是在储运、保管和使用过程中由外界混入的。铜片腐蚀性指油液对有色金属（铜）的腐蚀程度。把经过磨光的干净铜片浸入试油中，再把存试油的试管放入规定的油浴中，以规定的时间把铜片取出，洗净后，与腐蚀标准色板进行比较，以评定其等级。腐蚀原因有油品的精制程度，如少量活性的含硫化合物和水溶性低分子有机酸引起；此外油品受氧化后也会产生氧化产物，这些物质对金属都有腐蚀性。机械杂质是指油品中不溶于汽油和苯的沉淀物，即把一定量的试油溶于热汽油或热苯中，然后过滤，沉淀物则留在滤纸上，用热的汽油或苯把沉淀物洗净、干燥、称重，最后算出该油品中所含机械杂质的重量百分比3.光谱和铁谱分析技术光谱和

12、铁谱分析是对机械设备进行油液磨损诊断的主要手段。1）. 光谱分析：用于分析在用润滑油中的金属磨粒和污染物微粒的元素组成和含量，以评价取样设备和零件的磨损程度，并预报其剩余寿命。最常见的磨损金属元素测定技术包括原子吸收光谱分析、原子发射光谱分析和X射线荧光光谱分析；其中，原子发射光谱分析用得最多。光谱仪可以测定润滑油中的磨粒、添加剂和污染物的成分和数量（浓度）。通过对照机器零件的成分可以准确地诊断故障并预报其发展趋势。光谱分析的不足之处是只能准确测定尺寸为10微米以下的微粒。2）.磨粒分析（铁谱分析）润滑油液监测的核心是磨粒分析，分析内容：1）磨粒数量：用于判断机器处于何种磨损阶段；2）磨粒尺寸

13、：根据磨粒尺寸分布，判断机器的磨损程度；3）磨粒成分：用于确定磨损零部件和元素的来源；4）磨粒形态：用于分析磨损机理和磨损类型。铁谱技术的基本原理利用高梯度强磁场的作用，将从设备润滑系统内采集的油样中分离出磨损颗粒，并借助不同仪器检验分析这些磨损颗粒的形貌、大小、数量、成分，从而对机械设备的运转工况、关键部件的磨损状态进行分析判断。根据分离磨粒、检测磨粒的不同方法，研制了不同的铁谱仪。主要有分析式铁谱仪、直读式铁谱仪、旋转式铁谱仪、磨粒定量仪以及磁塞等，它们均为离线测量分析。另外还有能在设备的润滑系统中分析测量磨粒的铁谱仪称之为在线式铁谱仪。磨粒分类大致可以分为：正常滑动磨粒、片状磨粒、切削磨

14、粒、严重滑动磨粒、疲劳剥离磨粒、球状磨粒、红色氧化物颗粒、黑色氧化物颗粒、亚微米级腐蚀磨粒、摩擦聚合物颗粒等在机械设备中广泛存在着两类工作油：液压传动中的液压油和减少运动副摩擦的润滑油，它们携带有大量的关于机械设备运行状态的信息，特别是其中的润滑油，它所及的各摩擦副的磨损碎屑都将落入其中并随之一起流动。这样，我们通过对工作油液（脂）的合理采样，并进行必要的分析处理后，就能取得关于该机械设备各摩擦副的磨损状况：包括磨损部位、磨损机理以及磨损程度等方面的信息，从而对设备所处工况作出科学的判断。油样分析技术有如人体健康检查中的血液化验，已成为机械故障诊断的主要技术手段之一。油样分析技术的内容非常广泛

15、，包括油品理化性能指标化验、油样污染度评定 (以颗粒计数为代表)、以及油样铁谱和光谱分析技术等。在机械故障诊断这个特定的技术领域中，油样分析技术通常是指油样的铁谱分析技术和油样光谱分析技术，有时也包含磁塞技术。三种油样分析技术的共性是都可用作铁磁性物质颗粒(光谱分析不仅限于铁磁性物质)的收集和分析，但各有不同的尺寸敏感范围，三种油样分析方法的检测效率随颗粒尺寸的变化情况如图5-1所示。图51清楚地表明了光谱技术、铁谱技术以及磁塞这三种油样分析技术对铁磁性颗粒的敏感尺寸范围分别为：光谱：10m、铁谱：1100m、磁塞：1001000m，这三种油样分析技术所提供的信息也不尽相同，因而各有其应用场合

16、。1.信息来源通过油样分析，我们能取得如下几方面的信息：(1)磨屑的浓度和颗粒大小反映了机器磨损的严重程度；(2)磨屑的大小和形貌反映了磨屑产生的原因，即磨损发生的机理；(3)磨屑的成分反映了磨屑产生的部位，亦即零件磨损的部位。将以上三方面的信息综合起来，即可对零件摩擦副的工况作出比较合乎实际的判断。铁谱分析技术(Ferrography)是70年代国际摩擦学领域出现的一项新技术，1970年，美国麻省理工学院（MIT）的W.W.Seifert教授和福克斯波洛（Foxboro）公司的V.C.Westcott首先提出了铁谱技术的原理，并研制成功了用于分离磨屑和进行观察分析的仪器铁谱仪。此后，铁谱技术

17、迅速被许多国家的摩擦学工作者所接受，开始主要用作实验室磨损机理研究的一种手段，接着发展成为直接用于机械设备工况监测诊断的工具。铁谱技术的理论日臻完善，应用范围也日趋扩大，铁谱技术已从最初的在发动机上的应用扩展到液压系统、齿轮蜗轮传动箱、轴承等部件，并广泛地应用于冶金、矿山、机械、汽车、铁路、船舶、煤炭、化工、建筑等行业，在机械故障诊断的油样分析方法中居主导地位。温度异常是机械设备故障的“热信号”，利用这种热信号可以查找机件缺陷和诊断各种由热应力引起的故障。所以，在故障诊断中，监测机件温度的作用与医学诊断中测量体温的作用是极为相似的。温度诊断是以温度、温差、温度场、热象等热学参数为检测目标，其检

18、测原理是以机件的热传导、热扩散或热容量等热学性能的变化为基础的，因而故障热信号的检测方法很多。根据故障热信号获取方法的不同，温度诊断可分为被动式和主动式两类。被动式温度诊断是通过机件自身的热量来获取故障信息的，可应用于静态或运转中机件的故障诊断；主动式温度诊断是通过人为地给被测机件注入一定的热量后，再获取其故障信息的，一般只适用于静态机件的故障诊断。由于被动式温度诊断法无需外部热源，也可以采用普通的测温仪器，并适用于各种状态下机件的热故障诊断，使其成为目前温度诊断中应用的主要方法。而主动式温度诊断法采用的热源和测温仪器比较昂贵且不便于生产现场使用，因而目前在国内应用尚不普遍，主要应用于航空和航

19、天工业中材料缺陷检测和机件故障探查。但随着测温新技术的发展，主动式温度诊断法定将不断扩大其应用范围。温度诊断是故障诊断中最早进入实用阶段的一项技术，它起源于手摸测温和主观判断，随着测温和计算机技术的发展，使其检测手段不断更新、诊断原理不断完善，应用范围也不断扩大。目前，红外、光纤、激光等测温新技术正不断扩大应用，计算机已用于机械热负荷的动态参数测量、数据处理和故障分析研究中，使温度诊断不仅用于查找机械的各种热故障，而且还可以弥补射线、超声、涡流等无损探测方法的不足，用来监测机件内部的各种故障隐患。各种研究和应用实例表明，温度诊断是目前故障诊断中一项最实用而有效的诊断技术。一被动式温度诊断法各种

20、机械或电气设备，不论其机件是处于静态的、或是动态的，都会因可动部分与固定部分之间的摩擦，通过电流或接触热源等原因，而使机件温度上升。如果机件超过温升限值，将引起热变形、热膨胀、烧蚀、烧伤、裂纹、渗漏、结胶等热故障。由于高温破坏的复杂性，在尚无可靠的防止高温破坏的措施和有效的耐高温材料的情况下，对机件的设计采用了限制工作温度的办法。因此，机件的温度总是在额定温度以下的某一温度时达到饱和，以保证机件正常服役。例如，电动机轴承从起动到温度饱和这一过程的温升曲线。许多受了损伤的机体其温度升高总是先于故障的出现。通常，当机件温度超过其额定工作温度，且发生急剧变化时，则预示着故障的存在和恶化。因此监测机件

21、的工作温度，根据测定值是否超过温升限值可判断其所处的技术状态。例如根据电动机轴承温度记录曲线可以判定该轴承发生了热故障。另外，若将采集到的温度数据制成图表，并逐点连成直线利用该直线的斜率可对机件进行温度趋势分析；利用求出该直线的斜率值，还可推算出某一时刻的温度值，将此温度值与机件允许的最高温度限值比较，可以预报机件实际温度的变化余量，以便发出必要的报警。在某些情况下，如温度变化速度太快，可能引起无法修复的故障时，则可中断机械运转。二主动式温度诊断法主动式温度诊断是人为地给机件注入一定热量然后利用探测仪器来测量热量通过机件的变化情况，并由此判断机件内部的缺陷或损伤。当热源的辐射波均匀射入机件表面

22、时，有一部分辐射被被反射，而其余的辐射波被机件吸收，被吸收的辐射又逐渐问内外扩散，若机件是无损伤或缺陷的匀质体则其表面温度的分布是均匀的。如果机件内存在一个隔热性的损伤或缺陷，则被吸收的辐射波在损伤或缺陷部位便形成热量堆积，因而反射到机件表面的温度场在损伤或缺陷的相应部位就产生一个“热点”。当机件内存在的损伤或缺陷是导热性的，将使注入的辐射波在损伤或缺陷处比其他部位更快地传导，因而在损伤或缺陷的相应部位就形成一个“冷点”。显然，根据机件内部存在不同性质的损伤或缺陷，将改变机件的热传导特性这一原理，便可判断机件内部各种故障隐患的部位和程度。为了有效地利用热源，减少机件表面温度测量误差，应尽量减少

23、反射波而增大入射波。被测机件的温升限于一定的范围，一般金属机件的最高温度为6080，非金属机件为3560。损伤或缺陷部位引起的温差仅在几度范围内，故要求测温仪器能分辨0.2左右的温度差。另外，主动式湿度诊断法对机件厚度和材料的导热系数也有一定要求，板材太厚或材料导热系数太高都将影响检测灵敏度。一般来说，由于薄片层板件或铝合金板胶结件的导热性很强，形成的温度差即很快平衡，因而其检测效果不佳。相反此法用于其他金属或非金金属胶结件的检测，则能收到理想的效果。主动式温度诊断法中采用的热源可以是：热空气喷注、等离子喷注、火焰加温、感应加热线圈、红外灯、弧光灯、激光器和电热技术等。选择热源时，应根据被测机

24、件的材料性质和具体技术条件，除了要求简单易行外，还要求对机件加热均匀而迅速，以便减小测量误差。三温度诊断所能发现的常见故障许多机件在工作中同时承受外力和温度场的作用，当机件处于外力和热交换的热力系统中时，可用热应力来描述其受载状况。例如，内燃机的活塞、气缸及气缸盖，燃气轮机的叶片与转子等，它们所受的应力和变形不仅由外力引起而且还由传热现象引起。当机械开始运行或处于运行之中，那些机件将从高温热源吸收热量，形成随时间而变的不均匀温度分布；同时由于机件之间的相互接触、机件本身的复杂结机以及其内部或外部的相互约束，从而产生热应力。热应力是机件形成高温变形、高温蜕变、热疲劳、热断裂、烧蚀和烧伤等各种形式

25、热故障的根源，此外，异常温度还是机械流体系统油液老化和变质的重要原因之一。因此，通过温度监测，可以掌握机件的受热状况并据此判断机件各种热故障的部位和原因。温度诊断所能发现的常见故障可归纳为以下几类：1 发热量异常当内燃机、加热炉内燃烧不正常时，其外壳表面将产生不均匀的温度分布。如在其外壳的适当部位安装一定数量的温度传感器对其温度输出作扫描记录，使可了解温度分布的不均匀性或变化过程，从而发现发热量异常故障。2 液体系统故障液压系统、润滑系统、冷却系统和燃油系统等流体系统常常会因油泵故障、传动不良、管路、阀或滤清器阻塞、热交换器损坏等原因而使相应机件的表面温度上升。通过温度监测，很容易检查出流体系

26、统中这类故障的原因。3 滚动轴承损坏滚动轴承零件损坏、接触表面擦伤、烧伤；由磨损引起的面接触等原因一起故障时，则会使其内部发热量增加，而其内部发热量的增加将使轴承座表面温度升高。因而通过轴承内部或外部的温度监测，均可发现轴承损坏故障。4 保温材料的损坏各种高温设备中耐火材料衬里的开裂和保温层的破损，将表现出局部的过热点和过冷点。利用红外热象仪显示的图像，很容易查找到这类耐火材料或保温材料的损坏部位。5 污染物质的积聚当管道内有水垢，锅炉或烟道内结灰渣、积聚腐蚀性污染物等异常状况时，因隔热层厚度有了变化，便改变了这些设备外表面的温度分布。采用热象仪扫描的方法可发现这些异常。6 机件内部缺陷当机件

27、内部存在缺陷时，出于缺陷部位阻挡或传导均匀热流，堆积热量而形成“热点”或疏散热量而产生“冷点”，使机件表面的温度场出现局部的微量温度变化，只要探测到这种温度变化，即可判断机件内部缺陷的存在，如常见的腐蚀、破裂、减薄、堵塞以及泄漏等各种缺陷。7 电气元件故障电气元件接触不良将使接触电阻增加，当电流通过时发热量增大而形成局部过热；相反，整流管，可控硅等器件存在损伤时将不再发热从而出现冷点。因此，采用红外热象仪扫描可对高压输电线的电缆、接头、绝缘子、电容器、变压器以及输变电网等电气元件和设备的故障进行探查。8 非金属部件的故障碳化硅陶瓷管热交换器的管壁存在分层缺陷时，其热传导率特性将发生变化，而热传

28、导率又与温度梯度有关，通常热传导率每变化10，能获得大约1的温差变化。利用快速红外热象仪显示的热图，能发现这类非金属部件热传导特性的异常，从而发现故障隐患。9 疲劳过程红外温度检测技术还可以检查裂纹和裂纹扩展，连续监测裂纹的发展过程，确定机件在使用中表面或近表面的裂纹及其位置。美国曾研制了一种用于疲劳裂纹和近表面缺陷的红外探测系统，它能够迅速地将正在进行检验的飞机、导弹的机件出现裂纹的位置实时显示出来。中国科学院金属研究所已从几种金属材料在高速旋转弯曲疲劳过程中红外辐射的能量变化获得了材料在疲劳过程中的动力学图象。研究结果表明，疲劳断裂的温升与疲劳过载有关系，使用红外传感方法可以预测疲劳过载、

29、早期疲劳裂纹发生和疲劳破坏报警。同时证明对高速旋转部件进行故障检测和裂纹增值研究是有价值的，将进一步扩大温度诊断应用范围。通俗的定义：无损检测指在不损坏试件的前提下，对试件进行检查和测试的方法。亦称非破坏性检验。现代无损检测的定义：在不破坏试件的前提下，以物理或化学方法为手段，借助现代的技术和设备器材，对试件内部及表面的结构、性质、状态进行检查和测试的方法。通过使用 NDT，能发现材料或工件内部和表面所存在的缺欠，能测量工件的几何特征和尺寸，能测定材料或工件的内部组成、结构、物理性能和状态等。NDT 能应用于产品设计、材料选择、加工制造、成品检验、在役检查（维修保养）等多方面，在质量控制与降低

30、成本之间能起最优化作用。NDT 还有助于保证产品的安全运行和（或）有效使用。应用时机：设计阶段；制造过程；成品检验；在役检查。应用对象：各类材料（金属、非金属等）；各种工件（焊接件、锻件、铸件等）；各种工程（道路建设、水坝建设、桥梁建设、机场建设等）常规无损检测方法有： 超声检测 Ultrasonic Testing（缩写 UT）； 射线检测 Radiographic Testing（缩写 RT）； 磁粉检测 Magnetic particle Testing（缩写 MT）； 渗透检验 Penetrant Testing （缩写 PT）； 涡流检测Eddy current Testing（缩写

31、 ET）；非常规无损检测技术有： 声发射Acoustic Emission(缩写 AE)； 泄漏检测Leak Testing（缩写 UT）； 光全息照相Optical Holography； 红外热成象Infrared Thermography； 微波检测 Microwave Testing1、射线探伤方法射线探伤是利用射线的穿透性和直线性来探伤的方法。这些射线虽然不会像可见光那样凭肉眼就能直接察知，但它可使照相底片感光，也可用特殊的接收器来接收。常用于探伤的射线有x光和同位素发出的射线，分别称为x光探伤和射线探伤。当这些射线穿过（照射）物质时，该物质的密度越大，射线强度减弱得越多，即射线能穿透过该物质的强度就越小。此时，若用照相底