本科生機械故障診斷學各種方法

1、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷(第二、三章)中國石油大學（北京） 梁偉 聯(lián)系方式：綜合科研樓624第二章 傳感器原理與信號檢測1、傳感器概述2、振動信號檢測3、計算機輔助信號采集系統(tǒng)4、信號預處理 傳感器是人類器官的延伸 傳感器概述 分類 位移、溫度、壓力、流量、速度傳感器等。 機械式、電氣式、光學式、流體式等。 物性型、結構型能量轉(zhuǎn)換型(無源型、 發(fā)電型或主動傳感器)、能量控制型( 有源型、能量調(diào)節(jié)型或被動傳感器)模擬式、數(shù)字式f (t) mkcy0(t)y1(t)單自由度系統(tǒng)在基礎受力所產(chǎn)生的受迫振動 令 振動信號檢測固有頻率：阻尼比：以y1(t)作為輸入： 位移輸入：幅-頻

2、曲線位移輸入：相-頻曲線當n時，A()接近于1，表明質(zhì)塊相對基礎的運動與基礎的運動近乎相等，即質(zhì)塊在慣性座標中幾乎處于靜止狀態(tài)。上述原理是研究振動測試的基礎。 以 作為輸入： 00.511.522.5300.511.522.533.544.55A()加速度輸入：幅-頻曲線01.0=z0.10.20.50.71 渦流式位移傳感器 w ： 線圈匝數(shù) ：空氣的磁導率 傳感器的自感量L與距離關系 00.10.20.30.40.50.60.70.80.911.11.21.31.41.51.600.0250.050.0750.10.1250.150.1750.20.2250.25d, mmL殼體螺紋六角螺

3、母探頭同軸電纜傳感器本體 磁電式速度傳感器 e=WBlvsin e=kWBA圖 電磁式絕對速度計1彈簧 2殼體 3阻尼環(huán) 4磁鋼 5線圈 6芯軸 壓電式加速度傳感器 金屬膜FF壓電晶片等效電荷源等效電壓源CaRaqCaRaua壓電器件相當于具有一定電容的電荷源：電容兩極板間開路電壓為：若考慮負載（測量電路），等效電路如下：電荷源等效電路CaRaqCcRiCi電壓源等效電路CaRauaCcRiCi假設一恒定力F作用于壓電器件，產(chǎn)生電量q，則輸出電壓：CaRa電壓放大電路uaCcRiCi-Auiuo高通濾波其中，R = Ra/Ri，C = Ca + Cc + Ci。 電荷放大器是一個高增益帶電容負

4、反饋的運算放大器，其輸入阻抗極高（1012以上）。 電荷放大電路CaRaqCcRi-AuiuoCfCi電荷放大等效電壓放大電路CaRaqCcRiCi-Auiuo(1+A)Cf其中，R = Ra/Ri C = Ca + Cc + Ci + (1+A)Cf (1+A)Cf ICP Sensor System壓電式加速度傳感器NOISE COMPARISONICPCHARGEMODE(Ranged for500 mV/gSensitivity) 鋼螺栓a)鋼螺栓c)絕緣螺栓b)云母墊圈 薄蠟層探針d )e)粘接劑 粘接螺栓f )粘接劑g )磁 鐵各種振動傳感器的測量范圍 渦流位移傳感器的校準儀 計算

5、機輔助信號采集系統(tǒng)被測對象傳感器信號調(diào)理多路模擬開關采樣保持A/D計算機總線D/A低通濾波激勵裝置功率放大CPUROMRAM鍵盤顯示控制邏輯工業(yè)控制計算機PC 總線多通道同步采集A/D卡AC/DC分離雧通道選擇模擬信號隔離采樣控制轉(zhuǎn)速測量振動信號采集模塊溫度、壓力等非振動信號輸入開關量輸入非振動信號采集模塊開關量 采集模塊. 振動信號輸入AC/DC選擇透平壓縮機組信號采集裝置示意圖 信號調(diào)理 1、交、直流分離 2、信號濾波 3、信號放大 4、信號積分 A/D轉(zhuǎn)換 0123456789101112131415161718192002468101214x( t )x( t )xt時間 t= kD,

6、 sD 采樣定理 若原始信號是帶限信號， 則采樣后信號不發(fā)生混疊的條件為：fs 2fh（如下圖）。其中fh為信號中的最高頻率。此即為采樣定理。 消除混疊的措施 提高采樣頻率。但提高采樣頻率將導致在 同樣信號長度下，采樣點數(shù)隨之提高，增 加計算負擔。 應用抗混濾波器降低信號中的最高頻率。 從理論上講，由于抗混濾波器的非理想特 性，信號中高頻分量不可能完全衰減，因 此不可能徹底消除混疊。 數(shù)字信號處理 及其存在問題 時域采樣： 時域離散化截斷： 時間有限化 頻域采樣： 頻域離散化結果：時、頻域周期化 截斷、泄漏和窗函數(shù) x(t) w(t)0tTX(f)*W(f)-f0f00fX(f)-f0f00f

7、W(f )1T1T3T3T2T2Tfw(t)0tTx(t)0t截斷的正弦信號頻譜 減小泄漏的措施 提高截斷信號長度，即提高矩形窗寬度，此 時 sinc函數(shù)主瓣變窄，旁瓣向主瓣密集，由 于旁瓣衰減較快，故可減小泄漏，但顯然采 樣點數(shù)隨之提高，增加計算負擔。 采用其它窗函數(shù)。一個好的窗函數(shù)應當：主 瓣盡可能窄（提高頻率分辨力）、旁瓣相對 于主瓣盡可能小，且衰減快（減小泄漏）。 W(f )1T1T3T3T2T2Tfw(t)0tT/2T/2矩形窗 w(t)10T/2T/2tW(f)T/22T02Tf三角窗w(t)10T/2T/2tW(f)T/22T02Tf漢寧窗（余弦窗）-18dB/oct-32dB4

8、/T漢寧窗-12dB/oct-26dB4/T三角形窗-6dB/oct-13dB2/T矩形窗旁瓣衰減速度最大旁瓣幅度主瓣寬度窗函數(shù)類型 頻域采樣與柵欄效應 頻率分辨力、整周期采樣 降低fs或提高N以提高f。但前者受采樣定理的限制，不可能隨意降低，后者必然增加計算量。由于譜線是離散的，因此頻譜譜線對應的頻率值都是f整數(shù)倍。對于簡諧信號，為了得到特定頻率f0的譜線，必須滿足： 轉(zhuǎn)速測量及采樣控制 異常值處理 3s準則 標定 信號預處理第三章、設備主要診斷方法1、振動診斷法：是主要使用的方法2、噪聲診斷法：聲壓、聲強法3、油液分析法：鐵譜、光譜法4、無損檢測法：超聲、聲發(fā)射技術5、溫度檢測法：接觸法、

9、紅外法6、應力、應變法7、其它方法： 壓力法、電流法、轉(zhuǎn)速法等振動診斷法 通過振動傳感器測試機體振動，對幅值、頻譜進行分析，對各種故障進行診斷。振動時域波形振動頻域圖噪聲診斷法 振動在空氣中傳播形成噪聲。適于診斷遠距離（車輛）、不易接近（渦輪增壓器）的設備。 聲壓：聲的應力值（分貝dB）， n=20log10 x 極輕聲：0-10（安靜的環(huán)境） 輕聲：20-30 （圖書館） 適中聲：40-50（較靜辦公室） 高聲：60-70（大商場） 甚高聲：80-90（繁忙的大街） 震耳欲聾：100-120 聲強：聲的單位能量值。油液分析法 油液分析法，包括鐵譜、光譜分析法等，是指通過分析設備潤滑油的性能指

10、標、顆粒物、來對磨損狀態(tài)進行診斷。1主要分析內(nèi)容1）磨損微粒分析1）目標：確定主要磨損部位、磨損程度。2）參數(shù)：磨粒數(shù)量、尺寸分布、成分。3）儀器：鐵譜、發(fā)射光譜、顆粒計數(shù)器等2）油品變質(zhì)及污染物分析1）目標：確定油的可用度及相關的系統(tǒng)故障及原因2）參數(shù)：油變質(zhì)和污染物類型及數(shù)量變質(zhì)產(chǎn)物：氧化物、氮氧化物、硫化物等污染產(chǎn)物：水分、煙塵、燃油殘物、塵埃、乙二醇3）儀器：紅外光譜、發(fā)射光譜、鐵譜3）常規(guī)理化指標分析1）目標：確定油的可用度及相關子系統(tǒng)故障及原因2）參數(shù) ：粘度、水分、總堿值/酸值 不溶物/機械雜質(zhì)、氧化度、腐蝕度、污染度3）手段：粘度/閃點/水分儀、滴定法、斑點試驗等 鐵譜分析法分

11、為以下幾個步驟： 1)樣品制備； 2)譜片的顯微鏡觀察； 3)鐵譜片的加熱分析 在鐵譜分析中，主要通過大磨粒讀數(shù)DL、小磨粒讀數(shù)DS 、磨損烈度指數(shù)Is等來評價磨損的，上述值越大，說明磨損量越大。2 鐵譜分析法1）磨損烈度指數(shù)：2）磨損量累積值磨損顆粒譜片粘著擦傷譜片元素可能來源反映的問題Fe, Cr, Pb, Cu, Sn, Al, Ni, Ag, Mn,Mo, Zn, Ti, W, Sb, Mg金屬磨損機器發(fā)生磨損或腐蝕的來源和程度Si, B, Na, K污染物污染來源及污染程度Cu, Mg, Ca, Ba, Zn, Mo, Sb, B, P添加劑添加劑消耗水平及油液剩余潤滑效力3 光譜分

12、析法1）光譜分析法中的診斷依據(jù)序號元素典型來源1Fe缸套、活塞環(huán)、滾動軸承、齒輪、氣門、軸承環(huán)、凸輪軸、銷、螺桿、曲軸等2Ag軸承保持架、滑動軸承（表面）、電鍍軸承（飛機發(fā)動機）、銀焊連接管及其它銀制機件3Al活塞、滑動軸承（表面）、箱體、軸承保持架、齒輪、墊片等4Cr活塞環(huán)表面、齒輪、密封環(huán)、滾動軸承，鉻酸鹽腐蝕造成的冷卻系統(tǒng)泄漏5Cu軸承、軸瓦、套筒、墊圈、連接管（腐蝕）、齒輪、閥門、冷卻器泄漏、潤滑油添加劑6Mg飛機發(fā)動機零件（箱體、殼體等），海洋設施及海運設備的水污染、潤滑油添加劑2）常見金屬元素類型7Na冷卻系統(tǒng)泄漏、潤滑脂、海洋設施及海運設備的水污染8Ni表面鍍層、軸承材料、燃氣輪

13、機葉片、閥9Pb軸承、軸瓦、密封件、焊材、漆料、油脂10Si空氣中的塵土、密封件、潤滑油添加劑11Sn軸承、襯套、活塞銷、密封件、焊料12Ti噴氣發(fā)動機的支承轂、壓縮機盤、燃氣輪機葉片13B密封件、空氣中的塵土、冷卻水、冷卻系統(tǒng)泄漏14Ba潤滑油添加劑、油脂、水泄漏15Mo活塞環(huán)、電動馬達、軸、潤滑油添加劑16Zn黃銅部件、氯丁橡膠密封件、潤滑油添加劑17Ca潤滑油添加劑、油脂18P潤滑油添加劑、冷卻系統(tǒng)泄漏19Sb軸承合金、油脂20Mn閥、噴油嘴、進排氣系統(tǒng)無損檢測法 頻率20000HZ 為超聲波1、超聲診斷 系統(tǒng)組成：超聲波主機、發(fā)射、接收傳感器組成。 檢測原理：超聲波遇不同的界面會返回。雙探頭分別發(fā)射、接收聲波，根據(jù)反射波形的形狀、時差決定零部件缺陷、位置。 設部件厚度為L，超聲波速度為V，則兩個脈沖間的時差T為：T=2L/V 若在時差t處發(fā)現(xiàn)附加脈沖，則有缺陷發(fā)生，其位置l為l=t*V/2 超聲診斷原理圖2、聲發(fā)射 系統(tǒng)組成：計算機、高頻2-8MHz AD卡、接收傳感器組成，美國PAC公司 檢測原理：接收金屬內(nèi)部晶格發(fā)生變形時產(chǎn)生的高頻聲音。用于診斷動（高速）、靜（壓力容器）設備。通過事件數(shù)、能量值來反映缺陷的情況。 主要問題