往復(fù)機(jī)械故障診斷新篇

3.主要研究對(duì)象——曲柄-連桿機(jī)構(gòu)，內(nèi)燃機(jī)、往復(fù)式空氣壓縮機(jī)。第六章往復(fù)機(jī)械故障診斷

6.1概述1.往復(fù)運(yùn)動(dòng)——在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中往復(fù)運(yùn)動(dòng)是一種最常見的運(yùn)動(dòng)。（直線、擺動(dòng)）往復(fù)運(yùn)動(dòng)變成回轉(zhuǎn)或?qū)⒒剞D(zhuǎn)變成往復(fù)運(yùn)動(dòng)。2.常用構(gòu)件——凸輪、齒輪、鏈輪、齒條、偏心輪、曲柄、連桿等。通過一系列的機(jī)構(gòu)將14.內(nèi)燃機(jī)監(jiān)測(cè)——[單機(jī)監(jiān)測(cè)]包括性能監(jiān)測(cè)和機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)。5.往復(fù)式空壓機(jī)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)——[系統(tǒng)監(jiān)測(cè)]

系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、往復(fù)式空壓機(jī)、中冷器、儲(chǔ)氣罐等一系列設(shè)備組成，應(yīng)該對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控。6.監(jiān)測(cè)診斷的復(fù)雜性——

（1）運(yùn)動(dòng)件多而復(fù)雜，且包含在機(jī)身內(nèi)，其參數(shù)難以測(cè)量，其狀態(tài)難以判定；（2）激勵(lì)源眾多，頻率、相位等成分復(fù)雜；2（6）當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件出現(xiàn)不同故障——

是否引起相應(yīng)的激勵(lì)變化；是否引起表面振動(dòng)信號(hào)的改變？反向分析診斷是否可行？（3）本缸機(jī)構(gòu)各沖程運(yùn)動(dòng)干擾、缸與缸之間互相干擾，交織在一起，能否區(qū)別？（5）敏感測(cè)點(diǎn)如何選擇，判據(jù)如何確定？（4）

各種激勵(lì)力的傳遞途徑，激勵(lì)力對(duì)表面振動(dòng)的貢獻(xiàn)，眾多激勵(lì)同時(shí)作用與分時(shí)作用交織一起，對(duì)應(yīng)關(guān)系的識(shí)別？38.人員要求——

對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)的清晰了解，對(duì)動(dòng)力特性的全面掌握，對(duì)故障機(jī)理的深入研究，有較為全面的相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)，有豐富的設(shè)備維護(hù)、管理及實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)等。7.綜合監(jiān)測(cè)——

檢測(cè)方法不可單一化、簡單化；振動(dòng)檢測(cè)、溫度檢測(cè)、鐵譜分析、光譜分析、性能參數(shù)測(cè)定等，必須實(shí)施綜合檢測(cè)，多信息融合，全面分析診斷。46．2往復(fù)機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)6.2.1往復(fù)機(jī)械的分類1.檔車軛機(jī)構(gòu)（圖6.2）以主軸的偏心動(dòng)作帶動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)鍛壓機(jī)的壓縮運(yùn)動(dòng)。圖6.2擋車軛機(jī)構(gòu)1—主軸；2—滑動(dòng)塊；3—壓頭2.直線往復(fù)機(jī)構(gòu)（圖6.3）輸入軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成外部機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖6.3直線往復(fù)機(jī)構(gòu)1—蝸桿；2—輸入軸；3—機(jī)架；4—蝸輪[印刷機(jī)油墨進(jìn)給圓筒的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)][鍛壓操作]53.往復(fù)空間曲柄（見圖6.4）將輸入軸1的旋轉(zhuǎn)，經(jīng)連接環(huán)A、B，轉(zhuǎn)變成輸出件4的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。4.發(fā)電機(jī)的菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（見圖6.5）將往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)動(dòng)。圖6.4往復(fù)空間曲柄[銼床]1—輸入件；2—連接環(huán)A；3—連接環(huán)B；4—輸出件圖6.5發(fā)動(dòng)機(jī)的“菱形”傳動(dòng)[一種菲利普公司研制的新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于具有高熱效率發(fā)動(dòng)機(jī)、熱氣機(jī)。]1—密封填料箱；2—緩沖室；3—控制桿；4—曲軸；5—活塞；6—移動(dòng)活塞桿；7—?jiǎng)恿钊?—?jiǎng)恿钊麠U；9—齒輪6兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理：此發(fā)動(dòng)機(jī)有兩個(gè)沖程，且兩個(gè)沖程都是做功沖程。

此發(fā)動(dòng)機(jī)有兩個(gè)活塞：左邊的是配氣活塞（活塞和氣缸之間有間隙，以便空氣在冷熱端流動(dòng)）；右邊是動(dòng)力活塞，動(dòng)力活塞與缸體緊密配合，將缸體封閉成一個(gè)與外部隔絕的密封腔體。兩活塞是剛性連接。當(dāng)活塞從上止點(diǎn)往下止點(diǎn)（從左向右）移動(dòng)時(shí)，將冷端的冷空氣壓向熱端，冷空氣在熱端受熱膨脹，腔體里氣體壓力高于大氣壓，故進(jìn)一步推動(dòng)活塞向下止點(diǎn)移動(dòng)（做功沖程）。7當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)時(shí)，圖中管道C的X開口和動(dòng)力氣缸的開口X接通（exhaust處），熱空氣通過管道C排出到外部。由于飛輪的慣性作用，活塞將從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)（從右向左）移動(dòng)，此時(shí)殘留在熱端的熱空氣將被壓向冷端，進(jìn)入冷端的熱空氣被冷卻后收縮，引起腔內(nèi)的氣體壓力下降到低于大氣壓，故動(dòng)力活塞在外部大氣壓的作用下進(jìn)一步向上止點(diǎn)（向左）移動(dòng)（也是做功沖程）。

當(dāng)活塞移動(dòng)到上止點(diǎn)時(shí)，管道B被接通，外部的冷空氣通過此管道被吸入腔體（因?yàn)榇藭r(shí)腔體內(nèi)的氣壓低于大氣壓）。如此往復(fù)循環(huán)……8實(shí)物照片原理示意圖原理分解示意圖原理動(dòng)畫示意圖95.曲柄-連桿機(jī)構(gòu)（見圖6.6）由活塞、連桿、曲柄3個(gè)基本元件組成的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，分4種類型。

[廣泛用于內(nèi)燃機(jī)、往復(fù)式空壓機(jī)等。](a)正置式曲柄-連桿機(jī)構(gòu)（見圖6.6(a)）氣缸中心線通過曲柄的回轉(zhuǎn)中心，側(cè)推力由缸套承受。[內(nèi)燃機(jī)采用]

(b)十字頭式曲柄-連桿機(jī)構(gòu)（見圖6.6(b)）氣缸中心線通過曲柄的回轉(zhuǎn)中心，側(cè)推力由十字頭和導(dǎo)板承受。圖6.6曲柄—連桿機(jī)構(gòu)類型簡圖

10(c)偏置式曲柄-連桿機(jī)構(gòu)（見圖6.6(c)）氣缸中心線偏置在曲柄回轉(zhuǎn)中心的一側(cè)。[僅少量高速小型內(nèi)燃機(jī)采用]

(d)主、副連桿式曲柄-連桿機(jī)構(gòu)（見圖6.6(d)）一個(gè)曲柄帶動(dòng)幾個(gè)主副連桿工作。

[航空用星型活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)]

圖6.6曲柄—連桿機(jī)構(gòu)類型簡圖

11發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲柄-連桿機(jī)構(gòu)12曲柄-連桿機(jī)構(gòu)實(shí)物136.2.2正置式曲柄-連桿機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn)1.活塞的位移、速度、加速度(1)活塞位移x的計(jì)算：由(圖6.7)的幾何關(guān)系可得：

圖6.7正置式曲柄—連桿機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系圖A—活塞銷中心；B—曲柄銷中心；L—連桿長度；R—曲柄半徑；S—活塞沖程（S=2R）；—曲柄轉(zhuǎn)角；—連桿擺角；λ—曲柄半徑與連桿長度比（λ=R/L）設(shè):代入6.1式消元，得:(6.1)(6.2)即:14圖6.7正置式曲柄—連桿機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系圖∵一般λ＜1/3.5[小于1]

按二項(xiàng)式定理展開（6.2）式，并略去λ高次項(xiàng)，(6.2′)(6.2)A—活塞銷中心；B—曲柄銷中心；L—連桿長度；R—曲柄半徑；S—活塞沖程（S=2R）；—曲柄轉(zhuǎn)角；—連桿擺角；λ—曲柄半徑與連桿長度比（λ=R/L）有常用近似式：15(2)活塞運(yùn)動(dòng)速度v的計(jì)算：

對(duì)（式6.2′）求導(dǎo)，并注意到：活塞運(yùn)動(dòng)速度的近似式為：(6.2′′)(3)活塞加速度a的計(jì)算：同理求導(dǎo)，活塞加速度的近似式為：(6.2′′′)(6.2′)162.曲柄-連桿機(jī)構(gòu)作用力分析

17圖6.8（a）、（b）、(c)曲柄—連桿機(jī)構(gòu)上的作用力

VH（c）α曲柄—連桿機(jī)構(gòu)上的作用力如圖所示：18為在連桿中心線方向的分力

（連桿推力）(1)連桿小端處作用力的分析

連桿小端處作用力P由兩部分組成：

——周期性變化的氣體壓力

——活塞慣性力

為在垂直于汽缸壁方向的分力（活塞側(cè)推力）

VH圖6.8（c）α19連桿具有其質(zhì)量，在運(yùn)動(dòng)中對(duì)曲柄銷有慣性力作用，設(shè)連桿大端回轉(zhuǎn)質(zhì)量所產(chǎn)生的離心力為,故曲柄銷處承受的法向力應(yīng)為：(2)連桿大端處作用力的分析連桿推力

沿連桿中心線傳遞給曲柄銷處，可分解成——沿曲柄方向的法向分量，垂直于曲柄方向的切向分量

。據(jù)幾何關(guān)系可寫為：

VHα20(c)

PH

′VPrH圖6.8（c）α(3)主軸頸處作用力的分析取曲柄—連桿機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，其受力如圖（6.8（c））,設(shè)曲柄—連桿機(jī)構(gòu)作用在主軸徑處的離心力為，主軸頸處垂直作用力V為：水平作用力H為：為曲柄、連桿慣性力對(duì)主軸頸處綜合作用的結(jié)果?！芷谛宰兓臍怏w壓力

——活塞慣性力21(c)

PH

′VPrH圖6.8（c）α從圖（6.8（a）、（c））上看，內(nèi)燃機(jī)輸出扭矩為：

VHαA—活塞銷中心；內(nèi)燃機(jī)輸出扭矩226.2.3內(nèi)燃機(jī)常用參數(shù)及計(jì)算公式[常用參數(shù)——用于判定氣缸內(nèi)部工作狀況]1.研究工作循環(huán)有效性的參數(shù)(1)平均指示壓力（）[圖示]假定有一個(gè)不變的壓力作用在活塞上，使活塞在一個(gè)行程中所做的功與實(shí)際工作循環(huán)所做的功相等?！@個(gè)力叫作平均指示壓力；——它表示一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)，單位氣缸工作容積所做的指示功。即：式中：——工作循環(huán)的指示功——?dú)飧坠ぷ魅莘e氣體、燃料的混合情況換氣質(zhì)量燃燒速度負(fù)荷平均指示壓力的大小，主要與有關(guān)。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)——平均指示壓力隨負(fù)荷增加而增大；對(duì)于增壓式柴油機(jī)——平均指示壓力的提高主要受柴油機(jī)熱負(fù)荷的限制。對(duì)于非增壓式柴油機(jī)——平均指示壓力主要受過量空氣系數(shù)（）的影響；[實(shí)際作用力是瞬變的]23(2)指示功率（）指示功率——

燃?xì)庠跉飧字袉挝粫r(shí)間內(nèi)所完成的指示功，

即:式中：——平均指示壓力,Pa;——?dú)飧坠ぷ魅莘e,L;——柴油機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min;——?dú)飧讛?shù);——沖程數(shù)。24平均有效壓力——一個(gè)不變的壓力，作用在活塞整個(gè)行程上所做的功，

同柴油機(jī)曲軸上所發(fā)出的有效功相等。

[有效功=指示功-機(jī)械損失功]式中：——輸出的有效功，J；(3)平均有效壓力（）

式中：——平均指示壓力,——機(jī)械損失壓力，Pa——機(jī)械效率平均有效壓力隨平均指示壓力和機(jī)械效率變化而變化。[刨除了中間環(huán)節(jié)的機(jī)械損失功]25有效功率——是指內(nèi)燃機(jī)曲柄輸出的實(shí)際功率（軸功率、制動(dòng)功率），即:內(nèi)燃機(jī)有效功率測(cè)定（常用）方法——在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上用制動(dòng)測(cè)功機(jī)測(cè)出輸出軸轉(zhuǎn)矩，并以下式計(jì)算：(4)有效功率（）式中：——平均有效壓力，Pa指示功率——平均指示壓力26柴油機(jī)中構(gòu)成機(jī)械損失的因素很多，主要有以下三種：1）摩擦損失功率——消耗在相互運(yùn)動(dòng)的零件間的摩擦功率。2）傳動(dòng)損失功率——帶動(dòng)輔助機(jī)械的損失功率。

（燃油泵、潤滑油泵、水泵、二沖程掃氣泵、氣壓機(jī)等）3）泵氣損失功率——僅發(fā)生在四沖程柴油機(jī)的進(jìn)、排氣過程中。機(jī)械效率等于柴油機(jī)有效功率與指示功率之比值，即:(5)機(jī)械損失功率（）(6)機(jī)械效率（）27（1）有效熱效率（）有效熱效率——是指柴油機(jī)曲軸所做有效功的相當(dāng)熱量同燃料燃燒所發(fā)出的全部熱量的比值。即：（2.1.1）有效熱效率

考慮了柴油機(jī)循環(huán)的熱損失、全部機(jī)械損失，給出了整臺(tái)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的概念，表明了柴油機(jī)中熱能的最終使用價(jià)值。其實(shí)際應(yīng)用公式為：（2.1.2）2.研究工作循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的參數(shù)式中:——有效功率，kW；——燃料低熱值，kJ/kg；——燃料消耗量，kg/h28（2.2.1）——有效功率，kW。（2）有效燃料消耗率（）有效燃料消耗率（有效耗油率、比油耗）——

每一有效千瓦小時(shí)的工作中所消耗的燃料公斤數(shù)或克數(shù)。即：當(dāng)已知柴油機(jī)有效熱效率和燃料低熱值時(shí)，有效燃料消耗率可以改寫成:——燃料消耗量，kg/h式中:——燃料低熱值，kJ/kg296.2.4柴油機(jī)的分類1.按完成每工作循環(huán)所需的沖程數(shù)目劃分：（1）二沖程柴油機(jī)——活塞運(yùn)行兩個(gè)行程曲柄轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)完成一個(gè)工作循環(huán)的柴油機(jī)。（2）四沖程柴油機(jī)——活塞運(yùn)行四個(gè)行程曲柄轉(zhuǎn)二轉(zhuǎn)曲柄轉(zhuǎn)二轉(zhuǎn)完成一個(gè)工作循環(huán)的柴油機(jī)。2.按柴油機(jī)曲柄轉(zhuǎn)數(shù)劃分：（1）低速柴油機(jī)——曲柄轉(zhuǎn)速為250r/min以下；（2）中速柴油機(jī)——曲柄轉(zhuǎn)速為250-1000r/min；（3）高速柴油機(jī)——曲柄轉(zhuǎn)速為1000r/min以上。柴油機(jī)的分類：煤氣機(jī)柴油機(jī)燃?xì)廨喪叫D(zhuǎn)活塞式（轉(zhuǎn)子式）往復(fù)活塞式三種基本形式汽油機(jī)按使用燃料分內(nèi)燃機(jī)的分類：303.按汽缸排列方式劃分（1）直列式柴油機(jī)——所有氣缸排列成一直線排列，氣缸中心線為垂直方向；（2）臥式柴油機(jī)——所有氣缸中心線呈水平方向排列；

（3）V型柴油機(jī)——?dú)飧壮省癡”型排列兩行，兩行氣缸中心線相交成一定角度；（4）其他型式柴油機(jī)——“W”型、“X”型、“H”型。

31圖6.9柴油機(jī)（a）筒形活塞式柴油機(jī)；（b）十字頭式柴油機(jī)4.按曲柄-連