往復機械故障診斷新篇

3.主要研究對象——曲柄-連桿機構，內燃機、往復式空氣壓縮機。第六章往復機械故障診斷

6.1概述1.往復運動——在機械運動中往復運動是一種最常見的運動。（直線、擺動）往復運動變成回轉或將回轉變成往復運動。2.常用構件——凸輪、齒輪、鏈輪、齒條、偏心輪、曲柄、連桿等。通過一系列的機構將14.內燃機監(jiān)測——[單機監(jiān)測]包括性能監(jiān)測和機械狀態(tài)監(jiān)測。5.往復式空壓機系統監(jiān)測——[系統監(jiān)測]

系統由電動機、往復式空壓機、中冷器、儲氣罐等一系列設備組成，應該對整個系統進行監(jiān)測監(jiān)控。6.監(jiān)測診斷的復雜性——

（1）運動件多而復雜，且包含在機身內，其參數難以測量，其狀態(tài)難以判定；（2）激勵源眾多，頻率、相位等成分復雜；2（6）當發(fā)動機的運動部件出現不同故障——

是否引起相應的激勵變化；是否引起表面振動信號的改變？反向分析診斷是否可行？（3）本缸機構各沖程運動干擾、缸與缸之間互相干擾，交織在一起，能否區(qū)別？（5）敏感測點如何選擇，判據如何確定？（4）

各種激勵力的傳遞途徑，激勵力對表面振動的貢獻，眾多激勵同時作用與分時作用交織一起，對應關系的識別？38.人員要求——

對設備結構的清晰了解，對動力特性的全面掌握，對故障機理的深入研究，有較為全面的相關領域知識，有豐富的設備維護、管理及實際工作經驗等。7.綜合監(jiān)測——

檢測方法不可單一化、簡單化；振動檢測、溫度檢測、鐵譜分析、光譜分析、性能參數測定等，必須實施綜合檢測，多信息融合，全面分析診斷。46．2往復機械基礎知識6.2.1往復機械的分類1.檔車軛機構（圖6.2）以主軸的偏心動作帶動，來實現鍛壓機的壓縮運動。圖6.2擋車軛機構1—主軸；2—滑動塊；3—壓頭2.直線往復機構（圖6.3）輸入軸的旋轉轉化成外部機構的往復運動。

圖6.3直線往復機構1—蝸桿；2—輸入軸；3—機架；4—蝸輪[印刷機油墨進給圓筒的聯動機構][鍛壓操作]53.往復空間曲柄（見圖6.4）將輸入軸1的旋轉，經連接環(huán)A、B，轉變成輸出件4的往復運動。4.發(fā)電機的菱形傳動機構（見圖6.5）將往復運動轉化成轉動。圖6.4往復空間曲柄[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)動機的“菱形”傳動[一種菲利普公司研制的新型傳動機構，用于具有高熱效率發(fā)動機、熱氣機。]1—密封填料箱；2—緩沖室；3—控制桿；4—曲軸；5—活塞；6—移動活塞桿；7—動力活塞；8—動力活塞桿；9—齒輪6兩沖程發(fā)動機工作原理：此發(fā)動機有兩個沖程，且兩個沖程都是做功沖程。

此發(fā)動機有兩個活塞：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）；右邊是動力活塞，動力活塞與缸體緊密配合，將缸體封閉成一個與外部隔絕的密封腔體。兩活塞是剛性連接。當活塞從上止點往下止點（從左向右）移動時，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，故進一步推動活塞向下止點移動（做功沖程）。7當活塞運動到下止點時，圖中管道C的X開口和動力氣缸的開口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，活塞將從下止點向上止點（從右向左）移動，此時殘留在熱端的熱空氣將被壓向冷端，進入冷端的熱空氣被冷卻后收縮，引起腔內的氣體壓力下降到低于大氣壓，故動力活塞在外部大氣壓的作用下進一步向上止點（向左）移動（也是做功沖程）。

當活塞移動到上止點時，管道B被接通，外部的冷空氣通過此管道被吸入腔體（因為此時腔體內的氣壓低于大氣壓）。如此往復循環(huán)……8實物照片原理示意圖原理分解示意圖原理動畫示意圖95.曲柄-連桿機構（見圖6.6）由活塞、連桿、曲柄3個基本元件組成的運動機構，分4種類型。

[廣泛用于內燃機、往復式空壓機等。](a)正置式曲柄-連桿機構（見圖6.6(a)）氣缸中心線通過曲柄的回轉中心，側推力由缸套承受。[內燃機采用]

(b)十字頭式曲柄-連桿機構（見圖6.6(b)）氣缸中心線通過曲柄的回轉中心，側推力由十字頭和導板承受。圖6.6曲柄—連桿機構類型簡圖

10(c)偏置式曲柄-連桿機構（見圖6.6(c)）氣缸中心線偏置在曲柄回轉中心的一側。[僅少量高速小型內燃機采用]

(d)主、副連桿式曲柄-連桿機構（見圖6.6(d)）一個曲柄帶動幾個主副連桿工作。

[航空用星型活塞式發(fā)動機的標準運動機構]

圖6.6曲柄—連桿機構類型簡圖

11發(fā)動機中的曲柄-連桿機構12曲柄-連桿機構實物136.2.2正置式曲柄-連桿機構的工作特點1.活塞的位移、速度、加速度(1)活塞位移x的計算：由(圖6.7)的幾何關系可得：

圖6.7正置式曲柄—連桿機構幾何關系圖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）；—曲柄轉角；—連桿擺角；λ—曲柄半徑與連桿長度比（λ=R/L）設:代入6.1式消元，得:(6.1)(6.2)即:14圖6.7正置式曲柄—連桿機構幾何關系圖∵一般λ＜1/3.5[小于1]

按二項式定理展開（6.2）式，并略去λ高次項，(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)活塞運動速度v的計算：

對（式6.2′）求導，并注意到：活塞運動速度的近似式為：(6.2′′)(3)活塞加速度a的計算：同理求導，活塞加速度的近似式為：(6.2′′′)(6.2′)162.曲柄-連桿機構作用力分析

17圖6.8（a）、（b）、(c)曲柄—連桿機構上的作用力

VH（c）α曲柄—連桿機構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（活塞側推力）

VH圖6.8（c）α19連桿具有其質量，在運動中對曲柄銷有慣性力作用，設連桿大端回轉質量所產生的離心力為,故曲柄銷處承受的法向力應為：(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

。據幾何關系可寫為：

VHα20(c)

PH

′VPrH圖6.8（c）α(3)主軸頸處作用力的分析取曲柄—連桿機構為研究對象，其受力如圖（6.8（c））,設曲柄—連桿機構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、連桿慣性力對主軸頸處綜合作用的結果?！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，內燃機輸出扭矩為：

VHαA—活塞銷中心；內燃機輸出扭矩226.2.3內燃機常用參數及計算公式[常用參數——用于判定氣缸內部工作狀況]1.研究工作循環(huán)有效性的參數(1)平均指示壓力（）[圖示]假定有一個不變的壓力作用在活塞上，使活塞在一個行程中所做的功與實際工作循環(huán)所做的功相等?！@個力叫作平均指示壓力；——它表示一個工作循環(huán)內，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——氣缸工作容積氣體、燃料的混合情況換氣質量燃燒速度負荷平均指示壓力的大小，主要與有關。對于內燃機——平均指示壓力隨負荷增加而增大；對于增壓式柴油機——平均指示壓力的提高主要受柴油機熱負荷的限制。對于非增壓式柴油機——平均指示壓力主要受過量空氣系數（）的影響；[實際作用力是瞬變的]23(2)指示功率（）指示功率——

燃氣在氣缸中單位時間內所完成的指示功，

即:式中：——平均指示壓力,Pa;——氣缸工作容積,L;——柴油機轉速,r/min;——氣缸數;——沖程數。24平均有效壓力——一個不變的壓力，作用在活塞整個行程上所做的功，

同柴油機曲軸上所發(fā)出的有效功相等。

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

式中：——平均指示壓力,——機械損失壓力，Pa——機械效率平均有效壓力隨平均指示壓力和機械效率變化而變化。[刨除了中間環(huán)節(jié)的機械損失功]25有效功率——是指內燃機曲柄輸出的實際功率（軸功率、制動功率），即:內燃機有效功率測定（常用）方法——在實驗臺上用制動測功機測出輸出軸轉矩，并以下式計算：(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柴油機中構成機械損失的因素很多，主要有以下三種：1）摩擦損失功率——消耗在相互運動的零件間的摩擦功率。2）傳動損失功率——帶動輔助機械的損失功率。

（燃油泵、潤滑油泵、水泵、二沖程掃氣泵、氣壓機等）3）泵氣損失功率——僅發(fā)生在四沖程柴油機的進、排氣過程中。機械效率等于柴油機有效功率與指示功率之比值，即:(5)機械損失功率（）(6)機械效率（）27（1）有效熱效率（）有效熱效率——是指柴油機曲軸所做有效功的相當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

考慮了柴油機循環(huán)的熱損失、全部機械損失，給出了整臺柴油機經濟性的概念，表明了柴油機中熱能的最終使用價值。其實際應用公式為：（2.1.2）2.研究工作循環(huán)經濟性的參數式中:——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）——

每一有效千瓦小時的工作中所消耗的燃料公斤數或克數。即：當已知柴油機有效熱效率和燃料低熱值時，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柴油機的分類1.按完成每工作循環(huán)所需的沖程數目劃分：（1）二沖程柴油機——活塞運行兩個行程曲柄轉一轉完成一個工作循環(huán)的柴油機。（2）四沖程柴油機——活塞運行四個行程曲柄轉二轉曲柄轉二轉完成一個工作循環(huán)的柴油機。2.按柴油機曲柄轉數劃分：（1）低速柴油機——曲柄轉速為250r/min以下；（2）中速柴油機——曲柄轉速為250-1000r/min；（3）高速柴油機——曲柄轉速為1000r/min以上。柴油機的分類：煤氣機柴油機燃氣輪式旋轉活塞式（轉子式）往復活塞式三種基本形式汽油機按使用燃料分內燃機的分類：303.按汽缸排列方式劃分（1）直列式柴油機——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——所有氣缸中心線呈水平方向排列；

（3）V型柴油機——氣缸呈“V”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——“W”型、“X”型、“H”型。

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