振动诊断技术2.ppt

振动诊断技术(2),测振传感器是用来测量振动参量的传感器。 根据所测振动参量和频响范围的不同，测振传感器分为三大类 ： 振动位移传感器 振动速度传感器 振动加速度传感器,1 测振传感器,振动传感器的选用原则,在实际测试中，选用振动传感器应本着可用和优化的原则。 可用就是要使所选的传感器满足最基本的测试要求； 优化就是在满足基本测试要求的前提下，尽量降低传感器的费用，即取得最佳的性能价格比。,具体要考虑以下问题,1测量范围 测量范围又称量程，必须保证不超过 传感器的测量量程。,2. 频响范围 振动参量的最显著特性就是其频率构 成特性，即一个机械振动信号往往是 由许多频率不同的信号叠加而成。,传感器的频响特性要好，也就是要求其幅频特性的水平范围尽可能宽,频率下限尽可能地低，频率上限尽可能地高。,3. 灵敏度 一般而言，总是希望传感器的灵敏度尽量高， 以便检测微小信号。,要求传感器的信噪比(S/N)要高，有效地抑制 噪声信号,4. 精度,5. 稳定性,时间稳定性和环境稳定性,此外，传感器的工作方式、外形尺寸、重量等也是需要考虑的因素。,信号记录与处理设备,光线示波器、电子示波器、笔式记录仪、磁带机以及数据采集器,磁带机和数据采集器：广泛应用,模拟式磁带机是模拟式记录仪器的典型代表,数据采集器则代表着数字式仪表的发展方向,随着计算机技术的飞速发展，基于A/D转换原理的数据采集器功能日趋强大，性能价格比越来越高，且能集记录与分析于一体，从而简化了分析测试过程。,数据采集器,采样过程是先将模拟信号分为一系列间隔为t 的时间离散信号并加以采集 量化过程然后将这些时间离散信号的幅值修约 为某些规定的量级 编码过程将这些时间和幅值均不连续的离散信 号编码成一定长度的二进制序列 模拟信号 数字信号 即A/D转换过程，也称数据采集,数据采集包括采样、量化与编码三个过程,2 .数据采集器的主要性能指标,(1)通 道 数 也就是指采集器可同时记录的信号路数 一般为1、2、4、8、16不等,(2)采样频率 指采集器采集数据的快慢，单位为Hz， 其值越大越好。,(3)分 辨 力 是指采集器感知信号幅值微小变化的能力,(5)信噪比 是决定采集器动态范围的指标，单位 为dB，要求越大越好。 (6)输入输出阻抗 是采集器与其他仪器相联时需要考虑 的指标，要求输入阻抗尽量大些而输 出阻抗尽量小些。 (7)存贮容量,振动诊断的基础工作,1确定诊断对象,2选定测量参数,位移、速度和加速度,3选择监测点,测量点选择的正确与否，关系到能否对设备故障作出正确的诊断能对设备振动状态作出全面的描述；应是设备振动的敏感点；应是离机械设备核心部位最近的关键点；应是容易产生劣化现象的易损点。,4确定测量周期,2）随机点检,1）定期检测,3）长期监测,5确定判断标准,振动诊断技术的应用,振动诊断技术应用领域广泛， 如应用于转轴、轴承、齿轮的故障诊断,齿轮装置故障类型及原因 齿轮装置:齿轮、旋转机构、润滑系统、箱体,由于齿轮在制造和装配中出现差错, 就会造成故障。在各种故障中, 因轮齿损伤而引起的故障最为普遍。,齿轮加速时 , 有时还会出现具有非线性振动特点的跳跃现象 齿轮磨损,啮合频率中产生为啮合频率 2 倍、 3 倍、等高次谐波 齿轮磨损,啮合频率的 1/2 、 1/3 倍等分数谐波 齿轮磨损,齿轮制造缺陷引起的振动 图(d)为高频域的振动波形,齿轮不同轴引起的振动,齿轮局部异常引起的振动,齿轮故障的振动诊断,1. 检测参数与检测周期,据美国齿轮制造协会(AGMA)推荐： 1） f 1kHz 以上的振动, 则以加速度级为判定标准。 对于与齿轮的旋转频率或啮合频率相关的 低频振动 振动速度作为检测参数 对于与固有振动频率相关的 高频振动 振动加速度作为检测参数。 为了提高诊断的有效性 , 可考虑用两种方法同时进行检测。,2. 检测部位与检测方向,普通减速器 , 其检测部位选择在轴承座盖,高速增速器 , 如轴承座在机箱内部 , 则选择轴承座附近刚性较好的部位 , 或测量基础的振动。通 常要求测定部位的表面应是光滑的 , 而且为了获得准确的测定值 , 应保持每次的检测位置不变。,由于齿轮发生不同异常情况时发生最大振动的方向各不相同 , 所以应尽可能地沿水平、垂直、轴向三个方向进行测定。,高频振动, 由于振动在所有方向上同样传递, 所以 , 利用高频域的振动进行故障诊断时, 只需在最容易测定的一个方向上检测。,3. 诊断程序和检测类型,A-v,4. 时域诊断,时标可以将某一齿轮轴的一整转定为脉冲周期 T, 乘以一定的传动比后 , 化为指定的周期 , 输入信号即可依周期分段采样再迭加平均, 再经平滑化后输出。,正常齿轮,齿面严重磨损,齿轮安装错位,个别齿断裂,图 齿轮在各种状态下的时域平均信号,5. 功率谱分析,有一个齿存在局部缺陷,以载频、2、3， 为中心的一系列边频,均匀分布的轮齿缺陷时的时域曲线和功率谱 如图（b）所示谱 图上的边频带高而窄。,鬼线（Ghost）分析也是齿轮功率谱诊断的一个重要内容。所谓鬼线 , 是指功率谱上的一个频率分量 , 其产生的原因为加工过程给齿轮带来的周期性缺陷 , 缺陷来源于分度蜗 轮、蜗杆及齿轮的误差 。,鬼线是由一定的几何误差产生的 , 载荷改变对其影响很小。,图 载荷对鬼线分量和啮合分量的影响 (a)轻载 （b）满载,无损诊断技术,渗透检测 磁粉检测 涡流检测 射线检测 声发射检测 超声检测,温度诊断技术,温度也是引发机械设备故障的一个重要因素。由此可以得出结论：温度与机械设备的运行状态密切相关，温度监测也因此而在机械设备故障诊断的整个技术体系中占有重要的地位 。,接触式温度检测,非接触测温技术,在太阳光谱中，位于红光光谱之外的区域里存在着一种看不见的、具有强烈热效应的辐射波，称为红外线。一般可见光的波长为0.40.7 ，红外线的波长范围相当宽，达0.751000 。,通常它又分为四类： 近红外， 波长0.753 ， 中红外， 波长36 ， 远红外， 波长615 ， 超远红外，波长151000 。,红外测温仪器,红外测温的仪器很多，就其主要工作原理可分为三种：红外测温仪、红外热象仪和红外热电视。,红外测温的工作原理是：被测物体发出的红外线，通过光学系统聚集后，入射到红外探测器上。在红外辐射的作用下，探测器产生一个正比于辐射能量的电信号，由放大器放大和A/D转换后，在数字显示器上显示温度值。 红外探测器是红外检测系统中最关键、最重要的部分，它把所接收的红外辐射变换成易于测量的电量。,图红外测温仪的组成,2. 红外热象仪 红外热象仪是利用红外成象技术，将被测物体的热图象显示到视频显示器屏幕上的装置。 这种装置自问世以来，随着计算机的出现，得到迅猛的发展。现在红外热象仪种类较多，其中应用较多的是光机扫描热象仪。,图 红外热成像示意图,3. 红外热电视 红外热电视又称为热释电摄象管成象装置。它与光机扫描不同之处在于, 前者是机械扫描, 后者为电子扫描。和电视机工作原理相似, 它由成象镜头, 热释电摄象管、摄象机电路、显示器和温度标定电路组成。其中关键元件是摄象管。,图 热释电摄象管结构示意图 1-热成象镜头 2-热释电效应靶 3-聚焦和扫描线圈,红外测温的特点 红外测温有以下几个特点： 1.非接触式测量,这一特点使得远距离、高速运动或带电的目标其温度测量变得方便，而且不影响被测目标的温度分布。,2.反应速度快 辐射是次光速传播的，红外测温取决于测温仪表的响应时间，一般比依靠热平衡原理测温的仪器响应时间短两个数量级以上，可用于实时显示 。,3.灵敏度高 只要目标有微小的温度差就能分辨出来，一般红外测温仪都具有 0.1的温度分辨率和毫米级的空间分辨率。,4.测温范围广 根据不同要求，可以选择不同类型的仪器来实现负几十度到上千度的温度测量。,红外诊断的应用,红外监测技术最早是在军事应用中发展起来的,1.火车轴箱温度检测,利用红外测温技术制成了 “热轴探测仪”，仪器安放在车站外两侧，当火车通过时，探测器逐个测出各个车轴箱的温度，并把探测器输出的每一脉冲(轴箱温度的函数)输送到站内检测室，根据脉冲高低就可判断轴箱发热情况及热轴位置，以便采取措施。目前，全国铁路90%的列检所安装了轴温红外探测仪，其准确率高达99%。,2.航空发动机壳体红外无损缺陷主动探查,3.化工塔罐的检测,4. 检查焊接质量,在电器设备中，特别是在高压输变线路中，常会出现隔离刀闸接点发热、高压断路器引线接点发热、电缆接头发热等等，这些都是故障点。检查人员可以用红外测温仪或红外热象仪将这些故障点很方便地检测出来，以便及时采取措施，避免了事故的发生。,5.电器设备各种裸露接头的热故障的红外诊断,润滑油样分析技术,光谱分析技术 油样光谱分析的简单原理,油样光谱分析， 就是利用油样中所含金属元素原子的光学电子在原子内能级间跃迁产生的特征谱线来检测该种元素的存在与否， 而特征谱线的强度则与该种金属元素的含量多少有关，这样，通过光谱分析，就能检测出油样中所含金属元素的种类及其浓度，以此推断产生这些元素的磨损发生部位及其严重程度，并依此对相应零部件的工况作出判断。,图 原子发射光谱分析法 1一激发电源; 2一回转石墨盘; 3一油样; 4一入口缝隙; 5一光栅; 6一特征光谱; 7一焦点曲线;8一出口缝隙; 9一光电探测器; 10一信号积分器; 11一数据处理系统; 12一打印机,在光谱分析的应用中，根据光谱分析仪激发表征辐射光谱方法的不同，主要有原子发射光谱和原子吸收光谱两种方法，因发射光谱法的设备昂贵，故目前应用不如吸收光谱法普遍。,发射光谱是以15kV高压产生的电火花直接激发油液中的金属元素，使之发射出供进行光谱分析的表征辐射，此辐射经过光栅或棱镜分光系统进行分光后，便形成了所含元素各自的特征光谱，并按波长顺序在聚焦处排列，通过各自的光电探测器在聚焦处对其特征光谱能量的接收和放大。,原子吸收光谱分析，又称原子吸收分光光度分析法, 简称原子吸收分析。其基本根据是：给一束特定的入射光投射至被测元素的基态原子蒸气，部分入射光将被蒸气吸收。未吸收部分的光则透射过去。若被测元素原子蒸气浓度愈大，对光的吸收量就越多，其透射部分也就愈小。于是根据样品中被测元素浓度N、入射光强及透射光强三者之间存在一定关系，并把它与被测元素已知浓度的标准溶液对光的吸收作比较，就可以求得试样中被测元素的含量。利用原子吸收的光谱波长可确定油液中各种金属元素。分析中几种常见金属的典型波长见表4-4。,原子吸收光谱分析法,铁谱分析技术,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。,经过各国学者和广大工程技术人员的共同努力，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。,所谓铁谱分析，就是利用铁谱仪(Ferrograph)从润滑油(脂)试样中，分离和检测出磨屑和碎屑，从而分析和判断机器运动副表面的磨损类型、磨损程度和磨损部位的技术。铁谱仪是铁谱分析的关键设备，根据其工作方式的不同，铁谱仪可分为直读式铁谱仪、分析式铁谱仪和旋转式铁谱仪。近年来，又研究成功了在线式铁谱仪。,铁谱分析的仪器与原理,1. 直读式铁谱仪,直读式铁谱仪能方便、迅速且较准确地测定油样内大小磨粒的相对数量, 因而能对机械设备工况进行检测, 但不能对磨粒的形态和成分进行进一步的观察。,磨粒的沉淀速度取决于本身的尺寸、形状、密度和磁化率，以及润滑油的粘度、密度和磁化率等许多因素。当其他因素固定后，磨粒的沉降速度与其尺寸的平方成正比，,图 直读式铁谱仪示意图 1-油样管 2-吸油毛细管 3-沉淀管 4-集油管 5-铁磁装置 6-灯泡 7、8-导光管 9、10-光电检测器 11-数量装置,图 沉淀管磨粒的沉淀情况 1-第一束光 2-第二束光,磨粒沉积越多，光电检测器能接收到的光强度越弱，经转换后，在数字显示装置上显示光密度读数。,2. 分析式铁谱仪,分析式铁谱仪与直读式铁谱仪的不同是用玻璃基片代替玻璃沉淀管, 将经过稀释的油样放在磁场中使磨粒沉淀在玻璃基片上制成谱片, 然后用双色光学显微镜或扫描电子显微镜对磨粒进行观察分析。,磨粒在玻璃基片上的沉淀原理与直读式铁谱仪相似。磨粒沉淀后, 用四氯乙烯溶液清洗残油, 使磨粒固定在基片上形成了谱片。 利用分析式铁谱仪及其显微镜, 可以确定磨粒的类型和成分, 例如金属磨粒、氧化物和各种化合物, 润滑油中添加剂所形成的聚合物和其他外部污染颗粒等。还可以对金属磨粒的形貌进行观察分析并对各类颗粒进行读数。,3. 旋转式铁谱仪,分析式铁谱仪进入工业应用以后,发现设计上存在下列不足： 1）铁谱片制备时间过长,因而在生产中的使用受到一定的限制 2) 每制备一个谱片需消耗一支输送管, 因而操作费用较高。 3) 谱片入口区磨粒堆积重叠, 影响对颗粒的观察与分析。,4) 对颗粒浓度较高的油样, 需要高度稀释, 从而造成对某些判断磨损状态有重要价值的“临界颗粒“可能被遗漏, 造成判断误差。 5) 含有大量残炭的柴油机油样, 经高度稀释后, 谱片上仍留有大量污染物。 6) 微量泵在输送油样时的辗压作用使某些大颗粒被破碎或不能通过。 因此, 英国在1984年研制出一种利用磁场力和离心力共同作用使磨粒沉降下来的旋转式铁谱仪。旋转式铁谱仪与其他铁谱仪的主要区别在于谱片的制作方法上。,铁谱分析技术及其应用,铁谱分析技术包括油样的制取、铁谱仪操作、铁谱读数处理及磨粒识别等几个方面,铁谱分析技术分定性和定量两个方面。定性方面主要是指对磨粒形态进行观察,从磨粒形态特征、颜色差异、尺寸大小并结合扫描电子显微镜, 来识别磨损的类型、部位、程度和机理。定量方面主要是根据测量磨粒覆盖面积, 来确定大小磨粒的相对含量, 从而对零件磨损程度进行量的判断。,1. 铁谱定量分析,铁谱定量分析是铁谱分析的基本功能之一。无论是哪种铁谱仪, 均可以直接(或借助于读数器)读出油样中磨粒浓度的铁谱读数。在生产实际中,用这些读数分析设备的磨损及故障时,还要作一些数字上的处理。目前常用的有以下几种方法：,铁谱定量读数是用光密度值 （ ）或磨粒覆盖面积百分数 （ ）来表示磨粒浓度的。,1 .用磨损烈度指数Is描述设备磨损状况,用(DL+DS)或(AL+AS)来表征设备的总磨损值,(DLDS)或(ALAS)来表征设备磨损的烈度,对于直读式铁谱仪,对于分析式铁谱仪,“磨损烈度指数“, 用 “Is“ 表示。,Is数值的变化与设备的总磨损有关, 又与磨损烈度有关。它不但反映了设备不同时刻的磨损情况的变化，而且反映了机械设备的故障状态和故障程度，因此，是铁谱技术中的一个重要参数。,用标准磨粒浓度SWPC和大磨粒 百分数PLP描述机器磨损情况,标准磨粒浓度SWPC是指每毫升油样的磨粒浓度,即:,式中，N为流过直读式铁谱仪的油样毫升数。,SWPC反映了设备总磨损变化情况。,大磨粒百分数(PLP)是指大磨粒在磨料总数中的百分数, 即:,它反映了大磨粒在总磨粒浓度中所占有的比例,铁谱定性分析是指用光学仪器(如铁谱显微镜、电子显微镜)对铁谱基片上的磨粒进行观测，分析磨粒的形态、种类、大小以及材质，从而判断机器磨损部位、磨损形式以及磨损程度的技术。铁谱定性分析的主要工作为磨粒的观测和磨粒的识别。,2. 铁谱定性分析,3. 铁谱分析技术的应用 铁谱技术虽然是一门较年轻的技术，但是，自从它问世以来，得到了广泛的应用。无论在摩擦磨损机理的研究方面，还是在机械设备的状态监测与故障诊断中，以及新机器设计、润滑油性能评价等方面都发挥着重要的作用。,铁谱技术在机械设备状态监测与故障诊断中的应用，主要分为四个方面: 根据主要磨粒的类型、形态、尺寸等特征，判定零件所处的磨损阶段，进而判断设备的寿命状况; 根据所绘制的磨损曲线，判断设备的磨损情况；依据磨粒尺寸的相对关系，判断设备发生剧烈磨损的程度； 按照磨粒的材料成分，确定磨粒来源，以判断设备磨损的具体部位。如铁谱技术在柴油机、齿轮、液压系统和轴承故障诊断中应用。,