求助－往复机械诊断的特点

xiaobensi

请问一下：往复机械诊断的特点和机械故障技术发展的特点
谢谢！

[ 本帖最后由 mriook 于 2007-1-11 10:06 编辑 ]

mriook

北京石油大学一位教授好像做出个往复机械诊断的东西来，现在退休了

zhurq

1、往复机械主要有活塞式内燃机（又分为点燃式和压燃式），活塞式压缩机，柱塞泵等；
2、由于内燃机工作时既有气门开启、关闭产生的撞击，又有气体燃烧产生的噪音，还有活塞、连杆等产生的往复惯性力；压缩机工作时，存在气阀开启、关闭产生的撞击、气体流过气阀产生的噪声，以及活塞、连杆、十字头组件产生的往复惯性力。因此，对往复机械进行故障诊断，仅仅通过频谱分析是很难有成效的。
3、可行方法是：除了机组的辅助设备如润滑油泵、冷却水泵、曲轴支撑轴承位置外，其它测点不用频谱分析的方法，而是采用一个做功周期为纵坐标，分析信号的时域波形，至于此时的信号怎样处理，需要试验确定。故障诊断不能仅靠振动传感器，而是要对机组进行全面分析，如各缸的压力曲线、温度值、对气体泄漏敏感的超声波曲线以及点火系统的电压波形等。

需需要，可到我们这里来考察。

四十不惑

　　往复机械常见故障与振动响应的关系
　　往复机械种类很多，有往复压缩机、内燃机(柴油机及汽油机)、往复泵等，其应用范围十分广泛。因此，对往复机械进行状态监测与故障诊断同样具有十分重要的意义。
　　由于往复机械通常需要利用一系列机构将回转运动转换成往复运动(例如往复压缩机)或者将往复运动转换成回转运动(例如内燃机)，因而其机械结构往往比较复杂，运动形式也较为复杂。例如，内燃机与旋转机械相比，其特点如下：
　　(1)系统比较复杂，运动部分(活塞一曲轴机构)既有旋转运动引起的振动，又有往复运动产生的振动，还有燃烧时冲击造成的振动，众多的频率，范围广宽的激励力比较难以识别;
　　(2)振动随负荷变化，在转速一定时，其负荷又随外界情况变化;
　　(3)同时发生多种振动，如气体压力引起燃烧室组件的振动，活塞撞击连杆引起的振动，活塞撞击气缸引起的振动等几乎在同一时刻发生，因此相互干扰大，当发动机的运动部件出现不同程度的机械故障时，难以从振动信号中检出相应的激励力变化情况;
　　(4)各种撞击力大小都具有不稳定性;
　　(5)缸数多，互相耦合，相互干扰，邻缸对本缸以及本缸中各运动部件之间的互相干扰不易区分;
　　(6)敏感测点的选择及判断依据的确定比较困难。
　　上述原因使得往复机械的振动十分复杂，从技术上给故障诊断带来较大的困难。
　　从往复机械的故障现象来看，其故障主要有两类，一类是结构性故障，另一类是性能方面的故障。
　　结构性故障是指零件磨损、裂纹、装配不当、动静部件间的碰磨、油路堵塞等。
　　性能方面故障表现在机器性能指标达不到要求，例如功率不足、耗油量大、转速波动较大等。
　　显然，结构性故障会反映在机器的性能中，通过性能评定，也可以反映结构性故障的存在及其严重程度。
　　但在实际工作中，由于采用性能分析法诊断故障属于间接诊断，一方面不直接，影响因素较多，另一方面，采用性能分析法难度也比较大，所用传感器价格昂贵，寿命较短，因此对于往复机械的监测和诊断，一般以振动诊断法应用较多。
　　由于绝大多数故障都会在振动方面有所反映。因此，对振动信号进行分析处理可以分析诊断出绝大多数设备故障。
　　考虑到往复机械振动的复杂性，对往复机械的故障诊断不仅需要在理论上进行研究，而且需要做大量的实验研究和经验的积累，同时在检测方法上也不能单一化和简单化。在应用振动检测内燃机的同时，还须应用温度监测、铁谱分析技术以及性能参数的测定等方法。尽可能采用多种检测手段进行综合检测，并进行谨慎细致的分析，以便尽可能早地发现故障，准确地诊断故障原因，采取切实可行的处理对策。
　　对往复机械设备进行故障诊断首先应对设备的结构和运行的动力特性有比较全面的了解，还应掌握机械设备发生故障的机理。为了能够深入掌握整个机械设备在运行过程中出现的各种症状，有必要对各个分离部件进行故障机理的研究，在此基础上才有可能对系统的故障机理进行研究。
　　气阀故障信号特征与识别
　　气阀机构是往复机械的重要部件之一，也是易损件之一。进排气阀的主要故障有气阀与气阀座的配合部件磨损、烧坏，气阀间隙过大或过小，气阀杆弯曲变形，气阀弹簧的折断等故障。这些故障如前所述可以通过对振动信号检测、分析处理进行识别。
　　由于结构条件的限制，在气阀机构故障的监测中很难将传感器安装在反映故障最敏感的位置，一般只能安装在附近的气缸盖上。从缸盖上测得的振动信号同时包含有气体爆压冲击信号、排气阀开启时气体节流产生的冲击信号和进、排气阀落座冲击信号。对这些信号，应该根据上止点信号和气阀机构正常工作的规律，通过分析处理，找出信号的频率特征，进而对气阀机构各种故障的性质、原因进行判断。
　　在往复机械运转过程中，气阀的落座、开启是一个较小的瞬态冲击力，混杂于各种振动信号中，实际应用中很难提取。图1为试验获得的气阀落座、开启的实际信号，从图中可以看出，气阀落座冲击主要引起高频振动。从图2中缸盖振动和气体压力的相干分析可以看出，缸内气体压力主要产生低频振动能量。
　　图1 缸盖在气阀冲击作用下的振动特征 图2 缸盖响应的相干分析
　　(a)缸盖外表面;(b)缸盖内表面 (a)缸盖振动一气体压力相干谱;
　　(b) 自功率谱
　　由于气体压力和气阀落座力在频率域上有明显不同的特征，很容易将它们分离开来。但是，频率域上是采用功率谱分析，失去了相位信息，很难从频率域上区别进、排气阀落座冲击特征。所以，还必须从时域上分离这些激励源，根据不同的激励力作用于缸盖的相位不同，分离出这些激励力。图3是一个周期内缸盖振动的时域波形，说明缸盖的振动具有瞬态冲击响应的特点。根据上止点信号和内燃机配气定时规律，可以识别这些信号。
　　图3 缸盖响应时城信号
　　如图4所示，利用延迟触发和瞬态窗技术，可以分析出不同激励对缸盖振动的贡献。利用进排气阀的上述信号特征(频率4 - 6kHz，不同气阀动作时产生的冲击振动信号与上止点信号有不同的相位关系)，可以判断出究竟是哪个气阀出现了故障以及故障的严重程度。
　　图4 不同激励在缸盖上引起振动
　　(a)气缸爆压;(b)排气阀开;(c)排气阀落座;(d)进气阀落座
　　敲缸故障的诊断
　　敲缸是内燃机常见故障之一，是指曲柄机构振动与气体波动撞击气缸壁或气缸盖的异常现象。敲缸故障发生时，伴随着噪声和剧烈的振动，同时零件受力增加，严重影响内燃机的正常工作，造成机器使用寿命缩短。
　　一、 敲缸故障机理
　　图1是单缸柴油机点火示意图。由于活塞与气缸壁之间存在间隙，在推动活塞向顶部运动的力W和燃烧过程中气体产生的高压力P共同作用下，当曲轴转到使活塞刚过上止点后，便发生图1(b)所示的击缸现象。
　　图1 单缸柴油机点火示意图
　　在活塞撞击缸壁的瞬时，如不考虑摩擦力，连杆受力情况可用图1(c)表示。
　　由ΣFy=0知，Wsinα=P，由此可得 W=P/sina
　　由ΣFx=0知，Wcosα=F，由此可得 F=Pcosa/sina=Pcota
　　当曲轴刚转过上止点位置时，α角很小，而cotα值很大，因此作用于缸壁的力F比气体压力P大得多。
　　图2是气缸内气体压力P与曲轴转角之间的关系曲线。由图中可见活塞敲缸几乎与气体压力的最高点同时发生，两者共同作用便出现柴油机敲缸故障，但主要是活塞敲缸，而气体压力直接作用于缸盖的激励是次要的。
　　图2 缸内压力曲线
　　二、 故障原因
　　内燃机敲缸的主要原因如下：
　　(1)喷油提前角不正确;(2)喷油雾化不良;(3)给油量过大。
　　三、 敲缸故障信号的特征
　　图3是某内燃机车活塞缸体的振动信号时域波形和功率谱图，其中图(a)为正常情况;图(b)为严重敲缸时。
　　正常工作情况下，内燃机发火时的加速度响应幅值为0. 999V，时间延迟为7. 4ms，如图3(a)所示，加速度响应的功率谱成分在0 ～4.5kHz之间，响应的整个频率段可划为三个频带，即0～1.5kHz，1.5～3.0kHz，3.0～4.5kHz，而振动能量主要集中在第一、二频带。
　　图3 某机车内燃机敲缸故障信号与正常信号比较
　　发生轻微敲缸时，内燃机振动加速度响应幅值上升到正常状态的1.63倍，时间延迟为20ms，为正常状态的2.70倍。在频域内三个频带的功率谱峰值均比正常状态有明显增加。
　　当发生严重敲缸时，内燃机发火时的加速度响应值为4.860V，是正常状态的4.9倍，时间延迟为22.5ms，为正常状态的3.04倍。而在频域内，功率谱在三个频带的峰值都明显增加，特别是第一、二频带，分别比正常状态增加了24.9dB和23.9dB，如图3(b)所示。

四十不惑

拉缸故障的诊断

正常情况下，往复式压缩机或内燃机的曲轴和连杆轴颈等运动部件飞溅出来的润滑油落到气缸壁上，由于活塞的“泵油”作用，使活塞环、活塞及缸套表面形成一层极薄的油膜。这层油膜一方面使运动部件之间的摩擦系数降低，另一方面使相对运动的零件间建立起流体压力，以支承活塞环和活塞。如果油膜形成良好，便可以保证机器正常运转，否则会产生拉缸现象。
一、     故障机理
引起拉缸的原因比较多，但从拉缸的现象和机理分析，通常是由于活塞与气缸壁局部区域的油膜破坏所造成的。摩擦副表面产生的热量与其相对运动速度、作用压力和摩擦系数的乘积有关，摩擦产生的热量使局部区域温度升高，导致局部点状膨胀凸起。若这时如能及时得到润滑与冷却，就能将刚出现膨胀凸起的部分磨合掉；此时若不能得到良好的润滑与冷却，摩擦热会继续增长，热量又不能及时传出，会造成气缸与活塞过热，油膜完全破坏，使温度上升到高于金属粘附的临界温度时，凸起由点状发展成块状，硬质金属颗粒磨落成为磨料，加剧磨损的恶性循环，最终导致拉缸故障的发生。
拉缸可分为轻度拉缸和严重拉缸。轻度拉缸时，通常在气缸壁上有几条深约10μm左右的条状贯通拉伤痕迹，在排气口筋部及其上方或燃烧室附近有较大面积的拉伤痕迹，活塞环外表面只有局部拉伤条纹，在活塞裙部外表面无拉伤痕迹。严重拉缸时，在缸套工作表面会出现较大面积的拉伤痕迹，有非常明显的手触感，在活塞裙外表面有严重的较大面积的拉伤，甚至有明显的咬合痕迹，在这种情况下，很有可能发生抱缸故障，造成严重事故。
二、     故障原因
根据上述分析可知，造成拉缸故障的原因主要如下：
(1)设计间隙过小或新缸套、新活塞、新活塞环配合间隙过小，磨合时间不够即投入使用；
(2)材质不均匀、局部膨胀量过大；
(3)柴油机油温过高，润滑油黏度降低；
(4)润滑油位过低；
(5)润滑油脏或主油道有异物；
(6)润滑油中进水；
(7)润滑油泵故障；
(8)冷却机低温强迫起动；
(9)活塞环折断损坏。
三、     拉缸信号的特征及其分析
发生拉缸故障时，高频部分的能量变化较为显著。当内燃机活塞由下止点向上止点运动时，通过气缸套对气缸盖产生向上的冲击。由于在上止点处曲柄连杆机构侧压力换向，所以此时活塞对缸套的冲击最大，几乎与柴油机发火同步。柴油机出现拉缸故障后，油膜被破坏，活塞与缸套之间的摩擦比正常工作时大幅度增加，因此气缸盖向上的冲击力也有较大的增加。
图1所示，为某柴油机发生拉缸时的故障信号与正常信号的对比情况。正常工作时，柴油机发火时的加速度响应幅值为0.3860V，如图(a)所示。发生拉缸故障时，柴油机发火时的加速度响应幅值为0. 5042V，为正常时的1.31倍，如图(b)所示。
往复式压缩机或内燃机的气缸盖上振动加速度响应的功率谱分布在0～4.5kHz之间，大致可划分为如下三个频带：①0~1.5kHz；②1.5～3.0kHz；③3.0~4.5kHz。
正常工作情况下，能量主要均布在第一和第二个频带内，如图1（a）所示。
当柴油机拉缸时，第一和第二个频带比正常情况下略有增加，第三频带比正常时有所拓宽，而且能量也比正常时有明显增加，如图1(b)所示。

图1 某内燃机正常信号与拉缸故障信号对比

        发生拉缸故障后，缸套内壁油膜被破坏，活塞环与气缸套在油膜被破坏的区域成为干摩擦，金属表面被拉伤，粗糙度大大增加，因而活塞环对气缸套由于摩擦而产生的激励为高频激励，这就是功率谱中第三个频带比正常时有所拓宽、能量也有明显增加的原因。

主轴瓦拉伤故障的诊断

正常工作情况下，往复式压缩机或内燃机的曲轴与轴瓦之间的整个圆周上会形成一层均匀的油膜，该油膜可以避免曲轴与轴瓦之间的直接接触摩擦。而一旦油膜被破坏，曲轴与主轴瓦之间的干摩擦作用会造成主轴瓦表面损伤。
一、     故障机理与后果
一旦往复式压缩机或内燃机的曲轴与主轴瓦之间不能形成良好的油膜，就会出现干摩擦，造成拉瓦故障。轻则造成主轴瓦局部表面的合金层被磨掉，重则会使合金局部过热、变色甚至会使主轴瓦烧损、变形、辗片、合金层大片脱落，以致将曲轴主轴颈咬死，造成严重事故。
二、     故障原因
发生主轴瓦拉伤的原因是多方面的，实际生产应用表明，其主要原因如下：
(1)设计瓦量过小或轴瓦刮研不好，配合接触不良；
(2)油路部分堵塞，供油不足；
(3)润滑油进水；
(4)油温过高，润滑油黏度降低；
(5)机油滤清不良，有尘或其他异物。
三、     信号特征
主轴瓦拉伤是由于油膜破坏造成的，其最终结果是影响主轴的振动情况。因此，其故障信号中会在l×频及1/2 ×频、2×频处有所反映。
图1为主轴瓦拉伤故障信号与正常信号的对比，正常状态下主轴瓦的加速度响应时域信号和功率谱如图（a)所示。主轴瓦拉伤后，信号的峰-峰值比正常状态明显增大，信号的功率谱在1/2×转速频率处和lx转速频率处都有明显峰值，且比正常状态下的功率谱有明显增加。

图1  某内燃机正常信号与主轴瓦拉伤故障信号对比

往复机械常见故障与振动响应的关系

往复机械的振动特性比较复杂，虽然其绝大部分故障可以从振动信号中反映出来，利用振动监测与诊断技术可以有效地对往复机械的故障进行监测和诊断，但由于其对振动响应的复杂性，在监测与诊断过程中应考虑一些主要因素对振动响应的影响。以下以内燃机为例介绍往复机械常见故障与振动响应的关系。
一、     转速与负荷对振动响应的影响
一般情况下，随着转速的增加，测点的振动响应功率谱也随之增加。但是，由于各种激励受转速影响的程度不同，各频带内功率谱增加的程度也不同，甚至有时会出现一些频带内的功率谱随转速的增加而增加，而另一些频带内功率谱反而随转速的增加而减小，如图1所示。这主要是因为不同的激励源的频率响应的范围不同。

图1 转速变化对缸盖测点功率谱的影响     图2 负荷变化对缸盖测点响应功率影响

        负荷是对振动响应影响最大的因素之一，也是最复杂的因素之一，因为负荷变化对振动响应的影响与各机件的材料、负荷变化的快慢等许多因素有关。一方面，负荷增加会使机件振动增加；另一方面，负荷的增加会使各部件的温度增加，这样活塞与气缸之间的间隙以及其他运动连接件间的间隙会相应减小，因撞击引起的振动响应会有所减小。因此，在同一工作状态下，机件振动响应的变化不一样，有的可能使振动响应变大，有的可能使振动影响变小，如图2所示。
二、     传速函数的周期对振动响应的影响
在内燃机的工作过程中，活塞连杆的位置是周期性变化的，在不同的曲柄转角，活塞作用在气缸上的力和位置也是不同的，传递函数也是周期性变化的。因此活塞在不同位置，其振动响应是不同的。
三、     阻尼对振动响应的影响
内燃机的主轴与轴瓦之间，活塞与气缸之间以及活塞、连杆和轴承之间都存在油膜，油膜的阻尼对振动传递的影响是不可忽略的。对于主轴承，如果油压过高，油膜类似于一个硬弹簧；如果油压过低，油膜起不到阻尼的作用；冲击量的大小取决于油量。活塞与气缸之间的油膜阻尼对振动响应的影响也比较大，其大小取决于二者之间的间隙。
由于油膜的状态不一稳定，所以由于油膜阻尼的作用，振动响应是变化的。
四、     冲击对振动响应的影响
内燃机工作过程中存在各种各样的冲击激励，如气阀与阀座之间的撞击，包含有气体爆压冲击，进气阀开启、关闭冲击，排气阀开启、关闭冲击，而活塞与气缸之间存在着气体压力冲击，活塞横向的撞击等。由于每次撞击力的大小都具有不稳定性，所以引起的振动瞬态响应的幅值和持续时间也不相同。
五、      各种激励相互作用对振动响应的影响
柴油机工作中承受的各种各样的激励力几乎都是同时发生的，如活塞对气缸的撞击，活塞对连杆的撞击，以及喷油系统引起的撞击。这些同时发生的撞击在时域上的持续时间不同；在频域上，其谱结构和相位也不同。它们互相干扰对振动响应的影响非常大，有的使总的振动烈度加大，有的可能使振动烈度减小。而监测一般是在机身表面上进行的，因此，监测时应考虑测点布置的相对固定问题。在分析处理前，应明确激励时间，如气阀开关时间，喷油开始时间，燃烧爆炸时间等，同时应从多侧面和多种方法进行识别。
六、     辅助机械对振动响应的影响
内燃机一般都带有许多辅助机械，如高压泵、润滑油泵、冷却水泵、增压器、齿轮箱等。这些辅助机械在工作过程中产生的振动和结构噪声必然会从不同的路径传递到测点，干扰被测信号，有时甚至淹没所要提取的有用信号。
影响内燃机振动响应的因素是多方面的，在不同情况下各个因素对振动响应的影响也是不同的，在实际应用中应根据实际测得的信号采用不同的分析处理方法进行识别，以达到有效监测与准确诊断目的。


[ 本帖最后由 四十不惑 于 2007-1-12 23:48 编辑 ]

四十不惑

　　图1 缸盖在气阀冲击作用下的振动特征((a)缸盖外表面;(b)缸盖内表面 )
　　图2 缸盖响应的相干分析((a)缸盖振动一气体压力相干谱;(b) 自功率谱)

[ 本帖最后由 四十不惑 于 2007-1-14 15:52 编辑 ]

四十不惑

　　图3 缸盖响应时城信号
　　图4 不同激励在缸盖上引起振动((a)气缸爆压;(b)排气阀开;(c)排气阀落座;(d)进气阀落座)

四十不惑

　　图1 单缸柴油机点火示意图
　　图2 缸内压力曲线
　　图3 某机车内燃机敲缸故障信号与正常信号比较

四十不惑

　　图1 某内燃机正常信号与拉缸故障信号对比
　　图1 某内燃机正常信号与主轴瓦拉伤故障信号对比

四十不惑

　　图1 转速变化对缸盖测点功率谱的影响
　　图2 负荷变化对缸盖测点响应功率影响

四十不惑

我把文件上传上来了。往复机械常见故障与振动响应的关系

zhurq

谢谢分享。
其实，往复机械的诊断不是如大家所说的那么难的。譬如，内燃机的压力曲线可以直接判断点火提前角是否合适、是否爆燃、软点火、不点火、还可据此计算功率。压缩机的压力曲线经处理可以判断进、排气阀漏气，活塞环串漏、活塞杆反向角位置，还可准确计算功率、气量。十字头和活塞环磨损可以用位移传感器通过测量活塞杆沉降来准确确定。对于瓦的磨损，可以用光谱分析的方法。对于各缸之间的干扰，可以采用高频振动和超声波传感器实现，因为它们的频率高、波长短、穿透性强、抗干扰能力高、能很好分离各缸的信号。

vibanalyst

http://www.pmec.net/jczd/index.html里面有关于往复机械方面的。

dtjc-licz

学习学习:victory: :@)

johncui

抽空好好向上面专家学学。
:@P