項目二設(shè)備故障診斷任務(wù)一振動、溫度監(jiān)測設(shè)備故障診斷與維修本課程直接目的和基本任務(wù)就是預(yù)防和排除事故，保證人身和設(shè)備的安全；設(shè)備安全十分重要，大型汽輪機、發(fā)電機、減速箱的安全不但關(guān)系到操作人員和企業(yè)財產(chǎn)安全，更關(guān)系到社會安定，航空航天設(shè)備的安全甚至關(guān)系到國家安全和科技發(fā)展。

學(xué)習(xí)目標(biāo)

研究故障現(xiàn)象，揭示故障本質(zhì)，探尋故障規(guī)律，是設(shè)備故障診斷的基礎(chǔ)。應(yīng)用測振儀、測溫儀、油樣分析儀、超聲波探頭等工具進(jìn)行設(shè)備故障診斷，監(jiān)測設(shè)備工作狀態(tài)或診斷設(shè)備故障，分析故障原因，確定故障源，為設(shè)備維修提供可靠依據(jù)。應(yīng)用設(shè)備故障診斷技術(shù)，診斷旋轉(zhuǎn)軸、滾動軸承、齒輪等故障，為設(shè)備拆卸、零件檢查、零件修復(fù)、設(shè)備恢復(fù)、功能檢查等維修工作確定了目標(biāo)。

知識目標(biāo)：

（1）掌握信號及特征信號的基本概念；

（2）掌握測振儀、測溫儀、油樣分析儀、超聲波探頭的使用方法；

（3）熟悉應(yīng)用故障診斷儀器進(jìn)行故障診斷的方法。

能力目標(biāo)：

（1）油樣分析

（2）超聲波探傷

（3）旋轉(zhuǎn)軸故障診斷

（4）

滾動軸承故障診斷

（5）齒輪故障診斷

課程目標(biāo)任務(wù)實施4任務(wù)描述1任務(wù)分析2知識準(zhǔn)備3知識拓展5監(jiān)測機器物理量變化、探究設(shè)備故障機理，尋找設(shè)備故障的特征物理量，是設(shè)備故障診斷的基礎(chǔ)。應(yīng)用測振儀、測溫儀可測量設(shè)備的振動、溫度信號，為機械設(shè)備故障診斷提供依據(jù)。任務(wù)描述應(yīng)用測振儀測溫儀油樣分析超聲波探頭任務(wù)分析了解信號的概念及分類1掌握振動測量儀原理及應(yīng)用2熟悉振動測量儀原理及應(yīng)用3知識準(zhǔn)備

通常把可測量、記錄、處理的物理量泛稱為信號，它們一般是時間的函數(shù)。動態(tài)信號是指要進(jìn)行分析處理的信號隨時間有較大的變化，不是近似直流信號的那種隨時間緩慢變化的信號。研究動態(tài)信號分析處理中的有關(guān)問題，尋找故障的特征信號，應(yīng)用儀器診斷設(shè)備故障，是設(shè)備故障診斷的基本方法。

1.信號轉(zhuǎn)換及傳感器

機械故障診斷中待研究的許多物理量如力、位移、轉(zhuǎn)角、噪聲等并不是容易測量、記錄、處理的物理量，通常使用各種傳感器將其轉(zhuǎn)換為電壓、電流等可測物理量。傳感器的種類很多。傳感器的技術(shù)參數(shù)主要有以下幾類：

（1）動態(tài)范圍

動態(tài)范圍指傳感器輸出量與物理輸入量之間維持線性比例關(guān)系的測量范圍。

（2）靈敏度

靈敏度指傳感器輸出量與物理輸入量之比

。

（3）動態(tài)特性

動態(tài)特性指傳感器的響應(yīng)時延、幅頻特性、相頻特性等。

（4）穩(wěn)定性

穩(wěn)定性指傳感器長時間使用后靈敏度、動態(tài)范圍、動態(tài)特性的變化小，重復(fù)精度高，否則要經(jīng)常進(jìn)行傳感器的標(biāo)定工作。

2.信號采集信號可用放大器放大，也可長距離傳輸。傳感器、放大器需滿足被測和放大信號穩(wěn)定性、靈敏度、動態(tài)特性、動態(tài)范圍的要求。故障診斷時，需采取各種處理技術(shù)措施排除噪聲信號，獲得有效的目標(biāo)信號。

3.信號分類

信號可分為確定性信號及非確定性信號，確定性信號是指可用數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的信號，可分為周期信號及非周期信號，正弦波、方波等是典型的周期信號，脈沖、半正弦脈沖等是典型的非周期信號。非確定性信號是指不能用數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的信號，也無法預(yù)知其將來的幅值，又稱為隨機信號，如電噪聲信號及在不平坦的道路上行駛的汽車，車內(nèi)產(chǎn)生的振動信號。信號還可按其取值情況分為模擬信號和數(shù)字信號。模擬信號一般都是連續(xù)的，而數(shù)字信號則是離散的。大多數(shù)傳感器輸出的信號是模擬信號，如各種壓電式、磁電式、電容式、電渦流式及霍爾效應(yīng)等類型的傳感器；少數(shù)傳感器輸出的信號是離散的，如測量轉(zhuǎn)動的圓光柵，其輸出信號為脈沖，通過脈沖計數(shù)確定轉(zhuǎn)過的角度。計算機只能處理數(shù)字信號，使用模擬／數(shù)字（A／D）轉(zhuǎn)換器后才能處理模擬信號。

4.特征信號的選擇機器在運行中能提供的信號很多，但不是每一種信號都對工況監(jiān)測有積極的意義。要選擇能實時采集的、且能敏感反映工況狀態(tài)變化的信號稱為特征信號。特征信號選擇時主要考慮：（1）信號的敏感性（2）在線（On-line）與實時性

振動測量儀器可分為袖珍式振動表、手持式振動儀、頻譜分析儀、計算機輔助狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等，如圖2-1所示。

最簡單的振動監(jiān)測是用簡易袖珍式振動表，在特定的頻率范圍內(nèi)測量振動信號。將其測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)或為每臺機器建立的參考值作比較。

用頻譜分析儀，可在早期檢測診斷并預(yù)示故障隱患?，F(xiàn)場進(jìn)行頻率分析，繪出頻譜圖。把即時頻譜與已記錄的參考頻譜進(jìn)行比較，評估機械設(shè)備工作狀態(tài)。

當(dāng)測試點的數(shù)量較多時，用計算機輔助比較系統(tǒng)較經(jīng)濟(jì)。每臺機器的振動樣本可以記錄在磁帶記錄器上，在實驗室進(jìn)行自動分析。

振動測量儀器及其應(yīng)用任務(wù)實施1圖2-1振動測量儀器圖2-2寬頻帶測量圖2-3窄帶分析和寬帶分析頻譜圖2-4設(shè)備參考頻譜與實測頻譜的比較圖2-5振動頻譜和現(xiàn)場動平衡

1.紅外測溫原理

（1）紅外線分類

紅外光譜的波段為0.76～1000μm，比可見光波段寬。為了研究和應(yīng)用的方便，根據(jù)紅外輻射與物質(zhì)作用時各波長的響應(yīng)特性和在大氣中傳輸吸收的特性，可把紅外線按波長劃分為四部分:

近紅外線－—波長為0.76～3μm；

中紅外線－—波長為3～6μm；

遠(yuǎn)紅外線－—波長為6～15μm

超遠(yuǎn)紅外線－—波長為15～1000μm。

紅外測溫儀在故障診斷中的應(yīng)用任務(wù)實施2目前，600℃以上的高溫紅外線儀表利用近紅外波段。600℃以下的中、低溫測溫儀表及熱成像系統(tǒng)多利用中、遠(yuǎn)紅外線波段，而紅外線加熱裝置則利用遠(yuǎn)紅外線波段。超遠(yuǎn)紅外線的利用尚在開發(fā)研究中。（2）斯蒂藩－波爾茨曼定律（Stefan-Boltzman）斯蒂藩－波爾茨曼定律描述了全輻射度M與溫度T的關(guān)系：（2-1）

此定律表明，全輻射度與絕對溫度的四次方成正比。當(dāng)溫度有輕微變化時，即可引起物體紅外輻射較大的變化。例如當(dāng)T=300K時，溫度每增加1K輻射功率將增加1.34％。這從理論上提供了紅外溫度監(jiān)測的可行性的基礎(chǔ)。

2.紅外測溫系統(tǒng)自輻射強度與溫度的關(guān)系發(fā)現(xiàn)后，紅外探測技術(shù)也就應(yīng)運而生了。特別是軍事和航天工程的迫切需要以及半導(dǎo)體物理學(xué)、光學(xué)、低溫技術(shù)和計算機技術(shù)的日益成熟，促進(jìn)了紅外探測技術(shù)的迅速發(fā)展。圖2-6是紅外測溫系統(tǒng)的組成示意圖，其主要組成：圖2-6紅外測溫系統(tǒng)的組成

（1）紅外探測器紅外探測器是紅外檢測系統(tǒng)中關(guān)鍵的部件，將接收的紅外輻射轉(zhuǎn)換成易于測量的電量，由于紅外輻射會產(chǎn)生熱效應(yīng)和光電效應(yīng)，因此就形成了熱探測器和光電探測器兩個大類的儀器。

（1）紅外探測器

1）熱敏探測器它是把某些物質(zhì)受到被測物體的紅外輻射的照射引起的溫度變化轉(zhuǎn)化為電量輸出來進(jìn)行測試的，而溫升的大小與入射能成正比。其優(yōu)點是對于各種波長的紅外輻射具有相同的響應(yīng)率，但一般響應(yīng)時間較長。圖2-7熱敏探測器響應(yīng)曲線

2）光子探測器它是一種半導(dǎo)體器件，其電特性為當(dāng)光子投射到這類半導(dǎo)體材料上時，電子―空穴對便分離，產(chǎn)生電信號。光電探測器對紅外輻射響應(yīng)時間極短。其缺點是光譜響應(yīng)范圍有限，如圖3-10所示。增強光子探測電活性的辦法是將探測器致冷，一般冷到液氮（－196℃）的低溫。圖2-8光電探測器響應(yīng)曲線

（2）

光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)分為望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡兩部分，是由一系列透鏡和反光鏡組成，其作用是把紅外輻射聚焦到探測器的敏感元件上，盡可能多地吸收輻射而使噪聲最小。

（3）

調(diào)制系統(tǒng)（調(diào)制盤）調(diào)制盤是一種運動的裝置，周期地阻斷從目標(biāo)到達(dá)探測器上的紅外輻射，這樣就使得探測器的輸出是一個交流信號，以便進(jìn)行放大處理。在調(diào)制系統(tǒng)內(nèi)，可在快門關(guān)閉的時間內(nèi)使探測器接受參考黑體的輻射，該參考黑體保持在已知的溫度上，從而可建立目標(biāo)輻射測量的基準(zhǔn)，以便進(jìn)行定量顯示。

（4）制冷系統(tǒng)制冷系統(tǒng)的作用有兩個：一是提高探測率，二是擴大探測器的工作波段。入射光子的能量要求大到一定程度，也即波長小到一定程度，才能使物質(zhì)內(nèi)部基本粒子實現(xiàn)運動狀態(tài)的躍遷。將敏感元致冷到接近0K時，可使探測器的熱能含量低到不因其自身溫度而自發(fā)躍遷的程度，但低能的入射光子（波長相對來說較長）也能足以激發(fā)電子的躍遷。紅外探測器的制冷方法主要是利用液體氣化時吸熱，常用氮氣致冷，氮氣的液體氣化的沸點為77K。

（5）顯示系統(tǒng)顯示系統(tǒng)包括示波器波形顯示、電視圖像顯示、照相成像、數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換和等溫圖打印顯示等。（6）掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng)是為顯示輻射體的形狀及溫度場而設(shè)置的，它是一個光學(xué)機械掃描系統(tǒng)。掃描成像示意圖如圖2-9所示。圖2-9紅外熱成像示意圖

3.紅外測量儀表紅外測溫儀表主要是指測量目標(biāo)表面某點溫度的紅外測溫儀。按其工作原理，紅外測溫儀可分為全輻射測溫儀、單色測溫儀和比色測溫儀三類。

4.紅外技術(shù)在設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用紅外測溫具有非接觸，響應(yīng)速度快，目標(biāo)溫度無擾動，測溫范圍寬等特點，因而發(fā)展很快。如列車紅外軸溫探測器。該探測器安裝在鐵路兩旁，列車通過時可自動記錄每個軸承箱的軸溫及其位置，并轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，對超出閾值的異常軸承箱可立即發(fā)出報警信號，并通知檢車人員進(jìn)行處理。這就徹底改變了過去依靠檢車人員“聽、摸、看、聞”的傳統(tǒng)方法，提高車檢效率。從紅外測溫到紅外成像是紅外技術(shù)的一個重大發(fā)展，它使紅外技術(shù)的應(yīng)用更加深入和廣泛。紅外熱成像技術(shù)還可用于軍事，如紅外夜視、紅外制導(dǎo)等，并在設(shè)備診斷方面日益顯示其重要作用。列車紅外軸溫探測器項目二設(shè)備故障診斷任務(wù)二油樣分析及超聲無損檢測設(shè)備故障診斷與維修任務(wù)實施4任務(wù)描述1任務(wù)分析2知識準(zhǔn)備3知識拓展5收集潤滑油液，通過油樣磨損粒的定性定量分析，判斷機器工作狀態(tài)。大型機器關(guān)鍵零件的裂紋是設(shè)備事故的隱患，應(yīng)用超聲波探傷儀，可排除設(shè)備事故隱患。油樣分析及超聲波探傷是設(shè)備故障診斷的有效手段。任務(wù)描述任務(wù)分析熟悉油樣分析方法1了解聲發(fā)射技術(shù)2掌握超聲波探傷技術(shù)3知識準(zhǔn)備

一、油樣分析圖2-10各種油樣分析方法的檢測效率

1.磁塞檢查法磁塞檢查法是在機器的油路系統(tǒng)中插入磁性探頭（磁塞），搜集油液中的鐵磁性磨粒，并定期進(jìn)行觀察以判斷機器的磨損狀態(tài)。該方法簡便易行，但對早期磨損故障的預(yù)報靈敏度較差。

2.顆粒計數(shù)器法顆粒計數(shù)器法是對油樣內(nèi)的顆粒進(jìn)行粒度測量，并按預(yù)選的粒度范圍進(jìn)行計數(shù)，從而得到有關(guān)磨粒粒度分布的信息，以判斷機器磨損的狀況。該方法所提供數(shù)據(jù)過于籠統(tǒng)，只能作為一種輔助方法。

3.油樣光譜分析法

（1）原子吸收光譜分析法（1）原子吸收光譜分析法（圖2-11）試樣被吸入燃燒頭，經(jīng)火焰加熱變成原子蒸汽。同時，元素?zé)簦ㄆ錈艚z是由待檢元素所制成）發(fā)射某一特定波長的光束穿過火焰，被基態(tài)原子所吸收。儀器的檢測系統(tǒng)測出吸光度，并換算成對應(yīng)元素的濃度。其精度可達(dá)到0.000001mm，但每測一種元素要換一種元素?zé)?，比較麻煩。（2)原子發(fā)射光譜分析法（圖2-12）用高壓電（15KV）直接激發(fā)樣品中的金屬雜質(zhì)，并對它們發(fā)射出的特性光譜進(jìn)行分析，顯示出金屬的種類及含量。發(fā)射光譜分析儀器價格昂貴，但分析速度快，分析20種元素時為40個樣品／h。圖2-11原子吸收光譜儀工作原理圖2-12發(fā)射光譜測定方法原理圖例如，某推土機變速箱油樣分析監(jiān)測。

4.油樣鐵譜分析法自1971年在美國出現(xiàn)第一臺鐵譜儀的樣機以來，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，至今已形成了分析式鐵譜儀、直讀式鐵譜儀、在線式鐵譜儀和旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀等四種鐵譜儀。其中前兩種比較成熟，應(yīng)用較為普遍。

（1）分析式鐵譜儀分析式鐵譜儀的工作原理：是將經(jīng)過稀釋后的油樣注入傾斜安放的玻璃基片上，油樣中的磨粒在磁場力的作用下沉淀在基片上，然后用雙色顯微鏡或掃描電子顯微鏡對磨粒進(jìn)行觀察或讀數(shù)。

圖2-13鐵譜儀的組成及工作原理1-油樣2-微量泵3-玻璃基片4-磁鐵5-導(dǎo)流管6-儲油杯

圖2-14雙色顯微鏡的光路原理1－半透膜反光鏡2－載物臺3－反射鏡4－檢偏器5－紅色濾光片6－起偏器7－反射光光源8－起偏器9－綠色濾光片10透射光源2）定性分析所謂定性分析主要是指對磨粒的形貌（包括形態(tài)特征、顏色特征、尺寸大小及其差異等）及成分進(jìn)行檢測和分析，以便確定故障的部位，識別磨損的類型，磨損的嚴(yán)重程度和失效的機理等。鐵譜顯微鏡光源在不同照明方式下進(jìn)行分析的方法。①白色反射光②白色透射光③雙色照明3）定量分析

定量分析的目的：是要確定磨損故障進(jìn)展的速度。因此定量分析主要是指對鐵譜基片上大、小磨粒的相對含量進(jìn)行定量檢測。方法：是檢測基片上不同位置上大、小磨粒的覆蓋面積所占的百分?jǐn)?shù)。檢測的設(shè)備：是利用聯(lián)裝在鐵譜顯微鏡上的鐵譜讀數(shù)器來完成的。鐵譜讀數(shù)器由光密度計和數(shù)字顯示部分所組成。

其中AL+AS是大、小磨粒覆蓋面積所占百分比之和，稱為磨粒濃度。其值越大表示磨損的速度越快。

AL-AS代表大于5μm以上磨粒在磨損進(jìn)程中所起的作用，稱為磨損烈度。它是磨損嚴(yán)重程度的反映。而磨損烈度指數(shù)Is則是以上兩者的組合。因而綜合反映了磨損的進(jìn)程和嚴(yán)重程度，即全面地反映了磨損的狀態(tài)。（2）直讀式鐵譜儀圖2-15直讀式鐵譜儀的組成及工作原理1－油樣2－毛細(xì)管3－沉積管4－磁鐵5－燈6－光導(dǎo)纖維7－光電探頭8－虹吸泵9－廢油10電子線路11－數(shù)顯屏圖2-16沉積齒輪箱的鐵譜片二、聲發(fā)射技術(shù)1.聲發(fā)射原理

二、聲發(fā)射技術(shù)

圖2-17聲發(fā)射信號的傳輸模型2.聲發(fā)射信號的傳輸

3.聲發(fā)射技術(shù)的特點聲發(fā)射與多數(shù)無損檢查方法的區(qū)別有：（１）多數(shù)無損檢查方法是射線穿透檢查，被檢零件處于靜止、被動狀態(tài)，而聲發(fā)射是動態(tài)檢查，只有被檢零件受到一定載荷、有開放性裂紋發(fā)生和發(fā)展的前提下才會有聲發(fā)射可以接收；（２）多數(shù)無損檢查方法是射線按一定途徑穿透試件，而聲發(fā)射是試件本身發(fā)射的彈性波。

4.聲發(fā)射技術(shù)測量參數(shù)在金屬材料的斷裂過程中，裂紋每向前擴展一步，就釋放一次能量，產(chǎn)生一個聲發(fā)射信號，于是傳感器就接收到一個聲發(fā)射波，我們稱它為一個聲發(fā)射事件。描述這種事件基本上用三種方法：事件計數(shù)法、信號幅度分布和頻譜。（1）事件計數(shù)法事件計數(shù)法通過聲發(fā)射事件的計數(shù)來描述。而計數(shù)常采用兩種計數(shù)方法，即聲發(fā)射事件的計數(shù)率和聲發(fā)射次數(shù)的總和。由圖可見，當(dāng)材料應(yīng)力達(dá)到屈服極限時，材料發(fā)射大量的聲發(fā)射脈沖，計數(shù)率有一峰值，而累計脈沖則直線增加。

圖2-18聲發(fā)射事件的表示方法X－微應(yīng)變1－應(yīng)力－微應(yīng)變曲線2－聲發(fā)射計數(shù)率－微應(yīng)變曲線3－累計脈沖計數(shù)率－微應(yīng)變曲線（2）幅度分布由力學(xué)知識可知，振蕩的能量與振幅的平方成正比。故聲發(fā)射信號的幅度可作為聲發(fā)射源釋放能量的量度。其值可采用峰值或有效值。一般情況下，對于材料受載斷裂的聲發(fā)射監(jiān)測，聲發(fā)射幅度的描述是用幅度分布來說明的。幅度分布就是按信號幅度的大小對聲發(fā)射信號進(jìn)行事件計數(shù)，又分為事件分級幅度分布法和事件累計幅度分布法。把儀器的動態(tài)范圍分為若干等級，每個等級有一定的電平范圍。若把聲發(fā)射事件按幅度的等級分別計數(shù)，就稱為事件分級幅度分布，如圖2-19所示。若把聲發(fā)射事件按超過各等級幅度的事件數(shù)進(jìn)行累計計數(shù)，則稱為事件累計幅度分布，如圖2-20所示。圖2-19事件分級幅度分布圖2-20事件累計幅度分布（3）頻譜對聲發(fā)射信號進(jìn)行功率譜分析時，需要考慮由于傳感器與被檢工件間的聲耦合問題。傳感器在聲發(fā)射頻帶內(nèi)的頻響特性、信號源和傳感器之間的傳遞通道及其相應(yīng)的傳遞函數(shù)使原始信號引起畸變。為此，人們采用27.6kPa壓力的氦噴嘴作為標(biāo)準(zhǔn)聲發(fā)射源（圖2-21）。首先測定接收傳感器對氦噴嘴的寬帶響應(yīng)譜，然后測定傳感器對樣件中聲發(fā)射的寬帶響應(yīng)譜,再將兩個譜圖相減，即可去除上述三個因素的影響，從而獲得所測信號的功率譜。圖2-21氦噴嘴的應(yīng)用5.聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用三、超聲波診斷法

1.超聲波故障診斷的基本原理（1）超聲波的發(fā)生與接收超聲波是在壓電材料，如石英、鈦酸鋇等晶片上施加高頻電壓后產(chǎn)生的。晶片把電的振蕩轉(zhuǎn)換為機械振動，并在介質(zhì)中進(jìn)行傳播。反之，將高頻振動（超聲波）傳到晶片上時，使晶片發(fā)生振動，這時在晶片的兩極間就會產(chǎn)生頻率與超聲波一樣,但強度與超聲波強度成正比的高頻電壓。圖2-22超聲波的產(chǎn)生（2）超聲波的種類作為一種彈性波，超聲波是靠彈性介質(zhì)中的質(zhì)點不斷運動進(jìn)行傳播的?？v波可以在固體、氣體和液體介質(zhì)中傳播。橫波只能在固體中傳播。圖2-23縱波、橫波和表面波（a）縱波（b）橫波（c）表面波

聲速C與波長λ、頻率f之間有如下的關(guān)系

C＝fλ（2-4）

例如，在鋼中，傳播頻率為1MHz的超聲波，如果是縱波，則其波長應(yīng)為5.9mm，頻率為2MHz的波長應(yīng)2.95mm；如果是橫波，則其波長分別為3.2mm和1.6mm。（3）超聲波的反射與穿透

1）垂直入射時的反射和穿透當(dāng)超聲波垂直傳到界面上時，一部分被反射，而剩余的部分就穿透過去。如果探頭與被檢物之間有空氣存在時，對超聲波實際不作傳遞，只有兩者之間涂滿了油或甘油等液體（耦合劑），才能使超聲波較好地傳播過去。

2）斜射時的反射和穿透當(dāng)超聲波斜射到界面上時，在界面上會產(chǎn)生反射和折射。通常，斜探頭采用的折射角為35°～80°，這時穿透率最好。（４）小物體上的超聲波反射當(dāng)超聲波碰到缺陷（即異物）或者空洞時，就會在那里反射和散射?？墒?，當(dāng)這些缺陷的尺寸小于波長的一半時，由于衍射的作用，波的傳播就與缺陷的是否存在沒什么關(guān)系了。因此，在超聲波探傷中缺陷尺寸的檢出極限為超聲波波長的一半。2超聲波診斷儀（1）超聲波探頭超聲波探頭實際上是一種機械能和電能互相轉(zhuǎn)換的換能器，大多數(shù)是利用壓電效應(yīng)制作的，其功能在于發(fā)生和接收超聲波。根據(jù)超聲波波型的不同，探頭可分為縱波探頭（又稱直探頭或平探頭）、橫波探頭（斜探頭）和表面波探頭等。根據(jù)診斷方法可分為接觸式和水浸式探頭。

圖2-25縱波探頭的結(jié)構(gòu)形式1－保護(hù)膜2－晶片3－阻尼塊4－外殼5－電極6－接地用金屬環(huán)圖2-26橫波探頭的結(jié)構(gòu)形式1－壓電晶片2－聲陷阱3－透聲楔4－阻力塊（2）超聲波診斷儀超聲無損檢測技術(shù)及其應(yīng)用

1.脈沖反射法

脈沖反射法是用一定持續(xù)時間、一定頻率發(fā)射的超聲脈沖進(jìn)行缺陷診斷的方法，其結(jié)果用示波管顯示。

診斷原理：是超聲脈沖經(jīng)耦合劑進(jìn)入工件，傳播到工件底面，如果工件底面光滑，則脈沖反射回探頭，聲脈沖又變換回電脈沖。儀器顯示屏上的時基線與激勵脈沖是同步觸發(fā)的，在時基線的始端出現(xiàn)“始波”T，當(dāng)探頭接收到底面反射波時，時基線上出現(xiàn)“底波”B。如果工件中有缺陷，探頭接收到的缺陷反射“傷波”F將顯示在時基線上，故可利用T、F、B之間的距離關(guān)系，判斷出缺陷的部位及其大小。

任務(wù)實施圖2-27脈沖反射垂直探傷原理設(shè)探傷面到缺陷的距離為x，材料厚度為t，于是在示波管上可以顯示出發(fā)射脈沖T到缺陷回波F處的長度LF，從T到底面回波B處長度LB。因為聲速在被檢查物中傳播是一個定值，因此可得下式：

圖2-27無損檢測圖形的觀察方法另外，因缺陷回波高度hF

是隨缺陷的增大而增高的，所以可由hF來估計缺陷的大小。當(dāng)缺陷很大時，可移動探頭，按顯示缺陷的范圍求出缺陷的延伸尺寸。

2.共振法應(yīng)用共振現(xiàn)象診斷工件缺陷的方法稱為共振法。探頭把超聲波輻射到工件上后，通過連續(xù)調(diào)整發(fā)射頻率，改變波長。當(dāng)工件的厚度為超聲波半波長的整數(shù)倍時，入射波和反射波相互迭加便產(chǎn)生共振。在測得共振頻率f和共振次數(shù)n后，可用下式計算工件厚度δ：式中，δ是試件厚度（mm）；c是超聲波在工件中的傳播速度（km/s）；f是共振頻率（MHZ）；λ是波長（mm）；n是共振次數(shù)。

3.穿透法

穿透法采用兩個探頭,一個探頭發(fā)射超聲能量，另一個探頭接收超聲能量。由于透過被檢零件的超聲能量取決于零件內(nèi)部的狀態(tài)，存在有嚴(yán)重的疏松或氣穴時，大部分能量就會反射或散射，因此另一探頭所接收到的能量就會有不同程度的減少，根據(jù)熒光屏上比較發(fā)射脈沖和接收脈沖的幅值A(chǔ)T與AR就可以判斷材料的粘結(jié)質(zhì)量和檢查出內(nèi)部的缺陷。圖2-28是探頭直接和被檢零件接觸的方式，圖2-29為用水作耦合劑的方式。

圖2-28接觸式穿透法圖2-29耦合劑式穿透法

4.管壁腐蝕監(jiān)測管道的管壁腐蝕情況是化工、煉油和動力廠設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測的重要項目，常用的方法是用回波脈沖法。這種方法只適用于外徑大于20mm的管道。圖2-30管道腐蝕的超聲波監(jiān)測

5.活塞狀態(tài)檢測

裂紋可能發(fā)生的區(qū)域如圖2-31所示。超聲探頭沿半徑方向在活塞頂部自A到M點移動時，檢查步驟：A、M-幅值定標(biāo)點，因此處厚度可測；1-無信號定標(biāo)點；2、3-當(dāng)活塞無裂紋時，應(yīng)從裙部反射超聲信號；S-無裂紋時應(yīng)為遠(yuǎn)信號，無回波。當(dāng)活塞上預(yù)計的裂紋區(qū)內(nèi)有裂紋時，從A到S各位置的探頭所發(fā)射的超聲回波可反映出現(xiàn)異常情況。圖2-31活塞裂紋的檢查可以看出,用超聲方法對活塞進(jìn)行現(xiàn)場探查有如下的優(yōu)點：

①靈敏度高，反應(yīng)快，可以迅速確定缺陷的位置；

②滲透力強，可以檢測原材料；

③只需從一個方向檢查活塞，不需拆開機器。超聲診斷目前被廣泛地應(yīng)用在鍛、鑄件的缺陷診斷、焊縫的缺陷診斷以及關(guān)鍵件的在線監(jiān)測上。項目二設(shè)備故障診斷任務(wù)三旋轉(zhuǎn)軸故障診斷設(shè)備故障診斷與維修任務(wù)實施4任務(wù)描述1任務(wù)分析2知識準(zhǔn)備3知識拓展5

旋轉(zhuǎn)軸是機械傳動的常用部件，旋轉(zhuǎn)軸不平衡、旋轉(zhuǎn)軸不對中、軸心變形會產(chǎn)生振動和噪聲，影響機械設(shè)備的工作狀態(tài)和機器的使用壽命，大型機械上出現(xiàn)上述故障時，會釀成事故，用振動頻譜分析方法，診斷旋轉(zhuǎn)軸故障現(xiàn)象，分析排除故障，保障機械設(shè)備運行。任務(wù)描述任務(wù)分析熟悉旋轉(zhuǎn)機械振動分析1了解旋轉(zhuǎn)機械監(jiān)測參數(shù)2掌握旋轉(zhuǎn)機械振動評定標(biāo)準(zhǔn)3熟悉旋轉(zhuǎn)機械故障診斷4知識準(zhǔn)備

一、機械振動

在機械故障的眾多診斷信息中，振動信號能夠更迅速、更直接地反映機械設(shè)備的運行狀態(tài)，據(jù)統(tǒng)計，70％以上的故障都是以振動形式表現(xiàn)出來的。

1.機械振動及分類旋轉(zhuǎn)機械振動情況可分成兩大類，如圖2-32所示。即穩(wěn)態(tài)振動和隨機振動。穩(wěn)態(tài)振動是指在某一時間t后，其振動波形的均值不變，方差在一定的范圍內(nèi)波動；而隨機振動是指信號的均值和方差都是時間函數(shù)。圖2-32機械振動的種類和特征

2.簡諧振動

簡諧振動是最基本的周期振動，各種不同的周期振動都可以用無窮個不同頻率的簡諧運動的組合來表示。簡諧運動的運動規(guī)律可用函數(shù)表示，即質(zhì)點的運動規(guī)律為

=Asin(2πft+φ)=Asin(ωt+φ)式中,y是質(zhì)點位移；t是時間；f是振動頻率；A是位移的最大值，稱為振幅；T是振動周期,為振動頻率f的倒數(shù)；ω是振動角頻率；φ是初始相位角。對應(yīng)于該簡諧振動的速度v和加建度a分別為綜上所述可見，速度的最大值比位移的最大值超前90°，加速度的最大值比位移最大值超前180°。

3.周期振動及其性質(zhì)波形按周期T重復(fù)相同，即y(t)=y(t+nT),n=0,1,2，……成立時，稱為周期振動。旋轉(zhuǎn)機械按固定的轉(zhuǎn)速運動，由于隨機干擾，也伴隨著許多隨機振動信息，所以，旋轉(zhuǎn)機械的振動過程是一個以周期振動為主的隨機過程。

根據(jù)函數(shù)的傅里葉級數(shù)展開定理，周期函數(shù)可以展開為傅里葉級數(shù)，即

由上可知，任何周期振動都可以看作是由簡諧振動疊加而成的，進(jìn)一步簡化可寫成y(t)=A0+A1sin(ωt+φ1)+A2sin(2ωt+φ2)+…+Ansin(nωt+φn)+…式中第一項A0為均值或直流分量，第二項A1為基本振動或基波，第三項A2以后總稱為高次諧波振動，如果系統(tǒng)中有隨機振動成分，某項的Ai,ωi,φi都是隨機變化的，由于旋轉(zhuǎn)振動時具有上述特性，故要用頻譜分析方法進(jìn)行研究。

4.時域―頻域分析時域和頻域是對同一給定信號從兩個不同的角度去觀察的簡稱，如圖2-33所示。在時域中，幅值-時間是分別用垂直軸和水平軸表示的兩維圖。在頻域中，是從時域端頭看的，幅值仍舊是垂直軸，但這水平軸表示頻率。這表明對于時域信號無論是正弦波，還是復(fù)合波，兩者是沒有差異的，因為后者可以用一系列正弦波表示。所以在幅值和周期或頻率已知條件下，是很容易從一個域轉(zhuǎn)換到另一個域的。簡單地說它們好像是從兩個相對位置成90°的窗口分別觀察一個信號。至于哪一個窗口為好，則應(yīng)取決于測量的目的和探測的對象。圖2-33時域-頻域

5.轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)機械在升降速過程中，在某個（或某幾個）轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)振動急劇增大的現(xiàn)象，有時甚至在工作轉(zhuǎn)速下振動也比較強烈。其振動原因往往是由于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)處于臨界轉(zhuǎn)速附近產(chǎn)生共振。在無阻尼的情況下，轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速等于其橫向固有頻率，因此轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速個數(shù)與轉(zhuǎn)子的自由度相等。對實際轉(zhuǎn)子來說，理論上有無窮多個臨界轉(zhuǎn)速，但由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速限制，往往只能有幾個臨界轉(zhuǎn)速。二、振動監(jiān)測及分析1.監(jiān)測參數(shù)(1)動態(tài)參數(shù)

1）振幅它表示振動的嚴(yán)重程度，可用位移、速度或加速度表示。常見振動傳感器的使用頻率范圍，見圖2-34。

2）振動烈度（即振動速度的方均根值）

3）相位圖2-34標(biāo)準(zhǔn)振動傳感器的測量范圍

1.監(jiān)測參數(shù)

（2）靜態(tài)參數(shù)1）軸心位置在穩(wěn)定情況下，軸承中心相對于轉(zhuǎn)軸軸頸中心的位置。2）軸向位置是機器轉(zhuǎn)子上止推環(huán)相對于止推軸承的位置。3）差脹指旋轉(zhuǎn)機械中轉(zhuǎn)子與靜子之間軸向間隙的變化值。4）對中度指軸系轉(zhuǎn)子之間的連接對中程度。5）溫度6）潤滑油壓反映滑動軸承油膜的建立情況。

2.旋轉(zhuǎn)機械振動故障分析（1）波特圖（Bodeplot）是機器振幅與轉(zhuǎn)速頻率，相位與轉(zhuǎn)速頻率的關(guān)系曲線，如圖2-9所示。（2）極坐標(biāo)圖是把上述幅頻特性和相頻特性曲線綜合在極坐標(biāo)上表示出來，如圖2-10所示。（3）軸心位置圖借助于相互垂直的兩個電渦流傳感器，監(jiān)測直流間隙電壓，即可得到轉(zhuǎn)子軸頸中心的徑向位置。如圖2-11所示。（4）軸心軌跡圖渦動運動的軌跡稱之為軸心軌跡如圖2-14所示。（5）頻譜圖振動信號絕大多數(shù)是由多種激勵信號合成的復(fù)雜信號，按照傅里葉分析原理，這種復(fù)雜信號可以分解為一系列諧波分量（即頻率成分），每一諧波分量又含有幅值和相位特征量。各個諧波分量以頻率軸為坐標(biāo)，按頻率高低排列起來的譜圖，就叫頻譜圖。各諧波分量分別以幅值或相位特征量來表示，分別稱為幅值頻譜（簡稱幅值譜）和相位頻譜（注意與波特圖的區(qū)別）。圖2-35波特圖a)頻率與振幅的關(guān)系b)頻率與相位的關(guān)系圖2-36極坐標(biāo)圖

圖2-37軸心位置圖振幅50μm/每讀數(shù)單位(逆時針旋轉(zhuǎn))

圖2-38幅值譜為了便于識別各頻率成分（包括基頻、倍頻及分?jǐn)?shù)倍頻等）與故障的聯(lián)系，常將頻譜圖的頻率軸（橫坐標(biāo)）改用工作頻率的倍數(shù)來表示，而縱坐標(biāo)仍表示幅值。這種譜圖稱為階比幅值譜。圖2-13為圖2-12的階比幅值譜。兩圖形狀相似僅在橫軸方向比例有所改變，因此兩者提供的診斷信息量相同。

圖2-39階比幅值譜

3.旋轉(zhuǎn)機械振動評定標(biāo)準(zhǔn)（1）軸承振動評定，這可以利用接觸式傳感器（例如磁電式振動速度傳感器或壓電式振動加速度傳感器）放置在軸承座上進(jìn)行測量。（2）軸振動值評定，這可利用非接觸式傳感器（例如電渦流式傳感器）測量軸相對于機殼的振動值或軸的絕對振動值。評定參數(shù)可用振動位移峰峰值和振動烈度（它代表了振動能量的大小）來表示。由上述兩表可以看出，轉(zhuǎn)速低，允許的振動值大；轉(zhuǎn)速高，允許的振動值小。

1.不平衡振動

（1）不平衡振動的特征轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡所產(chǎn)生的離心力始終作用在轉(zhuǎn)子上，它相對于轉(zhuǎn)子是靜止的，其振動頻率就是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速頻率，也稱為工頻（即工作頻率），在頻率分析時，首先要找的就是工頻成分。其特征（參見圖2-14）有:

旋轉(zhuǎn)軸故障診斷任務(wù)實施

圖2-40不平衡特征（a）頻譜（b）波形（c）軸心軌跡1）對于剛性轉(zhuǎn)子，不平衡產(chǎn)生的離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而在軸承座測得的振動隨轉(zhuǎn)速增加而加大，但不一定與轉(zhuǎn)速的平方成正比，這是由于軸承與轉(zhuǎn)子之間的振動耦合的非線性所致。2）在臨界轉(zhuǎn)速附近，振幅會出現(xiàn)一個峰值，且相位在臨界轉(zhuǎn)速前后相差近180°。3）振動頻率和轉(zhuǎn)速頻率一致，轉(zhuǎn)速頻率的高次諧波幅值很低，在時域上波形接近于一個正弦波。（2）固有不平衡由于各轉(zhuǎn)子殘余不平衡的累積、材質(zhì)不良、安裝不當(dāng)?shù)仍?，即使機組在制造過程中已對各個轉(zhuǎn)子作了動平衡，但是連接起來的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)還是存在固有不平衡。為消除質(zhì)量不平衡產(chǎn)生的振動，應(yīng)在平衡機或現(xiàn)場作靜平衡和動平衡試驗，加以校正。（3）轉(zhuǎn)子彎曲轉(zhuǎn)子彎曲有初始彎曲與熱彎曲之分。轉(zhuǎn)子的初始彎曲是由于加工不良、殘余應(yīng)力或碰撞等原因引起的，它將引起轉(zhuǎn)子系統(tǒng)工頻振動，通過振動測量并不能把它與轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡區(qū)分開來。而應(yīng)在低速轉(zhuǎn)動下檢查轉(zhuǎn)子各部位的徑向跳動量予以判斷。當(dāng)轉(zhuǎn)子彎曲不嚴(yán)重時也可以用平衡方法加以校正；當(dāng)彎曲嚴(yán)重時，必須進(jìn)行校正或更換。轉(zhuǎn)子熱彎曲是：1）由于轉(zhuǎn)子與靜子（如密封處）發(fā)生間歇性局部接觸，產(chǎn)生摩擦熱引起的轉(zhuǎn)子臨時性彎曲；2）轉(zhuǎn)子不均勻受熱或冷卻引起轉(zhuǎn)子的臨時性彎曲。其特點是轉(zhuǎn)子的振動隨時間、負(fù)荷的變化而在大小和相位上均有改變。因此，可通過變負(fù)荷或一段時間的振動監(jiān)測判斷轉(zhuǎn)子熱彎曲故障。防止熱彎曲一方面要減小使轉(zhuǎn)子不均勻受熱的影響因素，如啟停機時充分暖機，保證機組均勻膨脹；另一方面應(yīng)注意裝配間隙，各部件要有相近的線（膨）脹系數(shù)。（4）轉(zhuǎn)子部件脫落當(dāng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子上部件突然脫落時，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生階躍性的不平衡變化，其表現(xiàn)形式也是每轉(zhuǎn)一次的振動成分，使機組振動加劇。但由于轉(zhuǎn)子部件脫落不平衡矢量與原始轉(zhuǎn)子不平衡矢量的疊加，使合成的不平衡矢量在大小、相位和位置三方面均與原始轉(zhuǎn)子不平衡矢量發(fā)生了變化，因此，可通過測量相位進(jìn)一步診斷。（5）聯(lián)軸器精度不良圖2-41聯(lián)軸節(jié)精度不良引起的初始彎曲（a）端面偏擺（b）徑向偏擺

2．轉(zhuǎn)子不對中分類：如圖2-42所示。轉(zhuǎn)子不對中故障的主要特征（圖2-43）有：

圖2-42聯(lián)軸節(jié)的不對中（a）平行不對中（b）角度不對中（c）組合不對中圖2-43不對中的特征（a）頻譜（b）波形（c）軸心軌跡轉(zhuǎn)子不對中故障的主要特征有：

（1）改變軸承的支承負(fù)荷，使軸承的油膜壓力也隨之改變，負(fù)荷減少，軸承可能會產(chǎn)生油膜失穩(wěn)。

（2）最大振動往往在不對中聯(lián)軸器兩側(cè)的軸承上，且振動值與轉(zhuǎn)子的負(fù)荷有關(guān)，隨負(fù)荷的增大而增高。

（3）平行不對中主要引起徑向振動，振動頻率為旋轉(zhuǎn)頻率的2倍，同時也存在多倍頻振動。

3.動靜摩擦

在旋轉(zhuǎn)機械中，由于轉(zhuǎn)子彎曲、轉(zhuǎn)子不對中引起軸心嚴(yán)重變形，間隙不足和非旋轉(zhuǎn)部件彎曲變形等原因引起轉(zhuǎn)子與固定件接觸碰撞而引起的異常振動時有發(fā)生。摩擦分全圓徑環(huán)形摩擦和局部摩擦兩種，其特征（參見圖2-44和圖2-45）有：圖2-44徑向點觸摩擦?xí)r水平面內(nèi)的振動波形（垂直面內(nèi)接近正常為正弦）圖2-45碰撞彈回的摩擦軌跡動、靜摩擦的特征如下：

（1）振動頻帶寬，既有與轉(zhuǎn)速頻率相關(guān)的低頻部分，也有與固有頻率相關(guān)的高次諧波分量，并伴隨有異常噪聲，可根據(jù)振動頻譜和聲譜進(jìn)行判別。

（2）振動隨時間而變。在轉(zhuǎn)速、負(fù)荷工況一定，由于接觸局部發(fā)熱而引起振動矢量的變化，其相位變化與旋轉(zhuǎn)方向相反。

（3）接觸摩擦開始瞬間會引起嚴(yán)重相位跳動（大于10°相位變化）。局部摩擦?xí)r，無論是同步還是異步其軌跡均帶有附加的環(huán)。摩擦?xí)r，軸心軌跡總是反向進(jìn)動，即與轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向相反，由于摩擦還可能出現(xiàn)自激振動，自激的渦動頻率為轉(zhuǎn)子的一階固有頻率，但渦動方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反。項目二設(shè)備故障診斷任務(wù)四滾動軸承故障診斷設(shè)備故障診斷與維修任務(wù)實施4任務(wù)描述1任務(wù)分析2知識準(zhǔn)備3知識拓展5滾動軸承是機械設(shè)備中最常見也是最易損壞的零件之一，研究滾動軸承失效形式、探索滾動軸承故障診斷方法，監(jiān)測滾動軸承特征信號，保障機械設(shè)備的可靠運行。任務(wù)描述任務(wù)分析了解滾動軸承振動機理1熟悉滾動軸承振動信號測量2掌握滾動軸承故障診斷3知識準(zhǔn)備滾動軸承是機械設(shè)備中最常見也是最易損壞的零件之一。滾動軸承有很多損壞形式，常見的有磨損失效、疲勞失效、腐蝕失效、斷裂失效、壓痕失效和膠合失效。當(dāng)它出現(xiàn)隨機性的機械故障時，所產(chǎn)生的振幅相應(yīng)增加，如圖2-46所示。

1.滾動軸承的振動機理（1）軸承剛度變化引起的振動（2）由滾動軸承運動副引起的振動（3）滾動軸承元件的固有頻率（4）滾動軸承故障所產(chǎn)生的振動（圖2-47）（5）與滾動軸承安裝有關(guān)的振動（圖2-48、圖2-49）圖2-46軸承振動的時域信號(a)新軸承的振動波形(b)表面劣化后的振動波形圖2-47滾動軸承發(fā)生的沖擊振動圖2-48軸承與軸的歪斜狀態(tài)圖圖2-49因緊固過緊等原因經(jīng)起的振動2．滾動軸承振動信號檢測滾動軸承故障的振動識別必須以軸承本身的真實振動信號為依據(jù)。由于軸承異常所引起的振動受軸的旋轉(zhuǎn)速度、軸承損傷部分的形狀以及軸承和外殼振動系統(tǒng)的傳遞特征所左右。因而，在測取軸承振動信號時，無論測哪個方向的振動信號，傳感器都必須安置在軸承載荷區(qū)的中心。同時，要注意信號傳遞通道的影響，即必須考慮金屬結(jié)構(gòu)傳遞振動信號的通道性質(zhì)。由于傳感器都放在軸承座外面，為了消除傳遞通道的非線性影響，應(yīng)保證在軸承與傳感器之間直接傳遞的途徑，盡量保證沒有軸套、填料及螺栓連接一類的中間介質(zhì)。傳遞通道中的中間界面越多，對信號的歪曲越大。最好只有一個軸承座圈和軸孔間的界面。

滾動軸承的故障診斷

1.概率密度函數(shù)法

2.諧振信號接收法

3.頻譜分析法

（1）基頻識別

（2）諧頻識別

（3）倒頻譜法

4.包絡(luò)法

5.沖擊脈沖法

任務(wù)實施圖2-50幾種不同的概率密度函數(shù)圖圖2-51軸承故障分析圖圖2-52倒頻譜分析示意圖圖2-53低頻信號接收法和包絡(luò)法拾取信息過程圖2-54低頻信號接收法和包絡(luò)法得到