机械设备故障诊断实施技术概述,
机械故障诊断技术包括对机械零件、机械设备机械系统功能诊断和运行诊断定期诊断和连续诊断直接诊断和间接诊断常规诊断和特殊诊断简易诊断和精密诊断
1 振动诊断技术
2 无损诊断技术
3 温度诊断技术
4 润滑油样分析技术机械故障诊断技术的分类振动诊断技术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
1 压电加速度传感器某些电介质，当沿着一定的方向对其施力而使之变形时，其内部将发生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，电介质又重新恢复到不带电的状态。
介质的这种 机械能 转换为 电能 的现象即为 压电效应图 5-2 压电式加速度传感器典型结构
1一基座,2一压电元件,3一质量块,4一预紧弹簧
2 电涡流振动位移传感器电涡流传感器是一种新近研制成功的传感器，
它利用导体在交变磁场作用下的电涡流效应，
将 形变,位移 与 压力 等物理参量的改变转化为 阻抗、电感 等电磁参量的变化。
由于电涡流传感器具有灵敏度高、频响范围宽、测量范围大、抗干扰能力强、不受介质影响、结构简单以及非接触测量等优点，而被广泛地应用于各工业领域，
在汽轮发电机组、压缩机、离心机等大型旋转机械的轴振动、轴端窜动以及轴心轨迹监测中都有应用。
此外,电涡流传感器还可用于 测厚,测 表面粗糙度,无损探伤,测 流体压力,转速 等一切可转化为位移的物理参量，以及 硬度、温度 等。
5-3 电涡流传感器的工作原理图 5-4 CZF1型电涡流传感器结构图
2,电涡流传感器的结构高频反射式电涡流传感器目前被广泛应用，一般由传感器头部,壳体,固定电缆 和 接头 四部分组成在机械故障的振动诊断方法中,振动速度 也是一个经常需要观测的物理参量,因为 振动速度 与 振动能量 直接对应,而振动能量常常是造成振动体破坏的根本原因
3 磁电式速度传感器
4 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 。
4.1.2 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 三个过程数据采集的基本原理
Δ Δ Δ Δ
Δ
图 5-6 采样示意图序号项目 t1
t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12
采样值 1.75 2.34 -0.65 -1.66 1.68 1.05 1.40 2.55 2.05 -0.5 -1.95 -
1.73
量化值 1.80 2.20 -0.6 -1.8 1.80 1.0 1.40 2.60 2.20 -0.6 -1.80 -
1.80
量化误差
0.05 -0.14 0.05 -0.14 0.12 -0.05 0 0.05 0.15 0.1 0.15 -
0.07
编码值 12 13 6 3 12 10 11 14 13 6 3 3
二进制 110
0
1101 0110 0101 1100 1010 1011 1110 1101 0110 0101 0101
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
4.1.2.3 信号分析与处理设备理论上的各种数学运算必须借助一定的硬件设备才能真正得以实现,这就是信号的分析与处理设备 。
信号分析与处理设备分为两大类通用型 和 专用型所谓 通用型 信号分析与处理设备，是指由通用计算机硬件和基于其上的信号分析与处理软件组成的系统；
所谓 专用型 信号分析与处理设备，则是指除通用型之外的其他各种信号分析与处理设备。
信号处理的输出结果来看,
数据形式 的输出外,
图形 (二维 /三维,单色 /彩色 )输出功能,
从其体积或重量方面来看有的信号分析与处理设备因体积小、重量轻、供电方式灵活等而便于携带至现场使用
4.1.3 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
4.1.4 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
4.1.4.1 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。
不能运行驱 动 源齿轮装置 旋转机构 —— 轴,联轴节,键,轴承等严重损伤,折断齿轮轮体 —— 折断,严重变形,严重损伤齿轮轮齿 —— 折断,烧伤,严重变形,咬入异物齿轮箱体 —— 变形,有夹杂物动力源 —— 电源中断,燃料中断,电动机或内燃机故障其他组合磨损轮齿断裂齿面损伤轮体折断轮体变形轮体损伤松 动不对中不平衡油质劣化严重漏油油温升高密封不良精 度 差刚度不足尚能运行能耗增大磨损加剧严重漏油温度升高噪声异常振动增大振动增大振动增大振动增大振动增大振动增大齿面疲劳粘着撕伤齿面磨损烧 伤齿面塑性变形疲劳折断过载折断轮齿断裂轮齿塑性变形腐蚀磨损气蚀严重磨损断齿电蚀图 4-7齿轮装置故障原因分析齿轮加速时,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 4-8(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
4.1.4.3 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< 10Hz 以下时,将 位移级 作为诊断的判定标准,
2) 1Hz<f< 1KHz 的振动频带,推荐以一定的 速度级 为判定标准 ；
3) 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加速度传感器电荷放大器 积分器 频率分析带通滤波器 平均响应电荷放大器 普通滤波器 绝对值处 理 频率分析平均响应诊断对象齿轮低频域高频域
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。
T?
正常齿轮齿面严重磨损齿轮安装错位个别齿断裂图 4-12 齿轮在各种状态下的时域平均信号
5,功率谱分析
a) 有一个齿存在局部缺陷,以载频,2,3,……
为中心的一系列边频
b) 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 4-15 载荷对鬼线分量和啮合分量的影响
(a)轻载 （ b）满载
4.2 无损诊断技术
4.2.1 渗透检测
4.2.2 磁粉检测
4.2.3 涡流检测
4.2.4 射线检测
4.2.5 声发射检测
4.2.6 超声检测渗透检测是用黄绿色的荧光渗透液或者红色的着色渗透液来显示放大了的缺陷图像的痕迹,从而能够用肉眼检查出试件表面的开口缺陷的一种检测方法。
4.2.1.1渗透检测的简单原理由 渗透、清洗、显象、观察组成根据渗透液的不同色调，渗透检测大致可分为：
荧光渗透检测法 和 着色渗透检测法 两种荧光渗透检测法 是采用含 荧光材料的渗透液 进行检测，它用波长为 360nm 的紫外线进行照射，使缺陷显示痕迹发出黄绿色的光线，荧光渗透检测的观察必须在暗室中采用紫外线灯进行。
着色渗透检测法 是采用含 红色染料的渗透液 进行检测的，它在自然光或在白光下可以观察出红色的缺陷痕迹。与荧光渗透法相比，着色渗透检测法受场所、电源和检测装置等条件的限制较少。
特点,检测效率高、适用范围广、设备简单、
检测结果受表面粗糙度影响、对多孔性材料检测仍很困难。
4.2.2.1磁粉检测的简单原理
4.2.2 磁粉检测图 4-19 缺陷漏磁磁粉检测由 预处理、磁化、施加磁粉、观察、记录以及后处理
4.2.5 声发射检测声发射检测技术 是 上 世纪 50 年代 初兴起的一种新的无损检测方法 。 自从 1950 年德国科学家
Kaiser 发现了材料的声发射现象以来,人们对声发射技术的研究热潮先后传遍美 国,日本和欧洲一些国家 。 我国对声发射的研究起步于 1973年,
并首先就着眼于应用研究 。 几十年来,声发射技术已经在 压力容器的安全性检测与评价,焊接过程的监控和焊缝焊后的完整性 检测,核反应堆的安全性监测以及断裂力学研究 等诸多领域都取得了重要进展 。
4.2.5.1 声发射与检测金属材料由于内部晶格的位错，晶界滑移，或者由于内部裂纹的发生和发展，均要以 弹性波 的形式释放出应变能，这种现象称为 声发射。
各种材料声发射的频率很宽，从 次声频、声频到超声频 。所以，声发射也称作 应力波发射 。声发射是一种常见的物理现象，如果释放的应变能足够大，就产生听得见的声音，如 锡片受力弯曲时就可听见劈啪声,这就是锡受力产生孪生变形的声发射。
但多数金属材料受力发生塑性变形或断裂时的声 发射信号很微弱,人耳难以查觉,需要借助电子仪器放大处理后才能被检测出来。
4.2.5.2 声发射检测仪器声发射仪器的作用主要有三 个,即 接收声发射信号,处理信号,显示声发射数据 等仪器 。 按接收声发射信号的通道数目,声发射仪器分为三类,即 单通道声发射仪,双通道声发射仪,多通道声发射仪 。
传感器前置放大器滤波器 主放大器 信号形成 计数器 仪时基
4.2.5.3 声发射检测的应用在工业生产中,声发射检测主要应用在以下几方面：
(1)金属塑性变形的声发射分析
(2)评价表面渗层的脆性
(3)断裂韧性的声发射分析
(4)检测疲劳裂纹扩展此外,控制焊接质量,评价压力容器安全性,
泄漏监测,运转机械的状况监测,以及内部放电监测等都是声发射检验的典型应用场合 。
4.2.6 超声波故障诊断技术在声学中，人耳可听到的声波范围大致在 20Hz到
20kHz,低于 20Hz的称为 次声波,高于 20kHz 的就叫做 超声波 。用于探伤的超声波频率主要为 1～
5MHz。
电极伸缩晶片电压超声波探伤所用的高频超声波是在压电材料，如 石英、钛酸钡等晶片 上施加 高频电压 后产生的。在晶片的上、下两面都镀上很薄的 银层 作为 电极,在电极上加上 高频电压 后，晶片就在厚度方向上产生 伸缩 。这样就把 电的振荡 转换为 机械振动,并在介质中进行传播。
图 4-22 超声波波型
a)纵波 b)横波 c)表面波 d)非对称型板波 e)对称板波
a) b) 表面介质空气
平均平均
c) d)
e)
纵波横波空气介质表面
平均平均非对称板波对称板波表面波
4.2.6.5 超声波探头在超声波探伤中是实现电能和声能相互转换的关键元件入射点折射角直探头 斜探头脉冲反射法是用一定持续时间按一定频率发射的超声脉冲进行缺陷诊断的方法,其结果用示波管显示 。
4.2.6.6 超声波探伤方法
1、脉冲反射法振荡器探头接收器 示波管探伤面被检物缺陷探头 被检物缺陷
4.2.6.7超声波探伤的应用
4.3 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 。
4.3.1 接触式温度检测
4.3.2 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 0.4～ 0.7,红外线的波长范围相当宽，达 0.75～ 1000 。m?
m?
通常它又分为四类：
近红外,波长 0.75～ 3,
中红外,波长 3～ 6,
远红外,波长 6～ 15,
超远红外,波长 15～ 1000 。
m?
m?
m?
m?
4.3.2.2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。
光学系统调制系统放大器记录显示被测物体红外探测器图 4-32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 。
光学系统探测器在物体空间投影水平扫描器物体空间现场垂直扫描器探测器视频显示信号处理器图 4-35 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 4-36 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
4.3.2.3 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。
4.3.2.4 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
4.4 润滑油样分析技术
4.4.1光谱分析技术
4.4.1.1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 4-37 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。
oII
4.4.1.3原子吸收光谱分析法图 4-38 原子吸收分析装置示意图
1-空心阴极灯 2-火焰 3-分析油液 4-凸透镜 5-分光系统 6-光电倍增管 7-检波放大器
8-读数记录系统 9-调制电源 10-雾化器 11-光电倍增管电源 12-空气和助燃气 13-排废管
1,光源原子吸收所使用的锐线光源主要由 空心阴极灯 供给 。 它是由被测元素的 纯金属 做成的一个空心阴极,低压密封在一个圆柱形的玻璃筒内,其中充有约 2mm汞柱的惰性气体 (一般为 氖或氩
)。 当供给它适应的电流时,就可产生为原子吸收分析所需要的锐线光源 。
2,原子化系统原子化系统的作用是将测试祥品中的被测元素转变为 不化合
,不激发,不电离,不缔合 的自由基态原子 。 为达到原子化的目的,最常用的有火焰原子化系统及非火焰原子化系统两大类
。 火焰原子化系统包括喷雾器及燃烧器两部分 。
3,分光系统将非吸收线分离掉，使它不被接收器接收和放大，这可以由棱镜或光栅来完成。
4,接收放大系统接收放大系统主要由 接收器 —— 光电倍增管 及 检波放大器两部分组成 。 光电倍增管的作用是在接收的同时,将测定的特定接收线由 光信号 转变为 电信号,便于利用近代电子线路放大技术 。
5,读数系统经过接收放大的信号，必须把它显示或记录下来，通常用表头、记录器、数字显示或电传打字等来完成。此外，为了提高分析的准确性及自动化程度，分析装置还配有许多辅助设备。
4.4.2 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 。
4.4.2.1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 。
图 4-39 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 4-40 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
。
4.4.2.2 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。
LD SD
LA SA
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
(DL－ DS)或 (AL－ AS)来表征设备磨损的烈度
22))((
SLSLSLS DDDDDDI
对于直读式铁谱仪
22))((
SLSLSLS AAAAAAI
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。
N
DDS W P C SL
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,
%100?
SL
SL
DD
DDP L P
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,
① 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 ; ② 根据所绘制的磨损曲线，判断设备的磨损情况； ③ 依据磨粒尺寸的相对关系，判断设备发生剧烈磨损的程度； ④ 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。
机械故障诊断技术包括对机械零件、机械设备机械系统功能诊断和运行诊断定期诊断和连续诊断直接诊断和间接诊断常规诊断和特殊诊断简易诊断和精密诊断
1 振动诊断技术
2 无损诊断技术
3 温度诊断技术
4 润滑油样分析技术机械故障诊断技术的分类振动诊断技术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
1 压电加速度传感器某些电介质，当沿着一定的方向对其施力而使之变形时，其内部将发生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，电介质又重新恢复到不带电的状态。
介质的这种 机械能 转换为 电能 的现象即为 压电效应图 5-2 压电式加速度传感器典型结构
1一基座,2一压电元件,3一质量块,4一预紧弹簧
2 电涡流振动位移传感器电涡流传感器是一种新近研制成功的传感器，
它利用导体在交变磁场作用下的电涡流效应，
将 形变,位移 与 压力 等物理参量的改变转化为 阻抗、电感 等电磁参量的变化。
由于电涡流传感器具有灵敏度高、频响范围宽、测量范围大、抗干扰能力强、不受介质影响、结构简单以及非接触测量等优点，而被广泛地应用于各工业领域，
在汽轮发电机组、压缩机、离心机等大型旋转机械的轴振动、轴端窜动以及轴心轨迹监测中都有应用。
此外,电涡流传感器还可用于 测厚,测 表面粗糙度,无损探伤,测 流体压力,转速 等一切可转化为位移的物理参量，以及 硬度、温度 等。
5-3 电涡流传感器的工作原理图 5-4 CZF1型电涡流传感器结构图
2,电涡流传感器的结构高频反射式电涡流传感器目前被广泛应用，一般由传感器头部,壳体,固定电缆 和 接头 四部分组成在机械故障的振动诊断方法中,振动速度 也是一个经常需要观测的物理参量,因为 振动速度 与 振动能量 直接对应,而振动能量常常是造成振动体破坏的根本原因
3 磁电式速度传感器
4 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 。
4.1.2 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 三个过程数据采集的基本原理
Δ Δ Δ Δ
Δ
图 5-6 采样示意图序号项目 t1
t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12
采样值 1.75 2.34 -0.65 -1.66 1.68 1.05 1.40 2.55 2.05 -0.5 -1.95 -
1.73
量化值 1.80 2.20 -0.6 -1.8 1.80 1.0 1.40 2.60 2.20 -0.6 -1.80 -
1.80
量化误差
0.05 -0.14 0.05 -0.14 0.12 -0.05 0 0.05 0.15 0.1 0.15 -
0.07
编码值 12 13 6 3 12 10 11 14 13 6 3 3
二进制 110
0
1101 0110 0101 1100 1010 1011 1110 1101 0110 0101 0101
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
4.1.2.3 信号分析与处理设备理论上的各种数学运算必须借助一定的硬件设备才能真正得以实现,这就是信号的分析与处理设备 。
信号分析与处理设备分为两大类通用型 和 专用型所谓 通用型 信号分析与处理设备，是指由通用计算机硬件和基于其上的信号分析与处理软件组成的系统；
所谓 专用型 信号分析与处理设备，则是指除通用型之外的其他各种信号分析与处理设备。
信号处理的输出结果来看,
数据形式 的输出外,
图形 (二维 /三维,单色 /彩色 )输出功能,
从其体积或重量方面来看有的信号分析与处理设备因体积小、重量轻、供电方式灵活等而便于携带至现场使用
4.1.3 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
4.1.4 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
4.1.4.1 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。
不能运行驱 动 源齿轮装置 旋转机构 —— 轴,联轴节,键,轴承等严重损伤,折断齿轮轮体 —— 折断,严重变形,严重损伤齿轮轮齿 —— 折断,烧伤,严重变形,咬入异物齿轮箱体 —— 变形,有夹杂物动力源 —— 电源中断,燃料中断,电动机或内燃机故障其他组合磨损轮齿断裂齿面损伤轮体折断轮体变形轮体损伤松 动不对中不平衡油质劣化严重漏油油温升高密封不良精 度 差刚度不足尚能运行能耗增大磨损加剧严重漏油温度升高噪声异常振动增大振动增大振动增大振动增大振动增大振动增大齿面疲劳粘着撕伤齿面磨损烧 伤齿面塑性变形疲劳折断过载折断轮齿断裂轮齿塑性变形腐蚀磨损气蚀严重磨损断齿电蚀图 4-7齿轮装置故障原因分析齿轮加速时,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 4-8(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
4.1.4.3 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< 10Hz 以下时,将 位移级 作为诊断的判定标准,
2) 1Hz<f< 1KHz 的振动频带,推荐以一定的 速度级 为判定标准 ；
3) 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加速度传感器电荷放大器 积分器 频率分析带通滤波器 平均响应电荷放大器 普通滤波器 绝对值处 理 频率分析平均响应诊断对象齿轮低频域高频域
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。
T?
正常齿轮齿面严重磨损齿轮安装错位个别齿断裂图 4-12 齿轮在各种状态下的时域平均信号
5,功率谱分析
a) 有一个齿存在局部缺陷,以载频,2,3,……
为中心的一系列边频
b) 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 4-15 载荷对鬼线分量和啮合分量的影响
(a)轻载 （ b）满载
4.2 无损诊断技术
4.2.1 渗透检测
4.2.2 磁粉检测
4.2.3 涡流检测
4.2.4 射线检测
4.2.5 声发射检测
4.2.6 超声检测渗透检测是用黄绿色的荧光渗透液或者红色的着色渗透液来显示放大了的缺陷图像的痕迹,从而能够用肉眼检查出试件表面的开口缺陷的一种检测方法。
4.2.1.1渗透检测的简单原理由 渗透、清洗、显象、观察组成根据渗透液的不同色调，渗透检测大致可分为：
荧光渗透检测法 和 着色渗透检测法 两种荧光渗透检测法 是采用含 荧光材料的渗透液 进行检测，它用波长为 360nm 的紫外线进行照射，使缺陷显示痕迹发出黄绿色的光线，荧光渗透检测的观察必须在暗室中采用紫外线灯进行。
着色渗透检测法 是采用含 红色染料的渗透液 进行检测的，它在自然光或在白光下可以观察出红色的缺陷痕迹。与荧光渗透法相比，着色渗透检测法受场所、电源和检测装置等条件的限制较少。
特点,检测效率高、适用范围广、设备简单、
检测结果受表面粗糙度影响、对多孔性材料检测仍很困难。
4.2.2.1磁粉检测的简单原理
4.2.2 磁粉检测图 4-19 缺陷漏磁磁粉检测由 预处理、磁化、施加磁粉、观察、记录以及后处理
4.2.5 声发射检测声发射检测技术 是 上 世纪 50 年代 初兴起的一种新的无损检测方法 。 自从 1950 年德国科学家
Kaiser 发现了材料的声发射现象以来,人们对声发射技术的研究热潮先后传遍美 国,日本和欧洲一些国家 。 我国对声发射的研究起步于 1973年,
并首先就着眼于应用研究 。 几十年来,声发射技术已经在 压力容器的安全性检测与评价,焊接过程的监控和焊缝焊后的完整性 检测,核反应堆的安全性监测以及断裂力学研究 等诸多领域都取得了重要进展 。
4.2.5.1 声发射与检测金属材料由于内部晶格的位错，晶界滑移，或者由于内部裂纹的发生和发展，均要以 弹性波 的形式释放出应变能，这种现象称为 声发射。
各种材料声发射的频率很宽，从 次声频、声频到超声频 。所以，声发射也称作 应力波发射 。声发射是一种常见的物理现象，如果释放的应变能足够大，就产生听得见的声音，如 锡片受力弯曲时就可听见劈啪声,这就是锡受力产生孪生变形的声发射。
但多数金属材料受力发生塑性变形或断裂时的声 发射信号很微弱,人耳难以查觉,需要借助电子仪器放大处理后才能被检测出来。
4.2.5.2 声发射检测仪器声发射仪器的作用主要有三 个,即 接收声发射信号,处理信号,显示声发射数据 等仪器 。 按接收声发射信号的通道数目,声发射仪器分为三类,即 单通道声发射仪,双通道声发射仪,多通道声发射仪 。
传感器前置放大器滤波器 主放大器 信号形成 计数器 仪时基
4.2.5.3 声发射检测的应用在工业生产中,声发射检测主要应用在以下几方面：
(1)金属塑性变形的声发射分析
(2)评价表面渗层的脆性
(3)断裂韧性的声发射分析
(4)检测疲劳裂纹扩展此外,控制焊接质量,评价压力容器安全性,
泄漏监测,运转机械的状况监测,以及内部放电监测等都是声发射检验的典型应用场合 。
4.2.6 超声波故障诊断技术在声学中，人耳可听到的声波范围大致在 20Hz到
20kHz,低于 20Hz的称为 次声波,高于 20kHz 的就叫做 超声波 。用于探伤的超声波频率主要为 1～
5MHz。
电极伸缩晶片电压超声波探伤所用的高频超声波是在压电材料，如 石英、钛酸钡等晶片 上施加 高频电压 后产生的。在晶片的上、下两面都镀上很薄的 银层 作为 电极,在电极上加上 高频电压 后，晶片就在厚度方向上产生 伸缩 。这样就把 电的振荡 转换为 机械振动,并在介质中进行传播。
图 4-22 超声波波型
a)纵波 b)横波 c)表面波 d)非对称型板波 e)对称板波
a) b) 表面介质空气
平均平均
c) d)
e)
纵波横波空气介质表面
平均平均非对称板波对称板波表面波
4.2.6.5 超声波探头在超声波探伤中是实现电能和声能相互转换的关键元件入射点折射角直探头 斜探头脉冲反射法是用一定持续时间按一定频率发射的超声脉冲进行缺陷诊断的方法,其结果用示波管显示 。
4.2.6.6 超声波探伤方法
1、脉冲反射法振荡器探头接收器 示波管探伤面被检物缺陷探头 被检物缺陷
4.2.6.7超声波探伤的应用
4.3 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 。
4.3.1 接触式温度检测
4.3.2 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 0.4～ 0.7,红外线的波长范围相当宽，达 0.75～ 1000 。m?
m?
通常它又分为四类：
近红外,波长 0.75～ 3,
中红外,波长 3～ 6,
远红外,波长 6～ 15,
超远红外,波长 15～ 1000 。
m?
m?
m?
m?
4.3.2.2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。
光学系统调制系统放大器记录显示被测物体红外探测器图 4-32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 。
光学系统探测器在物体空间投影水平扫描器物体空间现场垂直扫描器探测器视频显示信号处理器图 4-35 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 4-36 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
4.3.2.3 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。
4.3.2.4 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
4.4 润滑油样分析技术
4.4.1光谱分析技术
4.4.1.1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 4-37 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。
oII
4.4.1.3原子吸收光谱分析法图 4-38 原子吸收分析装置示意图
1-空心阴极灯 2-火焰 3-分析油液 4-凸透镜 5-分光系统 6-光电倍增管 7-检波放大器
8-读数记录系统 9-调制电源 10-雾化器 11-光电倍增管电源 12-空气和助燃气 13-排废管
1,光源原子吸收所使用的锐线光源主要由 空心阴极灯 供给 。 它是由被测元素的 纯金属 做成的一个空心阴极,低压密封在一个圆柱形的玻璃筒内,其中充有约 2mm汞柱的惰性气体 (一般为 氖或氩
)。 当供给它适应的电流时,就可产生为原子吸收分析所需要的锐线光源 。
2,原子化系统原子化系统的作用是将测试祥品中的被测元素转变为 不化合
,不激发,不电离,不缔合 的自由基态原子 。 为达到原子化的目的,最常用的有火焰原子化系统及非火焰原子化系统两大类
。 火焰原子化系统包括喷雾器及燃烧器两部分 。
3,分光系统将非吸收线分离掉，使它不被接收器接收和放大，这可以由棱镜或光栅来完成。
4,接收放大系统接收放大系统主要由 接收器 —— 光电倍增管 及 检波放大器两部分组成 。 光电倍增管的作用是在接收的同时,将测定的特定接收线由 光信号 转变为 电信号,便于利用近代电子线路放大技术 。
5,读数系统经过接收放大的信号，必须把它显示或记录下来，通常用表头、记录器、数字显示或电传打字等来完成。此外，为了提高分析的准确性及自动化程度，分析装置还配有许多辅助设备。
4.4.2 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 。
4.4.2.1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 。
图 4-39 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 4-40 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
。
4.4.2.2 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。
LD SD
LA SA
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
(DL－ DS)或 (AL－ AS)来表征设备磨损的烈度
22))((
SLSLSLS DDDDDDI
对于直读式铁谱仪
22))((
SLSLSLS AAAAAAI
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。
N
DDS W P C SL
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,
%100?
SL
SL
DD
DDP L P
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,
① 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 ; ② 根据所绘制的磨损曲线，判断设备的磨损情况； ③ 依据磨粒尺寸的相对关系，判断设备发生剧烈磨损的程度； ④ 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。
