机电设备故障诊断与维修技术

机电设备故障诊断与维修技术 第三章 机电设备故障诊断技术

第三章 机电设备故障诊断技术

第一节 概 述

一、故障诊断及其意义

故障诊断：识别机电设备运行状态的科学，它研究的对象是如何利用相关检测方法

和监视诊断手段，通过对所检测的信息特征的分析，判断系统的工况状

态。

1、工况：工作情况，工作状态。诊断技术实施的基础。

2、意义： B、采用合适的维修制度；

34、故障诊断的作用：

（1）预防事故，保障人身和设备安全

（2）推动设备维修制度的改革

（3）提高企业经济效益

二、故障诊断的分类

1、按目的分： A、功能诊断 B、运行诊断

2、按方式分： A、定期诊断 B、连续监控

3、按提取信息的方式分： A、直接诊断 B、间接诊断

4、按运行公况条件分： A、常规工况诊断 B、特殊工况诊断

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5、按诊断时间分： A、在线诊断 B、离线诊断

6、按功能分 ： A、精密诊断 B、简易诊断

三、故障诊断的主要工作环节(补充）

1、信息的采集

2、信息的分析处理

3、工况状态的识别正常与否

4、故障诊断、预测、决策对异常工况查明故障部位、性质、程度及发展趋势的预

测，并对其处理方案作出决策

四、简易的故障诊断方法 五、机电设备故障诊断的方法

1、振动诊断技术 2、噪声诊断技术 3、温度诊断技术

4、油液分析与诊断技术 5、无损检测技术 6、水平度的检测

第二节 振动诊断技术

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当机械设备内部发生异常时，设备就会出现振动加剧的现象。

一、定义：

以系统在某种激励下的振动响应作为诊断信息的来源，通过对所测得的振动

参量（振动位移、速度、加速度）进行各种处理，借助一定的识别策略，对机械设备的运行状态做出判断，进而对于有故障的设备给出故障部位、故障程度以及故障原因等方面的信息。是应用最广泛、最普遍的诊断技术之一。

二、机械振动及其测量

（一）机械振动

1、物体在平衡位置附近作往复的运动。

周期振动、非周期振动、窄带随机振动和宽带随机振动。

简谐振动：物体在跟偏离平衡位置的位移大小成正比，方向总是指向平衡

位置的回复力作用下的振动叫简谐振动。

2（二）振动测量

1、测量参数的选择：位移、速度和加速度

2、测量监测点的选择：

原则：此点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；此点采集的信号应能对设备振动状态做出

全面的描述。此外，选择监测点是还应考虑环境因素的影响，尽可能的避免

选择高温、高湿、出风口温度变化剧烈的位置作为测量点。

3、振动监测周期的确定

（1）定期巡检

（2）随机点检

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（3）长期连续监测

4、振动监测判断标准的确定

（1）绝对判断标准

（2）相对判断标准

（3）类比判断标准

三、振动诊断的常用仪器

1、压电加速度传感器：某些电介质当沿一定方向对其施力使其变形时，会在它的

两个表面产生符号相反的电荷，外力去除后恢复不带电的状态，称为压电效应。

（1）应用：手提电脑的硬盘抗摔保护，数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，

用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的

聚焦。压电加速度传感器还应用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引

控制系统等安全性能方面 。

灵敏度是压电加速度传感器应用时候要考虑到得重要因素之一 。

（2）安装方法：

1) 采用钢螺栓固定，是使共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。

螺栓不得全部拧入基座螺孔，以免引起基座 变形，影响加速度计的

输出。

2) 在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。需要

绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来 固定加速度计，但垫圈应尽量

簿。

3) 用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上，也可用于低温（40℃

以下）的场合。

4) 手持探针测振方法在多点测试时使用特别方便，但测量误差较大，

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重复性差，使用上限频率一般不高于 1000Hz。

5) 用专用永久磁铁固定加速度计，使用方便，多在低频测量中使用。

此法也可使加速度计与试件绝缘。

6) 用硬性粘接螺栓或粘接剂的固定方法也长使用。

2、电涡流传感器

涡流式传感器的变换原理,是金属导体在交流磁场中的涡电流效应。

电涡流传感器是对金属物体的位移、振动、转速等机械量进行检测和控制的理

想传感器。它具有非接触测量、线性范围宽、灵敏度高、抗干扰能力强、无介质影响、稳定可靠、易于处理等明显优点，广泛用于冶金、化工、航天等行业中，也可用于科研和学校实验中的位移、振动、转速、长度、厚度、表面不平度等机械量的检测。

第三节 温度诊断技术

温度是监测机电设备工作状态的一个重要特征量。

故障的一个明显特征就是温度的升高，同时温度的异常变化又是引发设备故障的一个重要因素。 即 故障↑→t↑→故障↑ 一、接触式测温

1、热电阻

定义：电阻值随温度变化的温度检测元件。

在温度变化时本身电阻也隨之发生变化。（热敏材料）工业热电阻的感温部

份是用电阻温度系数较大的金属丝（如铂丝、镍丝、铜丝等）均匀地双绕在绝

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缘材料制成的骨架上。

主要特点：测温范围宽、测温精度高、使用寿命长、安装使用方便

2、热敏电阻器

定义：电阻值随其电阻体温度的变化而显著变化的热敏元件。

热敏电阻器是电阻值对温度极为敏感的一种电阻器，也叫半导体热敏电阻

器。它可由单晶、多晶以及玻璃、塑料等半导体材料制成。这种电阻器具有一系列特殊的电性能，最基本的特性是其阻值随温度的变化有极为显著的变化，以及伏安曲线呈非线性。

3、玻壳型NTC热敏电阻器

NTC（Negative Temperature CoeffiCient）是指随温度上升电阻呈指数关

系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料。该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷，可制成具有负温度系数（NTC）的热敏电阻。其电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气氛、烧结温度和结构状态不同而变化。现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系NTC热敏电阻材料。

在电路电源接通瞬间，电路中会产生比正常工作时高出许多倍的浪涌电流，

而NTC热敏电阻器的初始阻值较大，可以抑制电路中过大的电流，从而保护其电源电路及负载。

当电路进入正常工作状态时，热敏电阻器由于通过电流而引起阻体温度上

升，电阻值下降至很小，不会影响电路的正常工作。

4、热电偶

有两种不同的导体组成闭合回路，当两点温度不同时，回路中有电动势产

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生。即热电效应。

如果热电偶的工作端与参比端存有温差时，显示仪表将会指示出热电偶产

生的热电势所对应的温度值。热电偶的热电动热将随着测量端温度升高而增

长，它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关，与热电极的长度、直径无关。

二、非接触式测量

根据热辐射原理进行测量

红外测量使用最广泛：定点测出远距离、小目标的相对温度，即温升 。

技术范围：

测温范围：低量范： -10—200℃

灵敏度：0.5℃

频谱范围：8—14μm

分辨率：低量范1℃；高量范2.5℃

零位校正：自动调整

工作距离：0-90米

环境温度：0-50℃

第四节 油样分析与诊断技术

油样分析技术是—种磨损颗粒分析技术。70年代开始应用于设备运行状态监浏和故障诊断。它是根据油样中磨损物质的成分、形态、尺寸、数量等来分析设备的磨损部位、磨损类型、磨损过程和磨损程度，并可对设备故障和寿命进行预测。

油样分析：在设备不停机、不解体的情况下抽取油样，并测定油样中磨损颗粒的特性，对机器零部件磨损情况进行分析判断，从而预报设备可能发生的故障的方法。

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（一）油样分析通常从以下几个方面进行 ：

（1）油样成分分析

（2）磨粒浓度分析

（3）磨粒形态分析

（二）、油样的采集

1、原则：

（1） Fe3O4始终在同一位置、同一条件、同一运行情况下采集；

（2）在过滤前，避免从死角、底部采集；

（3）在运行时或刚停机时采集。若在关机后采集，需油还处于热状态采样

（4）采油口、采油工具须洁净。采油软管只用一次。

2、周期：

（1）新运行或大修后的设备，采样时间要短。在第一个1000小时工作时间内

每隔250h采一次；

（2）正常运行期，每隔500h采一次；

（3）分析结果异常时，时间要短点。

3、采集方法：

采样主要工具是抽油泵、油样瓶和抽油软管。

（三）油样分析方法的分类及应用范围

油样分析：把铁质磨粒用磁性方法从油样中分离出来，在显微镜下或用肉眼

直接观察，以进行定性及定量分析。铁谱分析方法比其它诊断方法，如振动法，性能参数法等能更加早期地预报机器的异常状态，证明了这种方法在应用上的优越性 。

主要方法：

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1、磁塞法

2、颗粒计数器法

3、油样光谱分析法

4、油样铁谱分析法

（四）油样分析仪器

1、T2FM分析式铁谱仪

在磁场的作用下，由于磨粒之间的S极与N极相互吸引，从而使它们

在垂直于油液流动方向排列成链状，而已经排列成链状的磨粒因受磁力线和

磁场梯度等作用，与其上方继续沉积并排列成链状的磨粒将会相互排斥而分

开，故磨粒链之间会保持一定的距离。

技术参数：

最大可分离颗粒≤800μm

电源: 87～240伏交流电压50或60赫兹

尺寸: 31×46×34厘米

重量: 9.5公斤

2、YTZ-5 直读式铁谱仪

分析式铁谱仪非常相似，它们都是利用高梯度强磁场的原理来收集润滑

油样中的铁质磨粒。而不同之处在于分析式铁谱仪能在显微镜下观察研究磨

料的形貌，而直读式铁谱仪仅能测定磨粒的数量及其大致的尺寸分布。

3、旋转式铁谱仪

首先用油液注射器把的分析油样输送到置于回转圆形磁铁上方的方形玻

璃基片的中心，放置在磁铁上的基片和磁场装置会一起通过传动轴由可调速

的驱动电机带动回转，使滴在基片中心的油液迅速向四周流散，油液中的磨

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粒在圆形磁铁磁场力和离心力的作用下，按其尺寸大小沉积排列在基片上，

分别形成内、中、外三个同心沉积圆环。然后用清洗液注射管将清洗溶剂注

入到基片上，以清除基片上的残余油液。清洗后，继续转动谱片，以利于清

洗液迅速蒸发和谱片甩干，并将磨粒固定在基片上，这样就制作成了铁谱片。

之后，可以采用光学显微镜或扫描电镜等仪器来观察磨粒形貌和分析磨粒成

分，或者采用粒子计数器来测定铁谱片上磨粒的计数指标。

4、在线铁谱仪

在线铁谱仪可以直接安装在机器的循环润滑油路上，在现场实现在线检

测并实时显示润滑油中的磨粒浓度，以监测机器的状态。它克服了分析式和

直读式铁谱仪需从机器中先采取油样，再送到铁谱分析室进行分析的不足。

第五节 无损检测技术

一、无损检测技术概述

无损检测技术：在不破坏或不改变被检物体的前提下，利用物质因存在缺陷而

使其某一物理性能发生变化的特点，完成对该物体的检测与评价的技术手段的总称。

1、缺陷的产生

（1）在制造过程中产生

（2）在运行过程中

2、作用

3、应用

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（1）制造厂家的产品质量管理；

（2）用户订货的验收检查及设备使用与维护的安全检查。

二、检测方法：

（思考：日常生活中碰到过哪些无损检测方法？）

挑选西瓜时采用敲拍听声来判断西瓜好坏

在工业领域，目前最常用的有：

（3）渗透检测

1、超声波检测

用电振荡在发射探头中激发高频超声波，入射到被检物内部后，若遇到缺

陷，超声波会被反射、散射或衰减，再用接收探头接收从缺陷处反射回来（反射法）或穿过被检工件后（穿透法）的超声波，并将其在显示仪表上显示出来，通过观察与分析反摄波或透射波的时延与衰减情况，即可获得物体内部有无缺陷以及缺陷的位置、大小及其性质等方面的信息，并由相应的标准或规范判定缺陷的危害程度的方法。

2、射线探伤技术

常用于检测的射线有： X、γ、中子射线，因其易于穿透物质。射线检测（照

相法）的特点和适用范围

优点：几乎适用于所有的材料，检测结果（照相底片）可永久保存。对所

测试检查物体既不破坏也不污染。

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缺点：A、很难辨别缺陷的深度，要求在被检试件的两面都能操作，对厚的

试件曝光时间需要很长。

B、对人体健康（包括遗传因素）的损害作用。X射线在切断电源后

就不再发生，而同位素射线（如γ射线）是源源不断地发生的。

C、射线不只是笔直地向前辐射，它还可通过障碍物进行反射与透射

传播。

D、X射线装置是在几万乃至几十万伏高电压下工作的，注意防止意

外的高压危险。

3、磁粉探伤（增加）

（1）磁粉检测的基本原理有表面或近表面缺陷的工件被磁化后，当缺陷方

向与磁场方向成一定角度时，由于缺陷处的磁导率的变化，磁力线逸出工件表面，产生漏磁场，吸附磁粉形成磁痕。用磁粉探伤检验表面裂纹，与超声探伤和射线探伤比较，其灵敏度高、操作简单、结果可靠、重复性好、缺陷容易辨认。但这种方法仅适用于检验铁磁性材料的表面和近表面缺陷。

（2）磁粉检测的基本步骤

（1）预处理 去油脂、涂料以及铁锈等。

（2）磁化

（3）施加磁粉

（4）观察与记录

（5）后处理退磁、除去磁粉和防锈处理。

三、常用仪器：

1、手持式超声检测仪 2、超声探伤仪

主要功能：

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1、轴承检查和润滑失效的监测超声波多功能探测仪能够监测轴承磨损和润滑

失效的先兆

2、机械故障诊断超声波多功能探测仪可以对各类运行设备进行常规检查，如

泵的涡空，阀的泄漏和齿轮的损坏故障等。

3、压力和真空检漏当一种气体(如空气、氧气、氦气等)通过漏孔时，形成一股

湍流，产生高频声波。用探测仪可接收到超声波信号，并且探测仪具有固定波段频率选择模式，能大大减少噪音的干扰。

第六节 噪声诊断技术(增加)

振动和噪声是机器在运行过程中不可避免的属性，它们的增加一定是故障引起。（通过敲击检测铁轨的情况）

一、声学基础

1、机械振动与声

声波： 是一种机械波。机械振动在媒质中的传播。

声波特征：频率、周期、波长、声速

声波范围：次声波 声波 超声波

<20HZ 20～20000HZ >20000HZ

2、声音的主要特征量 声压、声强、频率，质点振速和声功率等，其中声压和声

强是两个主要参数，也是测量的主要对象。

二、噪声测量仪

1、传声器 将声压信号转换为电压信号

2、放大器 进行阻抗变换

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3、记录器，以及分析装置等。进行故障定位和现场条件下的声功率级的 确定。

三、噪声测量

1．声级计 是现场噪声测量中最基本的噪声测量仪器，可直接测量出声压 级。

2．声强测量 用它可判断噪声源的位置，求出噪声发射功率。可在现场条 件下进

行声学测量和寻找声源，具有较高的使用价值。

3．声功率的测量

声源声功率等于包围声源的面积乘以通过此表面的声强通量。 因此，可以用测量声强的方法计算声源声功率。

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