機(jī)電設(shè)備故障診斷與維修 課件 第0-2章 緒論、機(jī)電設(shè)備故障及零件失效機(jī)理、機(jī)械設(shè)備故障診斷

緒論機(jī)電設(shè)備故障診斷

與維修技術(shù)機(jī)電設(shè)備故障及零件失效機(jī)理機(jī)電設(shè)備故障診斷機(jī)械零件修復(fù)技術(shù)典型機(jī)械設(shè)備修理1234目錄Contents液壓系統(tǒng)維修6機(jī)床電氣設(shè)備維修數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人維修設(shè)備維修管理5780102掌握機(jī)電設(shè)備維修中常用量具和儀器的基本知識(shí)，熟悉機(jī)械、液壓、電氣設(shè)備等維修基本技術(shù)，熟悉典型機(jī)械設(shè)備的維修方法。（一）（二）課程介紹了解機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的工程應(yīng)用現(xiàn)狀和理論技術(shù)進(jìn)展，熟悉其基本原理，具備機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的基本技能。有利于提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。避免設(shè)備突發(fā)故障，把設(shè)備維修安排在對生產(chǎn)影響最小的時(shí)間段。01有效降低設(shè)備維修費(fèi)用。例如，智能故障診斷技術(shù)，可預(yù)測故障，減少拆機(jī)維修，降低停機(jī)時(shí)間、備品備件庫存和工人加班工資等。02一、機(jī)電設(shè)備故障診斷與維修工作的意義和新要求0304提高企業(yè)競爭力。適應(yīng)“邊設(shè)計(jì)、邊生產(chǎn)、邊采購”的生產(chǎn)組織狀態(tài)，有利于保證產(chǎn)品交貨期，提高企業(yè)競爭力。有利于預(yù)防事故，保證人身和設(shè)備安全，避免零部件失效導(dǎo)致的惡性事故等。更加重視現(xiàn)場設(shè)備簡易診斷方式的應(yīng)用多變量參數(shù)綜合監(jiān)測分析設(shè)備診斷向更廣更深的領(lǐng)域發(fā)展二、故障診斷技術(shù)的發(fā)展發(fā)展智能診斷技術(shù)基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程協(xié)作診斷技術(shù)二、故障診斷技術(shù)的新發(fā)展

簡易診斷方法容易掌握，便于推廣應(yīng)用，日常維修人員只要懂得一些基本方法即可開展對設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測。例如，可以將使用的設(shè)備根據(jù)功率大小為小型＜10kw、中型10~100kw及大型＞100kw三類，實(shí)際工作中，狀態(tài)檢測人員只要記下設(shè)備正常工作時(shí)的振動(dòng)平均幅值，即可根據(jù)相關(guān)手冊確定設(shè)備故障狀態(tài)。1.更加重視現(xiàn)場設(shè)備簡易診斷方式的應(yīng)用二、故障診斷技術(shù)的新發(fā)展

智能故障診斷技術(shù)把傳統(tǒng)的基于傳感器的故障診斷，轉(zhuǎn)變?yōu)榛谥悄芟到y(tǒng)的故障預(yù)測和監(jiān)控。它通過建立機(jī)內(nèi)與機(jī)外一體、前方與后方一體的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，利用狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和信息，借助故障模型和人工智能算法，預(yù)測重要和關(guān)鍵的零部件的可靠工作壽命，科學(xué)評估設(shè)備健康狀態(tài)，預(yù)測故障發(fā)生概率，管理設(shè)備健康狀態(tài)。2.發(fā)展智能診斷技術(shù)二、故障診斷技術(shù)的新發(fā)展

通過監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行中多個(gè)狀態(tài)參數(shù)，如機(jī)械振動(dòng)、聲響、溫度、輸出功率、轉(zhuǎn)速和扭矩等，能夠進(jìn)一步提高故障診斷的準(zhǔn)確性。例如，滾動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的監(jiān)測，在多變量參數(shù)綜合監(jiān)測分析中，采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)，通過多個(gè)特征提取傳感器，獲取5種軸承狀態(tài)（健康狀態(tài)Normal、保持架斷裂、滾動(dòng)體剝落、內(nèi)圈剝落和外圈剝落）的時(shí)域振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行故障診斷分析。3.多變量參數(shù)綜合監(jiān)測分析二、故障診斷技術(shù)的新發(fā)展

基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程協(xié)作診斷技術(shù)是將設(shè)備診斷技術(shù)、信息傳感設(shè)備（如射頻識(shí)別裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等），與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，使用多臺(tái)計(jì)算機(jī)作為服務(wù)器，監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后在技術(shù)力量較強(qiáng)的科研院所建立分析診斷中心，為企業(yè)提供遠(yuǎn)程技術(shù)支持和保障。4.基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程協(xié)作診斷技術(shù)二、故障診斷技術(shù)的新發(fā)展

設(shè)備的效率診斷正在成為設(shè)備診斷的重要內(nèi)容。以通用水泵為例，水泵的壽命一般為10年，在其壽命費(fèi)用中，能源消耗約占95%，維修費(fèi)用占4%，購置費(fèi)占1%。水泵效率診斷的基本思想是，測量液體的壓力、溫度，進(jìn)行效率計(jì)算分析，確保水泵在最高效率處運(yùn)行。5.設(shè)備診斷向更廣更深的領(lǐng)域發(fā)展1423數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的維修可視化綠色維修技術(shù)越來越受到重視基于預(yù)測維修理論的智能維修大力發(fā)展基于風(fēng)險(xiǎn)的維修維修技術(shù)新發(fā)展三、維修技術(shù)與方式的新發(fā)展三、維修技術(shù)與方式的新發(fā)展1234預(yù)測性維修（PredictiveMaintenance，PDM）通過監(jiān)測的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，測量設(shè)備狀態(tài)，在分析設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)、識(shí)別即將出現(xiàn)的問題、評估設(shè)備故障模式、預(yù)計(jì)故障修理時(shí)機(jī)的基礎(chǔ)上制定維修策略，準(zhǔn)備維修資源，大大提高了維修效率，減少維修停機(jī)時(shí)間。綠色維修（GreenMaintenance）是綜合考慮環(huán)境影響和資源利用效率的現(xiàn)代維修模式，其目標(biāo)是在達(dá)到保持和恢復(fù)產(chǎn)品規(guī)定狀態(tài)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)滿足可持續(xù)發(fā)展的要求?；诰G色制造的設(shè)備維修技術(shù)能以最少的資源消耗，保持、恢復(fù)、延長和改善設(shè)備的功能，實(shí)現(xiàn)材料利用的高效率，減少材料和能源消耗，從而提升經(jīng)濟(jì)運(yùn)行質(zhì)量和效益。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的維修可視化系統(tǒng)包括維修維護(hù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控可視化、維修智能決策可視化和維修技能可視化。它通過分析對比企業(yè)設(shè)備整體可用度、維修費(fèi)用、備件庫存等變化趨勢，以及事后維修工單變化趨勢、點(diǎn)檢和預(yù)防性維修執(zhí)行情況等，并結(jié)合多發(fā)性故障、長停機(jī)故障和高成本故障的發(fā)生情況分析，評判維修管理對生產(chǎn)效率、盈利能力的保障程度，并識(shí)別出影響設(shè)備維修業(yè)績的薄弱環(huán)節(jié)?；陲L(fēng)險(xiǎn)的維修（Risk-basedMaintenance，RBM）是指在維修過程中，要充分考慮由信息的不確定性引起的維修過程風(fēng)險(xiǎn)，維修計(jì)劃及其實(shí)施過程要能根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。預(yù)測技術(shù)是基于風(fēng)險(xiǎn)的維修的核心，通過對被維修對象的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，并充分考慮不確定信息對預(yù)測結(jié)果的影響，通過合理配置資源，將各類風(fēng)險(xiǎn)降至最低。謝謝第一章機(jī)電設(shè)備故障及零件失效機(jī)理機(jī)電設(shè)備故障診斷

與維修技術(shù)概述機(jī)械零件的磨損金屬零件的腐蝕機(jī)械零件的變形1234目錄Contents機(jī)械零件的斷裂5概述第1節(jié)一、故障的含義從系統(tǒng)的觀點(diǎn)來看，故障包含兩層含義：一是機(jī)械系統(tǒng)偏離正常功能。其形成的主要原因是機(jī)械系統(tǒng)（含零部件）的工作條件不正常，這類故障通過參數(shù)調(diào)節(jié)或零部件修復(fù)即可消除，系統(tǒng)隨之恢復(fù)正常功能；二是功能失效。此時(shí)系統(tǒng)連續(xù)偏離正常功能，并且偏離程度不斷加劇，使機(jī)械設(shè)備基本功能不能保證，這種情況稱之為失效。一般零件失效可以更換，關(guān)鍵零件失效，則往往導(dǎo)致整機(jī)功能喪失。故障狀況是針對規(guī)定功能而言的。例如：同一狀態(tài)的車床，進(jìn)給絲杠的損壞對加工螺紋而言是發(fā)生了故障；但對加工端面來說卻不算發(fā)生故障，因?yàn)檫@兩種加工所需車床的功能項(xiàng)目不同。故障研究要明確以下問題故障狀況隨規(guī)定對象的變化而不同。規(guī)定對象是指1臺(tái)單機(jī)或某些單機(jī)組成的系統(tǒng)或機(jī)械設(shè)備上的某個(gè)零部件。不同的對象在同一時(shí)間將有不同的故障狀況，例如：在1條自動(dòng)化生產(chǎn)線上，某單機(jī)的故障造成整條自動(dòng)線系統(tǒng)功能喪失時(shí)，表現(xiàn)出的故障狀態(tài)是自動(dòng)線故障；但在機(jī)群式布局的車間里，就不能認(rèn)為某單機(jī)的故障是全車間的故障。010203故障狀況應(yīng)達(dá)到一定的程度，即應(yīng)從定量的角度來估計(jì)功能喪失的嚴(yán)重性。圖1.1機(jī)電設(shè)備故障演變過程分類依據(jù)故障名稱按故障性質(zhì)間歇性故障永久性故障按故障程度局部性故障整體性故障按故障形成速度突發(fā)性故障漸發(fā)性故障按故障形成原因操作或管理失誤形成的故障故障自然故障按故障造成的后果致命故障嚴(yán)重故障一般故障1.故障概率在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，機(jī)電設(shè)備發(fā)生故障的概率稱為故障概率，用F（t）表示。在規(guī)定時(shí)間內(nèi),無故障地完成其規(guī)定功能的概率,稱為故障概率，用R(t)表示。三、故障的規(guī)律（一）故障特征量2.故障率（1）瞬時(shí)故障率時(shí)間t時(shí)刻之前尚未發(fā)生故障,而在隨后的時(shí)間內(nèi)可能發(fā)生故障的條件概率，稱為故障率λ(t)，又稱失效率。（2）平均故障率產(chǎn)品在某一段時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間發(fā)生故障的概率，稱為平均故障率。3.平均故障間隔期（MTBF）可修復(fù)設(shè)備在相鄰兩次故障間隔內(nèi)正常工作時(shí)的平均時(shí)間，稱為平均故障間隔時(shí)間MTBF（MeanTimeBetweenFailure）。（二）故障率曲線三、故障的規(guī)律圖1.2故障率曲線機(jī)械零件的磨損第2節(jié)進(jìn)入此階段，摩擦條件發(fā)生較大變化，如潤滑條件改變、零件幾何尺寸發(fā)生變化、配合零件間隙增大、產(chǎn)生沖擊載荷等使磨損速率急劇增加。摩擦副表面具有微觀波峰，使得零件間實(shí)際接觸面積較小，接觸應(yīng)力很大，因此運(yùn)行時(shí)零件表面的塑性變形與磨損的速度很高。010203磨合階段OA一、零件磨損的一般規(guī)律穩(wěn)定磨損階段急劇磨損階段圖1.3磨損特性曲線磨損速率小且穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間較長。1.磨料磨損的機(jī)理摩擦副一個(gè)表面上的凸起部分和另一表面接觸，或者兩摩擦面間存在著硬的質(zhì)點(diǎn)，在發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)表面中的一個(gè)表面或兩個(gè)表面的材料發(fā)生轉(zhuǎn)移的磨損現(xiàn)象稱為磨料磨損。形式：鑿削式、高應(yīng)力碾碎式、低應(yīng)力擦傷式二、磨損的類型2.影響磨料磨損的主要因素（1）摩擦副

金屬材料硬度越高，耐磨性越好，馬氏體組織的材料耐磨性較高，而在相同硬度條件下，貝氏體又比馬氏體更耐磨，同樣硬度的奧氏體與珠光體相比，奧氏體的耐磨性要高得多。（2）磨料磨料磨損與磨料的粒度、幾何形狀、硬度有密切的關(guān)系。金屬的磨損量隨磨料尺寸增大而增加，但當(dāng)磨料增大到一定尺寸（臨界尺寸一般為60~100μm）時(shí)，磨損速率就基本保持不變了。棱角尖銳的磨料，比圓滑磨料切削能力更強(qiáng)，因此磨損速率較高；磨料硬度高，相對于摩擦表面材料硬度越大，磨損速率越高，磨損越嚴(yán)重。（3）壓力對磨損的影響磨損速率與壓力成正比。因?yàn)閴毫p小，磨料嵌入深度減小，作用在表面上的力也減小，所以磨損速率下降。

（一）磨料磨損1.疲勞磨損的機(jī)理摩擦副材料表面上局部區(qū)域在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下，產(chǎn)生疲勞裂紋，分離出微片和顆粒的一種磨損形式。有滾動(dòng)接觸疲勞磨損和滑動(dòng)接觸疲勞磨損兩種形式。滾動(dòng)軸承、傳動(dòng)齒輪等表面間的麻點(diǎn)和脫落現(xiàn)象屬于疲勞磨損。二、磨損的類型（二）疲勞磨損2.影響接觸疲勞磨損的主要因素

（1）材質(zhì)通常晶粒均勻、細(xì)小、碳化物成球狀均勻分布的組織，其抗疲勞裂紋產(chǎn)生的能力較強(qiáng)；材料內(nèi)部的缺陷，如鋼中存在非金屬夾雜物，則極易引起應(yīng)力集中，使夾雜物邊緣形成裂紋，從而降低材料的接觸疲勞強(qiáng)度；材料硬度在一定范圍內(nèi)增加，其抗疲勞磨損的能力也隨之增加。（2）接觸表面質(zhì)量減小表面粗糙度值、減小形狀誤差，可以均衡接觸應(yīng)力，從而有效提高抗疲勞磨損的能力。

（3）其他因素表面應(yīng)力大小、配合間隙大小、潤滑油使用過程中產(chǎn)生的腐蝕性介質(zhì)等都對疲勞磨損產(chǎn)生影響。1.黏著磨損的機(jī)理摩擦副在重載條件下工作，由于潤滑、運(yùn)動(dòng)速度、散熱等原因，摩擦副表面產(chǎn)生極高溫度，材料表面強(qiáng)度降低，使承受高壓的表面凸起部分相互粘著，繼而在相對運(yùn)動(dòng)中被撕裂下來，使材料從強(qiáng)度低的表面上轉(zhuǎn)移到材料強(qiáng)度高的表面上，造成摩擦副的災(zāi)難性破壞。二、磨損的類型（三）黏著磨損2.影響?zhàn)ぶp的主要因素（1）摩擦副表面材料成分與組織

構(gòu)成摩擦副的兩摩擦表面的材料，其互溶性越好，越易形成固溶體或金屬化合物，粘著傾向越大。同類金屬或原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)相近的材料，比性質(zhì)有明顯差異的材料更易發(fā)生粘著磨損。因此，在選擇摩擦副的材料時(shí)應(yīng)選用異種材料，且性質(zhì)差異越大越好。

（2）摩擦副表面狀態(tài)摩擦副表面潔凈、無吸附膜，易產(chǎn)生粘著磨損。金屬表面經(jīng)常存在吸附膜，當(dāng)有塑性變形后，金屬滑移吸附膜被破壞，或者溫度升高（一般認(rèn)為達(dá)到100——200℃時(shí)），吸附膜也會(huì)破壞。吸附膜破壞后，摩擦副兩表面直接接觸，因此極易導(dǎo)致粘著磨損的發(fā)生。

1.微動(dòng)磨損的機(jī)理兩個(gè)接觸表面之間沒有宏觀相對運(yùn)動(dòng)，但在外界變動(dòng)載荷影響下卻有小振幅的相對振動(dòng)（振幅小于100，一般為2-20），在這種情況下，表面間產(chǎn)生磨損現(xiàn)象。微動(dòng)磨損使金屬表面出現(xiàn)麻點(diǎn)或溝紋，這些麻點(diǎn)或溝紋的周圍有腐蝕產(chǎn)物。二、磨損的類型（四）微動(dòng)磨損2.影響微動(dòng)磨損的主要因素

（1）載荷微動(dòng)磨損隨載荷增加而增加，但當(dāng)載荷超過某一臨界值時(shí)，微動(dòng)磨損現(xiàn)象隨載荷的增加反而減少。原因是：當(dāng)載荷低于臨界值時(shí)，隨著載荷增加，微凸體塑性變形增加，使產(chǎn)生微動(dòng)磨損的區(qū)域擴(kuò)大，引起磨損速度增快；而當(dāng)載荷超過臨界值時(shí)，表層的塑性變形與次表層的彈性變形均增加，限制了表面之間的相對振幅，降低了沖擊效應(yīng)，即使發(fā)生粘著也不容易剪斷，中止了磨損過程。實(shí)踐中，常常運(yùn)用這一原理，用增大連接力或過盈量的方法來降低微動(dòng)磨損。（2）材質(zhì)性能提高材料硬度，合理選擇摩擦副材料可以減少粘著的發(fā)生，對防止微動(dòng)磨損有利。如當(dāng)硬度從180HBS提高到700HV時(shí)，微動(dòng)磨損可降低50%；經(jīng)過噴丸、滾壓、磷化、鍍鎘、鍍銅等處理的表面，也可降低或消除微動(dòng)磨損。

金屬零件的腐蝕第3節(jié)

金屬化學(xué)腐蝕是由單純化學(xué)作用引起的腐蝕。當(dāng)金屬零件表面材料與周圍的氣體或非電解質(zhì)液體中的有害成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，金屬表面形成腐蝕層，在腐蝕層不斷脫落又不斷生成的過程中，零件便被腐蝕了。與機(jī)械零件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的有害物質(zhì)主要是氣體中的O2、H2S、SO2等及潤滑油中某些腐蝕性產(chǎn)物。一、金屬零件的化學(xué)腐蝕

影響氧化磨損的主要因素是氧化膜的致密、完整程度以及其與基體結(jié)合的牢固程度，若氧化膜緊密、完整無孔、與金屬基體結(jié)合牢固則氧化膜的耐磨性就好，不易被磨掉，有利于防止金屬表面的腐蝕。

電化學(xué)腐蝕是一種復(fù)雜的物理與化學(xué)腐蝕過程。它是金屬與電解質(zhì)物質(zhì)接觸時(shí)產(chǎn)生的腐蝕，與化學(xué)腐蝕的不同之處在于腐蝕過程中有電流產(chǎn)生。二、金屬零件的電化學(xué)腐蝕形成電化學(xué)腐蝕的基本條件是：（1）有兩個(gè)或兩個(gè)以上的不同電極電位的物體或在同一物體中具有不同電極電位的區(qū)域，以形成正、負(fù)極；（2）電極之間需要有導(dǎo)體相連接或電極直接接觸，使腐蝕區(qū)電荷可以自由流動(dòng)；（3）有電解質(zhì)溶液存在。

形成電化學(xué)腐蝕的基本條件

這三個(gè)條件與形成原電池的基本條件相同。

原電池的工作過程是：作為陽極的鋅被溶解，作為陰極的銅未被溶解，在電解質(zhì)溶液中有電流產(chǎn)生。電化學(xué)腐蝕原理與此基本相同。因此，電化學(xué)腐蝕可定義為是具有電位差的兩個(gè)金屬極在電解質(zhì)溶液中發(fā)生的具有電荷流動(dòng)特點(diǎn)的連續(xù)不斷的化學(xué)腐蝕。常見的電化學(xué)腐蝕形式當(dāng)金屬零件或構(gòu)件表面出現(xiàn)均勻的腐蝕組織時(shí)，稱為均勻腐蝕。均勻腐蝕可以在液體、大氣或土壤中產(chǎn)生。，均勻腐蝕01金屬件的大部分表面不發(fā)生腐蝕或腐蝕很輕微，但是局部地方出現(xiàn)腐蝕小孔，并向深處發(fā)展的腐蝕現(xiàn)象。小孔腐蝕02當(dāng)腐蝕介質(zhì)進(jìn)入這些縫隙并處于常留狀態(tài)時(shí)，就會(huì)引發(fā)縫隙處的局部腐蝕?？p隙腐蝕03二、金屬零件的電化學(xué)腐蝕承受交變應(yīng)力的金屬機(jī)件，在腐蝕環(huán)境下發(fā)生疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命降低，乃至斷裂破壞的現(xiàn)象稱為腐蝕疲勞或腐蝕疲勞斷裂。腐蝕疲勞04三、氣蝕

當(dāng)零件與液體接觸并產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，接觸處的局部壓力低于液體蒸發(fā)壓力時(shí)，就會(huì)形成氣泡，這些氣泡運(yùn)動(dòng)到高壓區(qū)時(shí)，會(huì)受到外部強(qiáng)大的壓力被壓縮變形，直致壓潰破裂。氣泡在被迫潰滅時(shí)，由于潰滅速度高達(dá)250m/s，故瞬間可產(chǎn)生極大的沖擊力和高溫，在沖擊力和高溫的作用下，局部液體會(huì)產(chǎn)生微射流，此現(xiàn)象稱為水擊現(xiàn)象。若氣泡是緊靠在零件表面破裂的則該表面將受到微射液流的沖擊，在氣泡形成與破滅的反復(fù)作用下，零件表面材料不斷受到微射液流的沖擊，從而產(chǎn)生疲勞而逐漸脫落，初時(shí)呈麻點(diǎn)狀，隨著時(shí)間延長，逐漸擴(kuò)展成泡沫海綿狀，這種現(xiàn)象稱為氣蝕。當(dāng)氣蝕嚴(yán)重時(shí)，可擴(kuò)展為很深的孔穴，直到材料穿透或開裂而破壞，因此氣蝕又稱為穴蝕。

氣蝕是一種比較復(fù)雜的破壞現(xiàn)象，它不單有機(jī)械作用，還有化學(xué)、電化學(xué)作用，當(dāng)液體中含有雜質(zhì)或磨粒時(shí)會(huì)加劇這一破壞過程。氣蝕常發(fā)生在柴油機(jī)缸套外壁、水泵零件、水輪機(jī)葉片、液壓泵等處。1．減少與液體接觸的表面的振動(dòng)，以減少水擊現(xiàn)象的發(fā)生，可采用增加剛性、改善支承、采取吸振措施等方法。2．選用耐氣蝕的材料，如球狀或團(tuán)狀石墨的鑄鐵、不銹鋼、尼龍等。3．零件表面涂塑料、陶瓷等防氣蝕材料，也可在表面鍍鉻。4．改進(jìn)零件結(jié)構(gòu)，減小表面粗糙度值，減少液體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生渦流現(xiàn)象。5．在水中添加乳化油，減少氣泡爆破時(shí)的沖擊力。

減輕氣蝕的措施主要有：機(jī)械零件的變形第4節(jié)

彈性變形是當(dāng)外力去除后，能完全恢復(fù)的那一部分變形。

材料彈性變形后會(huì)產(chǎn)生彈性后效，即當(dāng)外力驟然去除后，應(yīng)變不會(huì)全部立即消失，而只是消失一部分，剩余部分在一段時(shí)間內(nèi)逐步消失，這種應(yīng)變總落后于應(yīng)力的現(xiàn)象就稱為彈性后效。彈性后效發(fā)生的程度與金屬材料的性質(zhì)、應(yīng)力大小、狀態(tài)以及溫度等有關(guān)，金屬組織結(jié)構(gòu)越不均勻，作用應(yīng)力越大，溫度越高，則彈性后效越大。通常，經(jīng)過校直的軸類零件過了一段時(shí)間后又會(huì)發(fā)生彎曲，就是彈性后效的表現(xiàn)。消除彈性后效現(xiàn)象的辦法是長時(shí)間回火，以使應(yīng)力在短時(shí)間內(nèi)徹底消除。一、彈性變形

塑性變形是指外力去除后不能恢復(fù)的那部分變形。

金屬零件的塑性變形從宏觀形貌特征上看有體積變形、翹曲變形和時(shí)效變形。體積變形是指金屬零件在受熱與冷卻過程中，由于金相組織轉(zhuǎn)變引起比容變化，導(dǎo)致零件體積脹縮的現(xiàn)象。翹曲變形就是指零件產(chǎn)生翹曲或歪扭的塑性變形，其翹曲的原因是零件發(fā)生了不同性質(zhì)的變形（彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉壓等）和不同方向的變形（空間X、Y、Z軸方向），此種變形多見于細(xì)長軸類、薄板狀零件以及薄壁的環(huán)形和套類零件。二、塑性變形01設(shè)計(jì)方面02加工方面

在充分考慮機(jī)構(gòu)功能和零件強(qiáng)度的同時(shí)，要重視零件剛度和變形問題以及零部件在制造、裝配和使用中可能發(fā)生的問題。如設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量使零件壁厚均勻，以減少熱加工時(shí)的變形；要盡量避免尖角、棱角，改為圓角、倒角，以減少應(yīng)力集中等。此外，還應(yīng)注意新材料、新工藝的應(yīng)用，以求改變傳統(tǒng)加工工藝，減少產(chǎn)生變形的可能性。

對熱加工毛坯，要特別注意殘余應(yīng)力消除問題。制造工藝中，要安排自然時(shí)效或人工時(shí)效工序，讓毛坯內(nèi)部的應(yīng)力得到充分釋放。

機(jī)械加工階段，要分粗、精加工兩個(gè)階段進(jìn)行。粗加工階段完成后，應(yīng)給零件安排一段存放時(shí)間，消除粗加工階段產(chǎn)生的應(yīng)力；對于高精度零件，還應(yīng)在半精加工后安排人工時(shí)效，徹底消除應(yīng)力。二、塑性變形減輕塑性變形危害的對策機(jī)械零件的斷裂第5節(jié)

斷裂是指機(jī)械零件在某些因素作用下，發(fā)生局部開裂或分裂為若干部分的現(xiàn)象。零件斷裂后形成的斷口能夠真實(shí)記錄斷裂的動(dòng)態(tài)變化過程。通過斷口分析，能判斷發(fā)生斷裂的主要原因，從而為改進(jìn)設(shè)計(jì)、合理修復(fù)提供有益的信息。按斷裂的原因可將斷裂分為脆性斷裂、疲勞斷裂、過載斷裂等。

一、脆性斷裂

脆性斷裂零件是斷裂前無明顯的塑性變形，發(fā)展速度極快的一種斷裂形式。脆性斷裂的發(fā)生具有突然性，是一種非常危險(xiǎn)的斷裂破壞形式。（1）金屬材料發(fā)生脆性斷裂時(shí)，一般工作應(yīng)力并不高，通常不超過材料的屈服點(diǎn)，甚至不超過許用應(yīng)力，所以脆性斷裂又稱為低應(yīng)力脆斷。（2）脆性斷裂的斷口平整光亮，斷口斷面大體垂直于主應(yīng)力方向，沒有或只有微小的屈服及減?。i縮）現(xiàn)象，表現(xiàn)為冰糖狀結(jié)晶顆粒。（3）斷裂前無征兆，斷裂是瞬時(shí)發(fā)生的。脆性斷裂的主要特征氫脆斷裂原因一、脆性斷裂氫壓致斷：金屬材料在冶煉、熱處理、軋制、鍛壓等過程中溶解了大量氫，冷卻后，材料中析出的氫分子和氫原子在內(nèi)部擴(kuò)散，并在材料中的微觀缺陷處或薄弱處聚集，形成壓力巨大的氫氣氣泡，在氣泡處出現(xiàn)裂紋。隨著氫擴(kuò)散——聚集過程繼續(xù)，氣泡進(jìn)一步生長，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)張，直至相互連接、貫通，最后引起材料過早斷裂。晶格脆化致斷：材料中的固溶氫和外界滲入的氫通過晶界擴(kuò)散，在晶界的薄弱處滯留、聚集，許多晶界的強(qiáng)度因此受到破壞。在這個(gè)過程中，氫原子的電子也會(huì)擠入金屬原子的電子層中，使金屬原子之間相互排斥，造成晶格之間的結(jié)合力的降低。在較低的工作應(yīng)力作用下，甚至在材料自身殘余應(yīng)力作用下，發(fā)生脆斷。氫腐蝕致斷：材料在熱軋、鍛造或熱處理等高溫（200℃以上）加工中，其內(nèi)部固溶氫和外界滲入的氫，與金屬材料中的夾雜物及合金添加劑起反應(yīng)生成高壓氣體，這些氣體在材料內(nèi)部擴(kuò)散轉(zhuǎn)移，晶界遭受破壞，最終導(dǎo)致脆性斷裂。二、疲勞斷裂疲勞裂紋擴(kuò)展階段：第一階段為切向擴(kuò)展階段，即在循環(huán)應(yīng)力反復(fù)作用下，表面裂紋沿最大應(yīng)力方向的滑動(dòng)面，向零件內(nèi)部逐漸擴(kuò)展。因最初的滑移是由最大剪應(yīng)力引起的，故擠入槽與擠出峰原始裂紋源均與拉伸應(yīng)力成±45o角方向擴(kuò)展。第二個(gè)階段為正向擴(kuò)展（亞臨界擴(kuò)展）階段，此階段裂紋的擴(kuò)展方向改變?yōu)檠嘏c正應(yīng)力相垂直的方向。

疲勞裂紋萌生階段：在交變載荷作用下，材料表層局部發(fā)生塑性變形，晶體產(chǎn)生滑移，出現(xiàn)滑移線或滑移帶，滑移積累以后，在表面形成微觀擠入槽與擠出峰。010203最終瞬斷（臨界擴(kuò)展）階段：裂紋在零件上擴(kuò)展深度達(dá)到一定值（臨界尺寸），零件殘余斷面不能承受其載荷，裂紋由穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展轉(zhuǎn)化為失穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展，整個(gè)斷面的殘余面積便會(huì)在瞬間斷裂。根據(jù)斷裂前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的多少，疲勞斷裂可分為高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞是指斷裂前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)在105以上，而承受的應(yīng)力則低于材料的屈服點(diǎn)，甚至低于彈性極限狀態(tài)下發(fā)生的疲勞，軸、彈簧等零部件的失效，一般屬于高周疲勞破壞。當(dāng)零部件斷裂前經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)在102—105時(shí)，稱為低周疲勞。低周疲勞的零部件，一般承受的循環(huán)應(yīng)力較高，接近或超過材料的屈服點(diǎn)。

金屬零件經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)載荷或交變應(yīng)力作用后引發(fā)的斷裂現(xiàn)象，稱為疲勞斷裂。機(jī)械零件使用中的斷裂有80%是由疲勞引起的。（一）疲勞斷裂的機(jī)理圖1-6在滑移帶形成的擠入槽與擠出峰二、疲勞斷裂疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)：該區(qū)是斷口上最重要的特征區(qū)，常呈貝紋狀或海灘波紋狀。每一條紋線標(biāo)志著載荷變化（如機(jī)器開動(dòng)或停止）時(shí)，裂紋擴(kuò)展一次所留下的痕跡。這些紋線以疲勞核心為中心向四周推進(jìn)，與裂紋擴(kuò)展方向垂直。疲勞斷口上的裂紋擴(kuò)展區(qū)越光滑，說明零件在斷裂前，經(jīng)歷的載荷循環(huán)次數(shù)越多，接近瞬斷區(qū)的貝紋線越密，說明載荷值越小。如果這一區(qū)域比較粗糙，表明裂紋擴(kuò)展速度快，載荷比較大。疲勞核心區(qū)：一般出現(xiàn)在強(qiáng)度最低、應(yīng)力最高、靠近表面的部位。但如材料內(nèi)部有缺陷，這個(gè)疲勞核心也可能在缺陷處產(chǎn)生。如承受彎扭載荷的零件，表面應(yīng)力最高，一般疲勞核心在表面。如果表面經(jīng)過了強(qiáng)化處理（如滾壓、噴丸等），則疲勞裂紋可移至表層以下。

零件在加工、貯運(yùn)、裝配過程中留下的傷痕，極有可能成為疲勞核心。疲勞核心的數(shù)目與載荷大小有關(guān)，特別是對旋轉(zhuǎn)彎曲和扭轉(zhuǎn)交變載荷作用下的斷口，疲勞核心的數(shù)目隨著載荷的增大而增多,可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的疲勞核心。010203瞬時(shí)斷裂區(qū)：簡稱靜斷口。它是當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)，發(fā)生快速斷裂形成的破斷區(qū)。它的宏觀特征與靜載拉伸斷口中快速破斷的放射區(qū)及剪切唇相同。瞬時(shí)斷裂區(qū)的位置和大小與承受的載荷有關(guān)，載荷越大則最終破斷區(qū)越靠近斷面的中間，破斷區(qū)的面積越小，則說明零件承受的載荷越小。

金屬零件經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)載荷或交變應(yīng)力作用后引發(fā)的斷裂現(xiàn)象，稱為疲勞斷裂。機(jī)械零件使用中的斷裂有80%是由疲勞引起的。（二）疲勞斷裂的斷口分析圖1-7疲勞斷口特征示意圖01設(shè)計(jì)方面02加工方面

優(yōu)化零件形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理選擇零件材料。幾何形狀不連續(xù)通常稱為缺口，如肩臺(tái)圓角、溝槽、油孔、鍵槽、螺紋、加工刀痕等；材料中的不連續(xù)通常稱為材料缺陷，如縮松、縮孔、非金屬夾雜物、焊接缺陷等。這些有應(yīng)力集中發(fā)生的部位在循環(huán)載荷或沖擊載荷的作用下，極易產(chǎn)生裂紋，并擴(kuò)展最終發(fā)生斷裂。第一，正確安裝，防止產(chǎn)生附加應(yīng)力與振動(dòng)。防止零件碰傷、拉傷，因?yàn)槊恳粋€(gè)傷痕都可能成為一個(gè)斷裂源。第二，保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，防止腐蝕性介質(zhì)侵蝕，防止零件各部溫差過大。第三，防止設(shè)備過載，嚴(yán)格遵守設(shè)備操作規(guī)程。第四，對有裂紋的零件及時(shí)采取補(bǔ)救措施。如鉆止裂孔或附加強(qiáng)筋板，防止和延緩裂紋擴(kuò)展；對緊固件周圍的裂紋采取“去皮處理”的方法，即鉸削去除緊固孔周圍所有的裂紋，再換用較大的緊固件。三、減少斷裂失效的措施03使用方面合理選擇零件加工方法。零件加工中的塑性變形、熱脹冷縮以及金相組織轉(zhuǎn)變等，使零件內(nèi)部留有殘余應(yīng)力（殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力）。殘余拉應(yīng)力對零件是有害的，而殘余壓應(yīng)力則對零件疲勞壽命的延長是有益的。因此，應(yīng)盡量多的采用可產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的工藝方法，如滲碳、氮化、噴丸、表面滾壓加工等，通過使零件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，抗衡由外載荷引起的拉應(yīng)力。謝謝第二章機(jī)械設(shè)備故障診斷機(jī)電設(shè)備故障診斷

與維修技術(shù)概述振動(dòng)診斷技術(shù)溫度診斷技術(shù)油樣分析與診斷技術(shù)1234目錄Contents無損檢測技術(shù)5概述第1節(jié)一、故障診斷及其意義

故障診斷的理論基礎(chǔ)是故障診斷學(xué)。故障診斷學(xué)是識(shí)別機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的科學(xué)，它研究的對象是如何利用相關(guān)檢測方法和監(jiān)視診斷手段，通過對所檢測的信息特征的分析，判斷系統(tǒng)的工況狀態(tài)，最終目的是將故障防患于未然，提高設(shè)備效率和運(yùn)行可靠性。它是提高機(jī)電設(shè)備運(yùn)行效率和可靠性、進(jìn)行預(yù)知維修和預(yù)知管理的基礎(chǔ)。

故障診斷技術(shù)實(shí)施的基礎(chǔ)是工況監(jiān)測，工況監(jiān)測的任務(wù)是判別動(dòng)態(tài)系統(tǒng)是否偏離正常功能，并監(jiān)視其發(fā)展趨勢，預(yù)防突發(fā)性故障的發(fā)生。工況監(jiān)視的對象是機(jī)械設(shè)備外部信息參數(shù)（如力、位移、振動(dòng)、噪聲、溫度、壓力、流量等機(jī)械狀態(tài)量）的狀態(tài)特征參數(shù)變化。各種工況監(jiān)測手段的應(yīng)用，振動(dòng)分析占比最大約達(dá)45%，紅外熱成像和油品分析均為15%，超聲監(jiān)測占比約10%。1．預(yù)防事故，保證人身和設(shè)備安全。通過故障診斷，可以減少或避免由于零部件失效導(dǎo)致的設(shè)備突然停止運(yùn)轉(zhuǎn)或其它突發(fā)性惡性事件的發(fā)生。

2．推動(dòng)設(shè)備維修制度的改革。故障診斷技術(shù)能夠幫助維修人員在故障早期發(fā)現(xiàn)異常，迅速查明故障原因，預(yù)測故障影響，實(shí)現(xiàn)有計(jì)劃、有針對性的按狀態(tài)檢修或視情檢修。從而做到在最有利的時(shí)間對設(shè)備進(jìn)行維修，提高檢修質(zhì)量，縮短檢修時(shí)間，減少備件儲(chǔ)備，將檢修次數(shù)減到最少，使設(shè)備的維修管理水平得到提高，改變以預(yù)防維修為主體的維修體制。3．提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。由于故障診斷技術(shù)的實(shí)施可以有效地降低發(fā)生故障時(shí)的經(jīng)濟(jì)損失（包括維修費(fèi)用、故障停機(jī)時(shí)間等），因而它可為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。如英國對2000個(gè)工廠的調(diào)查表明，采取設(shè)備故障診斷技術(shù)后，每年的維修費(fèi)用節(jié)約3億英鎊，除去診斷技術(shù)的投入費(fèi)用，凈獲利2.5億英鎊。

意義功能診斷和運(yùn)行診斷定期診斷和連續(xù)監(jiān)控直接診斷和間接診斷二、故障診斷的分類

故障診斷的方法是應(yīng)用現(xiàn)代化儀器設(shè)備和計(jì)算機(jī)技術(shù)來檢查和識(shí)別機(jī)電設(shè)備及其零部件的實(shí)時(shí)技術(shù)狀態(tài)，根據(jù)得到的信息分析判斷設(shè)備“健康”狀況的。由于機(jī)器運(yùn)行的狀態(tài)、環(huán)境條件各不相同，因此采用的故障診斷方法也不相同。這些診斷技術(shù)方法有多種分類形式。常規(guī)工況診斷和特殊工況診斷在線診斷和離線診斷精密診斷與簡易診斷三、故障診斷的主要工作環(huán)節(jié)

一個(gè)故障診斷系統(tǒng)由工況監(jiān)視與故障診斷兩部分組成，系統(tǒng)的主要工作環(huán)節(jié)如圖2·1所示。圖2·1工況狀態(tài)監(jiān)視與故障診斷系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)

由圖可知，故障診斷系統(tǒng)的工作過程可以劃分為四個(gè)主要環(huán)節(jié)，即信號(hào)獲取（信息采集）環(huán)節(jié)、信號(hào)分析處理環(huán)節(jié)、工況狀態(tài)識(shí)別環(huán)節(jié)和故障診斷環(huán)節(jié)。

1234根據(jù)具體情況選用適當(dāng)?shù)膫鞲蟹绞?，將能反映設(shè)備工況的信號(hào)（某個(gè)物理量）測量出來。如可利用人的聽、摸、視、聞或選用溫度、速度、加速度、位移、轉(zhuǎn)速、壓力、應(yīng)力等不同種類的傳感器來感知設(shè)備運(yùn)行中能量、介質(zhì)、力、熱、摩擦等各種物理和化學(xué)參數(shù)的變化，并把有關(guān)信息傳遞出來。工況狀態(tài)識(shí)別就是狀態(tài)分類問題，它的目的是區(qū)分工況狀態(tài)是正常還是異常，或哪一部分正常，以便進(jìn)行運(yùn)行管理。直接檢測信號(hào)大都是隨機(jī)信號(hào)，它包含了大量與故障無關(guān)的信息，一般不宜用作判別量，需應(yīng)用現(xiàn)代信號(hào)分析和數(shù)據(jù)處理方法把它轉(zhuǎn)換為能表達(dá)工況狀態(tài)的特征量。通過對信號(hào)的分析處理，找到工況狀態(tài)與特征量的關(guān)系，把反映故障的特征信息和與故障無關(guān)的特征信息分離開來，達(dá)到“去偽存真”的目的。對于找到的與工況狀態(tài)有關(guān)的特征量，還應(yīng)根據(jù)它們對工況變化的敏感程度進(jìn)行再次選擇，選取敏感性強(qiáng)、規(guī)律性好的特征量“去粗取精”。故障診斷主要任務(wù)是針對異常工況，查明故障部位、性質(zhì)、程度，綜合考慮當(dāng)前機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行工況、機(jī)組的歷史資料和領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)，對故障作出精確診斷。診斷和監(jiān)視不同之處是診斷精度放在第一位，而實(shí)時(shí)性是第二位。故障診斷系統(tǒng)工作過程：三、故障診斷的主要工作環(huán)節(jié)信號(hào)獲取

環(huán)節(jié)信號(hào)分析處理環(huán)節(jié)工況狀態(tài)識(shí)別環(huán)節(jié)故障診斷環(huán)節(jié)

故障簡易診斷通常是依靠人的感官功能（視、聽、觸、嗅等）或一些簡單的儀器工具，識(shí)別設(shè)備有無故障，明確故障的嚴(yán)重程度，作出故障趨勢分析等活動(dòng)。故障簡易診斷技術(shù)，充分發(fā)揮了領(lǐng)域?qū)＜矣嘘P(guān)機(jī)電設(shè)備故障診斷的技術(shù)優(yōu)勢，在對一些常見設(shè)備進(jìn)行故障診斷時(shí)，具有經(jīng)濟(jì)、快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。常用的故障簡易診斷方法主要有聽診法、觸測法和觀察法等。設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)生的聲響總是具有一定的音律和節(jié)奏的，利用這一特點(diǎn)，通過人的聽覺功能就能對比出設(shè)備是否產(chǎn)生了重、雜、怪、亂的異常噪聲，從而判斷設(shè)備內(nèi)部是否出現(xiàn)了的松動(dòng)、撞擊、不平衡等故障隱患；此外用手錘敲打零件，聽其是否發(fā)出破裂雜聲，可判斷有無裂紋產(chǎn)生。聽診法01用人手的觸覺可以監(jiān)測設(shè)備的溫度、振動(dòng)及間隙的變化情況。人手上的神經(jīng)纖維可以比較準(zhǔn)確地分辨出80℃以內(nèi)的溫度。零件間隙的變化情況可采用晃動(dòng)機(jī)件的方法來檢查。這種方法可以感覺出0.1~0.3mm的間隙大小。用手觸摸機(jī)件可以感覺振動(dòng)的強(qiáng)弱變化和是否產(chǎn)沖擊，以及滑板的爬行情況。觸測法02利用人的視覺，通過觀察設(shè)備系統(tǒng)及相關(guān)部分的一些現(xiàn)象，進(jìn)行故障診斷的。在把觀察得到的各種信息進(jìn)行綜合分析后，就能對設(shè)備是否存在故障、故障部位、故障的程度及故障的原因作出判斷了。觀察法03四、故障簡易診斷方法振動(dòng)診斷技術(shù)第2節(jié)一、機(jī)械振動(dòng)及其測量

振動(dòng)是衡量設(shè)備狀態(tài)的重要指標(biāo)之一，振動(dòng)引起的設(shè)備故障占各類故障的60%以上。振動(dòng)診斷就是通過對所測得的振動(dòng)參量（振動(dòng)位移、速度、加速度）進(jìn)行處理，借助一定的識(shí)別策略，對機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)作出判斷，給出設(shè)備故障部位、故障程度以及故障原因等方面的信息。有統(tǒng)計(jì)顯示，用振動(dòng)監(jiān)測方法可以發(fā)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障的34%，節(jié)約維修費(fèi)用70%；使用在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠增加設(shè)備運(yùn)行時(shí)間30%、延長設(shè)備壽命10%，減少非計(jì)劃檢修45%，減少庫存成本25%。

機(jī)械振動(dòng)是指物體在平衡位置附近作往復(fù)的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中常遇到的振動(dòng)有：周期振動(dòng)、非周期振動(dòng)、窄帶隨機(jī)振動(dòng)和寬帶隨機(jī)振動(dòng)，以及其中幾種振動(dòng)的組合。

衡量振動(dòng)強(qiáng)弱的參數(shù)有位移、速度和加速度。振動(dòng)測量參數(shù)的選擇應(yīng)該考慮振動(dòng)信號(hào)的頻率構(gòu)成和振動(dòng)后果兩方面因素。

（一）機(jī)械振動(dòng)一、機(jī)械振動(dòng)及其測量測量參數(shù)的確定(1)因?yàn)椋浩渲衋是加速度、v是速度、s是位移。三種測量參數(shù)的適用頻率范圍見表2·1表2·1按頻帶選定測量參數(shù)測量參數(shù)位移速度加速度適用頻帶0~100Hz10~1000Hz>1000Hz(2)從振動(dòng)后果方面考慮選擇監(jiān)測測量參數(shù)的原則：沖擊是主要問題時(shí)測量加速度；振動(dòng)能量和疲勞是主要問題時(shí)測量速度；振動(dòng)的幅度和位移是主要問題時(shí)測量位移。實(shí)際測量中，根據(jù)振動(dòng)后果選擇振動(dòng)監(jiān)測參數(shù)。表2·2根據(jù)振動(dòng)后果選擇振動(dòng)監(jiān)測參數(shù)的指南測量參數(shù)所關(guān)心的振動(dòng)后果舉例位移位移量或活動(dòng)量異常機(jī)床加工時(shí)的振動(dòng)現(xiàn)象、旋轉(zhuǎn)軸的擺動(dòng)速度振動(dòng)能量異常旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)加速度沖擊力異常軸承和齒輪的缺陷引起的振動(dòng)（3）測量參數(shù)選擇的另一個(gè)問題是振動(dòng)信號(hào)統(tǒng)計(jì)特征量的選用。有效值反映了振動(dòng)時(shí)間歷程的全過程；峰值只是反映瞬時(shí)值的大小，與平均值一樣，不能全面反映振動(dòng)的真實(shí)特性。因此，在評定機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)量級(jí)和診斷故障時(shí)，一般首選速度、加速度的有效值，只在測量變形破壞時(shí)，才采用位移峰值。一、機(jī)械振動(dòng)及其測量測量監(jiān)測點(diǎn)的確定

信號(hào)是信息的載體，如何選擇最佳的測量點(diǎn)并采取合適的檢測方法來獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的直接信息是一個(gè)非常重要的問題。

確定測量點(diǎn)數(shù)量及方向時(shí)應(yīng)考慮的總原則是：此點(diǎn)應(yīng)是設(shè)備振動(dòng)的敏感點(diǎn)；應(yīng)是離機(jī)械設(shè)備核心部位最近的關(guān)鍵點(diǎn)；應(yīng)是容易產(chǎn)生劣化現(xiàn)象的易損點(diǎn)；此點(diǎn)采集的信號(hào)應(yīng)能對設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)作出全面的描述。此外，選擇監(jiān)測點(diǎn)時(shí)還應(yīng)考慮環(huán)境因素的影響，盡可能地避免選擇高溫、高濕、出風(fēng)口溫度變化劇烈的位置作為測量點(diǎn)。振動(dòng)監(jiān)測周期的確定振動(dòng)監(jiān)測周期應(yīng)以能及時(shí)反映設(shè)備狀態(tài)的變化為基本原則來確定；312監(jiān)測周期定期巡檢隨機(jī)點(diǎn)檢長期連續(xù)監(jiān)測振動(dòng)監(jiān)測判斷標(biāo)準(zhǔn)分為旋轉(zhuǎn)機(jī)器振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)、往復(fù)機(jī)器振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)、其它專業(yè)機(jī)械振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)等。（二）振動(dòng)監(jiān)測判斷標(biāo)準(zhǔn)二、振動(dòng)分析

振動(dòng)分析就是將測量獲得的振動(dòng)信號(hào)中含有的與設(shè)備狀態(tài)有關(guān)的特征參數(shù)提取出來。振動(dòng)分析按信號(hào)處理方式的不同，分為時(shí)域分析和頻域分析。不同的振動(dòng)信號(hào)分析方法可從不同的角度觀察、分析信號(hào)，從而可根據(jù)不同需要得出各種信號(hào)處理結(jié)果，如圖2.3所示。圖2.3振動(dòng)頻譜圖二、振動(dòng)分析（一）時(shí)域分析方法

信號(hào)時(shí)域分析是在波形的幅值上進(jìn)行的，如計(jì)算波形的最大值、最小值、平均值、有效值等（圖2.4），也研究波形幅值的概率分布問題。信號(hào)的幅值是從總體上反映信號(hào)大?。◤?qiáng)弱）的特征參數(shù)，在幅域分析中，對波形幅值的研究通過峰值Xp、平均值、有效值Xrms（均方根值）及方差幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行。圖2.4振動(dòng)幅值參數(shù)（二）頻域分析方法

頻域分析是通過研究信號(hào)中包含的頻率成分，確定信號(hào)頻域機(jī)構(gòu)的方法，其分析結(jié)果是以頻率為自變量的各種物理量的譜線或曲線。振動(dòng)信號(hào)的頻域分析是機(jī)械故障診斷中信號(hào)處理最重要、最常見的分析方法。頻域分析就是把以實(shí)際為橫坐標(biāo)的時(shí)域信號(hào)通過傅里葉變換分解為以頻率為橫坐標(biāo)的頻域信號(hào)，從而求得關(guān)于原時(shí)域信號(hào)的幅值和相位信息的一種分析方法。它通過對給各頻率成分的分析，對照機(jī)器零部件運(yùn)行時(shí)的特征頻率，即可查找出故障源。其中通過自功率頻譜密度函數(shù)實(shí)現(xiàn)診斷分析是頻域分析的常用方法。三、振動(dòng)診斷的常用儀器（一）測振傳感器

測振傳感器俗稱拾振器，其作用是將機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)變?yōu)檫m于電測的電參量，有接觸式與非接觸式兩類。常用的接觸式測振傳感器有磁電式速度傳感器和壓電式加速度傳感器等，非接觸式測量常用電渦流傳感器和電容式傳感器。不同類型的振動(dòng)傳感器的頻響范圍大致如下：0~50kHz（壓電加速度傳感器）、0~10kHz（電渦流位移傳感器）、10~2kHz（磁電速度傳感器）。壓電加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)制成的機(jī)電換能器，由于具有體積小、重量輕、靈敏度高、測量范圍大、頻響范圍寬、線性度好、安裝簡便等諸多優(yōu)點(diǎn)而獲得了廣泛應(yīng)用，是目前機(jī)械故障診斷測試中最為常用的一種傳感器。三、振動(dòng)診斷的常用儀器

1.壓電加速度傳感器（1）壓電加速度傳感器的工作原理：利用某些電介質(zhì)壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。當(dāng)壓電傳感器承受機(jī)械振動(dòng)時(shí)，在它的輸出端能產(chǎn)生與所承受的加速度成正比的電荷電壓量，從而實(shí)現(xiàn)對振動(dòng)參數(shù)的測量。（2）壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)其典型結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。圖2·5壓電式加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu)1-基座；2-壓電元件；3-質(zhì)量塊；4-預(yù)緊彈簧；5-輸出引線三、振動(dòng)診斷的常用儀器

頻響范圍1.壓電加速度傳感器（3）壓電加速度傳感器的性能參數(shù)靈敏度測量范圍最大橫向靈敏度使用溫度范圍（4）測量誤差來源及使用注意事項(xiàng)

壓電加速度傳感器用于測量時(shí)，有很多因素都會(huì)影響測量結(jié)果的真實(shí)性，帶來測量誤差，如溫度、濕度、電纜噪聲、接地回路噪聲和傳感器橫向靈敏度等。對測量結(jié)果影響較大的因素是傳感器安裝方式。三、振動(dòng)診斷的常用儀器

2.電渦流振動(dòng)位移傳感器

電渦流傳感器是利用轉(zhuǎn)軸表面與傳感器探頭端部間的間隙變化來測量振動(dòng)的。它利用導(dǎo)體在交變磁場作用下的電渦流效應(yīng)，將變形、位移與壓力等物理參數(shù)的改變轉(zhuǎn)化為阻抗、電感等電磁參數(shù)的變化。（1）工作原理

電渦流位移傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理分別如圖2.6和圖2.7所示。圖2·7電渦流傳感器的工作原理圖2.6電渦流位移傳感器結(jié)構(gòu)三、振動(dòng)診斷的常用儀器

2.電渦流振動(dòng)位移傳感器（2）電渦流傳感器的性能特點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)1）電渦流位移傳感器的靈敏度和線性范圍因被測材料不同會(huì)發(fā)生變化。2）對于同一種材料，若被測表面的材質(zhì)不均勻，或其內(nèi)部有裂紋等缺陷，測量結(jié)果會(huì)受到影響。

3）被測體形狀對測量結(jié)果也有影響。

4）傳感器安裝的好壞直接影響測量結(jié)果的正確性。三、振動(dòng)診斷的常用儀器

3.振動(dòng)傳感器的選用原則

選用振動(dòng)傳感器的基本原則是在滿足基本測試要求的前提下，盡量降低傳感器的費(fèi)用，以得到最佳的性能價(jià)格比。具體選用時(shí)，應(yīng)考慮以下幾方面。

（1）測量范圍

又稱量程，是保證傳感器有用的首要指標(biāo)，因?yàn)槌砍虦y量不僅意味著測量結(jié)果的不可靠，而且有時(shí)還會(huì)造成傳感器的永久損壞。

（2）頻響范圍

為適應(yīng)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)頻率分布范圍大的特性，振動(dòng)測試傳感器的幅頻特性的水平范圍應(yīng)盡可能寬、相頻特性要為線性。

（3）靈敏度

傳感器的靈敏度高，有利于檢測微小信號(hào)。

（4）精度

傳感器的精度是影響測試結(jié)果真實(shí)性的主要指標(biāo)，應(yīng)根據(jù)測試工作的目的合理選擇相應(yīng)精度。

（5）其它方面三、振動(dòng)診斷的常用儀器（二）在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)

機(jī)電設(shè)備在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)通常由振動(dòng)傳感器、電壓/電流傳感器、4GDTU、智能管理云平臺(tái)等組成，它可遠(yuǎn)程采集設(shè)備的相關(guān)振動(dòng)數(shù)據(jù),并對振動(dòng)狀態(tài)做出判斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能的設(shè)備故障。有些在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)還能集成在線油液監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對設(shè)備振動(dòng)和油液數(shù)據(jù)，綜合判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)。

圖2.8所示的在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，測振傳感器安裝在機(jī)械設(shè)備上，電壓/電流傳感器安裝在電控箱內(nèi)，采集到的設(shè)備溫度和X、Y、Z三軸的振動(dòng)速度、電壓參數(shù)、電流參數(shù)等信息，通過4GDTU組網(wǎng)設(shè)備，傳輸?shù)皆诰€監(jiān)測管理云平臺(tái)，工作人員通過電腦Web或手機(jī)小程序可隨時(shí)查看。圖2.8在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)四、齒輪故障的振動(dòng)診斷

齒輪失效是造成機(jī)器故障的重要因素之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，齒輪箱的各類零件的失效比例分別為：軸承19%、軸10%、箱體7%、緊固件3%、油封1%，而齒輪失效的比例則高達(dá)60%。齒輪失效后，會(huì)引起異常振動(dòng)，通過對振動(dòng)特性的分析，便可對故障進(jìn)行診斷。引起齒輪振動(dòng)的原因大致有三類：第一，制造誤差引起的齒輪失效。齒輪制造產(chǎn)生的主要誤差有：偏心、齒距偏差和齒形誤差等，當(dāng)誤差較嚴(yán)重時(shí)，會(huì)引起齒輪傳動(dòng)忽快忽慢，使嚙合時(shí)產(chǎn)生沖擊，引起較大噪聲等。第二，箱體、軸等零件的加工誤差及裝配不良等引起的齒輪失效。當(dāng)裝配后的齒輪在齒寬方向只有一端接觸，或齒輪軸出現(xiàn)不同軸、不對中等現(xiàn)象時(shí)，由于齒輪所承受的載荷在齒寬方向不均勻，會(huì)使齒輪的局部受力增加，個(gè)別齒載荷過重，引起齒輪的早期磨損，甚至斷裂。第三，齒輪使用中的齒面損傷失效。如磨損失效、表面接觸疲勞失效、塑性變形失效、輪齒損傷失效等。

四、齒輪故障的振動(dòng)診斷（一）齒輪的振動(dòng)機(jī)理

在齒輪傳動(dòng)過程中，每個(gè)輪齒是周期地進(jìn)入和退出嚙合的，以直齒圓柱齒輪為例，其嚙合區(qū)分為單齒嚙合區(qū)和雙齒嚙合區(qū)。在單齒嚙合區(qū)，全部載荷由一對齒副承擔(dān)，當(dāng)進(jìn)入雙齒嚙合區(qū)時(shí)，載荷則分別由兩對齒副按其嚙合剛度的大小分別承擔(dān)（嚙合剛度是指嚙合齒副在其嚙合點(diǎn)處抵抗撓曲變形和接觸變形的能力）。在這個(gè)過程中，引起齒輪振動(dòng)的原因大致有三個(gè)：齒副載荷變化01嚙合剛度變化02輪齒受載變形03

以上原因引起的齒輪振動(dòng)是以每齒嚙合為基本頻率進(jìn)行的，頻率的大小與齒輪的轉(zhuǎn)速、齒數(shù)等有關(guān)。當(dāng)齒輪失效時(shí)，振動(dòng)會(huì)加劇，隨之產(chǎn)生一些新的頻率，齒輪故障的振動(dòng)診斷就是利用這些特征頻率進(jìn)行的。四、齒輪故障的振動(dòng)診斷（二）齒輪故障振動(dòng)診斷的特征頻率軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率齒輪及軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率fr為：式中n為齒輪及軸的轉(zhuǎn)速（r/min）。

若齒輪已有一齒斷裂，每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輪齒將猛烈沖擊一次，此時(shí)的振動(dòng)頻率結(jié)構(gòu)將增加諧頻成分，諧頻為轉(zhuǎn)動(dòng)頻率fr的整倍數(shù)如2fr、3fr、…。嚙合頻率

齒輪嚙合中，從一個(gè)輪齒開始進(jìn)入嚙合到下一個(gè)輪齒進(jìn)入嚙合，齒輪的嚙合剛度就變化一次。齒輪嚙合剛度的變化頻率稱為嚙合頻率。定軸轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪的嚙合頻率：式中

fr1——主動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)頻率（Hz）；z1

——主動(dòng)輪的齒數(shù)；

fr2

——從動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)頻率（Hz）；z2

——從動(dòng)輪的齒數(shù)。四、齒輪故障的振動(dòng)診斷（三）齒輪振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制幅值調(diào)制

改變原始信號(hào)的頻帶使之成為適合信道傳輸?shù)母哳l信號(hào)的過程稱為調(diào)制。產(chǎn)生調(diào)制的兩個(gè)信號(hào)，頻率相對較高的，稱為載波；頻率相對較低的，稱為調(diào)制波。在齒輪振動(dòng)信號(hào)中，嚙合頻率成分通常是載波成分，齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率成分通常是調(diào)制波成分。齒輪振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制可分為幅值調(diào)制和頻率調(diào)制。從頻域看，信號(hào)調(diào)制的結(jié)果是使齒輪嚙合頻率周圍出現(xiàn)邊頻帶成分。圖2.9所示為兩個(gè)信號(hào)的調(diào)制過程，其中

為載波頻率（嚙合頻率），

為調(diào)制波頻率（齒輪旋轉(zhuǎn)頻率）。圖2.9幅值調(diào)制的時(shí)域與頻域信號(hào)圖（a）為載波信號(hào)的時(shí)域和頻域圖；圖（b）為調(diào)制信號(hào)的時(shí)域和頻域圖；圖（c）為幅值調(diào)制后信號(hào)的時(shí)域和頻域圖。四、齒輪故障的振動(dòng)診斷（三）齒輪振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制幅值調(diào)制

多頻率成分構(gòu)成的周期調(diào)制信號(hào)，每一個(gè)頻率分量都將產(chǎn)生邊帶，形成邊帶族，如圖2.10所示。圖2.10多頻率幅值調(diào)制頻譜四、齒輪故障的振動(dòng)診斷（三）齒輪振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制幅值調(diào)制

故障信息往往能在調(diào)制頻率上得到反映。根據(jù)頻譜調(diào)制邊頻的形狀，可以分辨出齒輪存在的缺陷的性質(zhì)。當(dāng)齒輪有斷齒或大的剝落等局部性缺陷時(shí)，嚙合時(shí)的時(shí)域信號(hào)顯示出有規(guī)律的幅值增大，頻譜圖顯示出以嚙合頻率為中心的一系列邊頻，表現(xiàn)為邊頻數(shù)量多，幅值低，分布均勻平坦，如圖2.11（a）所示。若齒輪存在點(diǎn)蝕、劃痕等離散型缺陷，調(diào)制信號(hào)在時(shí)域上是一條幅度變化較小、脈動(dòng)頻率較低的包絡(luò)線，頻譜圖產(chǎn)生的邊頻帶特點(diǎn)是分別高而窄，且幅度值變化起伏較大，如圖2.11（b）所示。圖2.11齒輪不同缺陷引起的邊頻帶四、齒輪故障的振動(dòng)診斷（三）齒輪振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制頻率調(diào)制

引起幅值調(diào)制的因素同時(shí)也產(chǎn)生扭矩波動(dòng)，使齒輪轉(zhuǎn)速發(fā)生波動(dòng)，這種波動(dòng)表現(xiàn)在頻率上即為頻率調(diào)制。

實(shí)際的齒輪振動(dòng)信號(hào)往往幅值調(diào)制與頻率調(diào)制或相位調(diào)制同時(shí)存在，當(dāng)二者的邊頻間距相等時(shí)，對于同一頻率的邊帶譜線，相位相同時(shí)，二者的幅值相加；相位相反時(shí)，二者的幅值相減，這就破壞了邊頻帶原有的對稱性，所以實(shí)際齒輪振動(dòng)頻譜中嚙合頻率或其高階諧頻附近的邊頻帶分布一般是不對稱的。四、齒輪故障的振動(dòng)診斷（四）齒輪故障的振動(dòng)診斷

齒輪故障的振動(dòng)診斷是通過分析振動(dòng)特性或由振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲頻譜實(shí)現(xiàn)的，齒輪振動(dòng)診斷的主要項(xiàng)目是齒輪的偏心、齒距誤差、齒形誤差、齒面磨損、齒根部裂紋等。通常低頻段振動(dòng)選用位移傳感器，中頻段振動(dòng)選用速度傳感器，高頻段振動(dòng)選用加速度傳感器。齒輪異常及其振動(dòng)特性見表2?4各種齒輪異常的振動(dòng)特性：1）當(dāng)齒輪所有齒面均產(chǎn)生磨損或齒面上有裂痕、點(diǎn)蝕、剝落等損傷時(shí)，其振動(dòng)頻譜中存在嚙合頻率的2次、3次高次諧波成分。2）齒輪偏心；３）齒輪回轉(zhuǎn)質(zhì)量不平衡；４）齒輪局部性缺陷是指齒輪個(gè)別輪齒存在折損、齒面磨損、點(diǎn)蝕、齒根裂紋等局部性缺陷時(shí)，在嚙合過程中，該齒輪將激發(fā)異常大的沖擊振動(dòng)，在振動(dòng)波形上出現(xiàn)較大的周期性脈沖幅值，其主要頻率成分為旋轉(zhuǎn)頻率fr及其高次諧波nfr。５）當(dāng)齒輪存在齒距誤差時(shí)，齒輪在每轉(zhuǎn)中的速度會(huì)所變化，致使嚙合振動(dòng)的頻率受旋轉(zhuǎn)頻率振動(dòng)的調(diào)制，其頻譜包括旋轉(zhuǎn)頻率fr、嚙合頻率fm成分及其邊頻帶fm±nfr（n=1，2，3，…）。6）高速旋轉(zhuǎn)齒輪的振動(dòng)，高速渦輪增速機(jī)中所用的齒輪，其嚙合頻率高達(dá)5kHz以上，其振動(dòng)特性與常速旋轉(zhuǎn)齒輪有所不同。常速旋轉(zhuǎn)的齒輪，其振動(dòng)波形包含有嚙合頻率和嚙合沖擊引起的自由振動(dòng)的固有頻率這兩個(gè)主要成分；而高速旋轉(zhuǎn)的齒輪，因嚙合頻率大于固有頻率，所以齒輪只發(fā)生嚙合頻率成分的振動(dòng)，而不發(fā)生固有頻率的振動(dòng)。四、齒輪故障的振動(dòng)診斷（五）齒輪故障診斷實(shí)例某水電站發(fā)電機(jī)組齒輪箱出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)。該齒輪箱的參數(shù)為：圖2.12齒輪箱邊頻細(xì)化分析五、滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷

在齒輪箱的各類故障中，軸承的故障率僅次于齒輪占19%。滾動(dòng)軸承常見故障有磨損、疲勞、壓痕、腐蝕、電蝕、膠合（粘著）、保持架損壞等，當(dāng)出現(xiàn)這些故障時(shí)，軸承必然產(chǎn)生異常振動(dòng)和噪聲，因此可采用振動(dòng)分析的方法對軸承故障進(jìn)行診斷。（一）滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理正常情況下，滾動(dòng)軸承的振動(dòng)由以下幾個(gè)方面的因素引起：軸承剛度變化由于軸承結(jié)構(gòu)所致，使軸承載荷分布狀況呈現(xiàn)周期性變化，從而使軸承剛性參數(shù)產(chǎn)生周期性變化，由此引發(fā)軸承諧波振動(dòng)。運(yùn)動(dòng)副

軸承的滾動(dòng)表面雖加工的非常平滑，但從微觀來看，仍然是高低不平的，滾動(dòng)體在這些凹面之上轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生交變的激振力，從而引發(fā)振動(dòng)。這種振動(dòng)既是隨機(jī)的，又含有滾動(dòng)體的傳輸振動(dòng)，其主要頻率成分是滾動(dòng)軸承的特征頻率。滾動(dòng)軸承元件的固有頻率滾動(dòng)軸承元件出現(xiàn)缺陷或結(jié)構(gòu)不規(guī)則時(shí)，運(yùn)行中將激發(fā)各個(gè)元件以其固有頻率振動(dòng)。軸承元件的固有頻率取決于本身的材料、外形和質(zhì)量，一般在20~60kHz的頻率內(nèi)。滾動(dòng)軸承安裝

軸承安裝歪斜、旋轉(zhuǎn)軸系彎曲或軸承緊固過緊、過松等，都會(huì)引起軸承振動(dòng)，振動(dòng)的頻率與滾動(dòng)體的通過頻率相同。五、滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷（二）滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷方法

滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷方法有多種，下面對常用的振幅監(jiān)測法、概率密度診斷法、沖擊脈沖診斷法、低頻信號(hào)接收法、共振解調(diào)診斷法等。振幅監(jiān)測法（１）有效值（均方根值）和峰值判別法

振動(dòng)信號(hào)的有效值反映了振動(dòng)能量的大小，當(dāng)軸承產(chǎn)生異常后，其振動(dòng)必然增大，因而可用有效值（均方根值）作為軸承異常的判斷指標(biāo)。有效值（均方根值）是對時(shí)間平均的，故適用于像磨損之類的振幅隨時(shí)間緩慢變化的故障診斷。

峰值反映的是某時(shí)刻振幅的最大值，因而適用于診斷磨損引起的表面粗糙度狀況，如裂紋、剝落等具有瞬變沖擊振動(dòng)的故障診斷。圖2.13軸承剝落時(shí)的峰值于有效值比較

圖2.13所示為軸承發(fā)生表面剝落時(shí)的振動(dòng)加速度記錄。在剝落期間，峰值比有效值有急劇增大。五、滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷（二）滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷方法振幅監(jiān)測法（2）波峰因數(shù)診斷法

波峰因數(shù)Cf是指峰值與有效值之比。采用波峰因數(shù)進(jìn)行診斷的最大特點(diǎn)，是因?yàn)樗闹挡皇茌S承尺寸、轉(zhuǎn)速及載荷的影響。正常時(shí)，滾動(dòng)軸承的波峰因數(shù)約為5，當(dāng)軸承有故障時(shí)可達(dá)到幾十，所以軸承正常、異常的判定可很方便進(jìn)行。另外，波峰因數(shù)不受振動(dòng)信號(hào)絕對水平的影響，測量系統(tǒng)的靈敏度既使變動(dòng)，對示值也不會(huì)產(chǎn)生多大影響。此法適用于診斷離散型缺陷引起的故障，如表面擦傷、刻痕、凹坑等。圖2.14兩種故障狀態(tài)下的脈沖波形

圖2.14所示為兩種故障狀態(tài)下的脈沖波形。圖（a）是軸承工作表面粗糙引起的，波形峰值Xp不大，但有效值Xrms較高；圖（b）是離散型缺陷引起的，波形有效值Xrms較小，而波形峰值Xp卻很高。五、滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷（二）滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷方法概率密度診斷法

將滾動(dòng)軸承的振動(dòng)或噪聲信號(hào)通過數(shù)據(jù)處理得到不同形式的概率密度函數(shù)圖形，根據(jù)圖形的形式可以初步確定軸承是否存在故障，以及故障的狀態(tài)和位置。無故障滾動(dòng)軸承振幅的概率密度曲線是典型的正態(tài)分布曲線，而一旦出現(xiàn)故障概率密度曲線則會(huì)出現(xiàn)變形情況。據(jù)此不難分析出圖2·15所示的四種不同狀態(tài)軸承的工作狀況。圖2·15（a）接近高斯分布，圖2·15（b）圖形方差值較大，但無鞍形，可以說無明顯故障。圖2·15（c）圖形特點(diǎn)是數(shù)據(jù)集中的成分大，在均值左右出現(xiàn)明顯的鞍形，說明存在劃傷現(xiàn)象。圖2·15（d）圖形方差值很大，數(shù)據(jù)非常分散，這是疲勞的明顯特征。圖2·15軸承的幾種概率密度曲線圖五、滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷（二）滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷方法沖擊脈沖診斷法

沖擊脈沖診斷法（ShockPulseMethod）的原理是：滾動(dòng)軸承存在缺陷時(shí)，如有疲勞剝落、裂紋、磨損和滾道進(jìn)入異物時(shí)，會(huì)發(fā)生低頻沖擊，這種沖擊脈沖信號(hào)不同于一般機(jī)器的振動(dòng)信號(hào)，沖擊脈沖的持續(xù)時(shí)間很短，其能量可在廣闊的頻率范圍內(nèi)發(fā)散，并由于結(jié)構(gòu)阻尼很快被衰減下去。沖擊脈沖的強(qiáng)弱與軸承的線速度有關(guān)，反映了故障程度。低信號(hào)頻接收法

低頻信號(hào)是指頻率低于1kHZ的振動(dòng)信號(hào)。這種診斷方法是針對軸承中各元件缺陷的旋轉(zhuǎn)特征頻率進(jìn)行診斷的。其常用的方法是基頻識(shí)別，即在滾動(dòng)軸承實(shí)際頻譜圖上找出根據(jù)滾動(dòng)軸承運(yùn)動(dòng)形式計(jì)算得到的特征頻率，并觀察其變化，從而判別故障的存在和原因。圖2·16故障軸承與完好軸承頻譜對比圖

如圖2·16a是一個(gè)外環(huán)有劃傷的軸承頻譜圖，明顯看出其頻譜中有較大的周期成分，其基頻為184.2Hz，而圖2·16b則是與其相同的完好軸承的頻譜圖。通過比較可以看出，當(dāng)出現(xiàn)故障后譜圖上有較高階諧波，出現(xiàn)了184.2Hz的5階諧波，且在736.9Hz上出現(xiàn)了諧波共振現(xiàn)象。該波峰是由于外圈的變形振動(dòng)（圓環(huán)振動(dòng)）所致。五、滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷（二）滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷方法共振解調(diào)診斷法（IFD法）

共振解調(diào)診斷法也稱為包絡(luò)檢波頻譜分析法，它是目前滾動(dòng)軸承診斷中，最常使用的方法之一。

共振解調(diào)診斷法與沖擊脈沖法的基本原理類似，但能做到更精確的診斷。沖擊脈沖診斷法只能給出軸承損傷程度指標(biāo)，一般并不能診斷損傷部位。共振解調(diào)診斷法兩者皆可做到，它通過把故障沖擊產(chǎn)生的高頻共振響應(yīng)波放大，通過包絡(luò)檢測方法變?yōu)榫哂泄收咸卣餍畔⒌牡皖l波形，然后采用頻譜分析法找出故障的特征頻率，從而確定故障類型以及故障部位。圖2.17兩種信號(hào)處理方法比較

圖2.17所示為6204型軸承，在30N軸向力作用下的振動(dòng)測試分析結(jié)果。圖2.17（a）為原信號(hào)直接用低頻信號(hào)接收法得到的頻譜，圖中頻譜密集，難以找出故障的特征頻率。圖2.17（b）為經(jīng)過包絡(luò)檢波后的頻譜圖，清楚地顯示出故障的特征頻率，其中91.25Hz是軸承外圈的特征頻率，145Hz、290Hz和436Hz是內(nèi)圈的特征頻率及其諧波。該軸承的實(shí)際故障時(shí)內(nèi)、外滾道表面各有一處疲勞剝落。五、滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷（三）滾動(dòng)軸承故障診斷實(shí)例鼓風(fēng)機(jī)軸承的共振解調(diào)譜分析為例圖2-18鼓風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)和測振點(diǎn)布置1-電動(dòng)機(jī)；2-傳動(dòng)帶；3-聯(lián)軸器；4-蝸殼；5-葉輪；6-軸承；7-風(fēng)室五、滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷（三）滾動(dòng)軸承故障診斷實(shí)例鼓風(fēng)機(jī)軸承的共振解調(diào)譜分析為例

如圖2-19所示為信號(hào)經(jīng)過不同處理后的頻譜圖。圖a為加速度信號(hào)變換后的頻譜，圖中出現(xiàn)大于1kHz以上的頻率成分有1350Hz、2450Hz，這是軸承元件的固有頻率，該圖無故障信息。圖b為經(jīng)過包絡(luò)檢波處理后的頻譜，圖中清楚地顯示出轉(zhuǎn)速頻率

滾珠通過外圈頻率

、滾珠通過內(nèi)圈頻率

以及它們的諧波。圖c為加速度時(shí)域波形，圖上出現(xiàn)明顯的5.46ms（183Hz）的間隔波峰，即外圈頻率的3倍。因此，可初步確定是外圈滾道上出現(xiàn)剝落、裂紋或傷痕。但是，從b種的頻率成分觀察，似乎外圈、內(nèi)圈上都存在缺陷。停機(jī)檢查軸承發(fā)現(xiàn)，軸承外圈和內(nèi)圈上都出現(xiàn)了很長的軸向裂紋。最后查明引起該軸承振動(dòng)并導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋的原因是軸承座剛性不足以及皮帶的拉力不合適。圖2-19加速度信號(hào)的頻譜、共振解調(diào)譜和時(shí)域波形溫度診斷技術(shù)第3節(jié)

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中的重要工藝參數(shù)，它也是機(jī)電設(shè)備故障診斷與工況監(jiān)測的一個(gè)重要特征量。機(jī)電設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的許多故障都會(huì)引起相應(yīng)的溫度變化，如潤滑不良造成的機(jī)件異常磨損，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管阻塞，電氣接點(diǎn)燒壞等均會(huì)造成相應(yīng)部位的溫度升高。一方面，溫度的變化也會(huì)對材料的力學(xué)物理性能產(chǎn)生影響，如溫度過高使機(jī)械零件發(fā)生軟化等異常現(xiàn)象，導(dǎo)致零件性能降低，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成零件的燒損等。

溫度是一個(gè)很重要的物理量，它表示物體的冷熱程度，是物體分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能大小的標(biāo)志。溫度用溫標(biāo)來量度。各種各樣溫度計(jì)的數(shù)值都是由溫標(biāo)決定的，有華氏、攝氏、列氏、理想氣體、熱力學(xué)和國際實(shí)用溫標(biāo)等。其中攝氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)最常用。一、接觸式測溫方法

在機(jī)械設(shè)備的故障診斷與監(jiān)測領(lǐng)域，根據(jù)測量時(shí)測溫傳感器是否與被測對象接觸可將測溫方式分為接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。常用的接觸測量法有熱電阻法、熱電偶法、集成溫度傳感法3種。（一）熱電阻法測溫?zé)犭娮璺y溫的常用儀器

熱電阻法測溫使用的儀器是電阻式溫度計(jì)，它是根據(jù)幾乎所有導(dǎo)體的電阻都會(huì)隨著溫度的改變而變化這一原理制成的。測溫時(shí)，溫度計(jì)上感溫元件的電阻隨著溫度的改變而變化，電阻的這種變化通過測量回路的轉(zhuǎn)換在顯示器上顯示出溫度值。

目前在機(jī)械故障診斷與監(jiān)測領(lǐng)域中，常用的熱電阻有兩大類，一類是由銅、鉑、鎳等材料制成的金屬絲熱電阻，另一類是半導(dǎo)體熱敏電阻。1）金屬絲熱電阻金屬絲熱電阻分為工業(yè)熱電阻、標(biāo)準(zhǔn)熱電阻和鎧裝熱電阻。其中標(biāo)準(zhǔn)熱電阻主要用于實(shí)驗(yàn)室的精密測溫和校驗(yàn)儀器；鎧裝熱電阻為近年發(fā)展起來的新品種。目前在機(jī)械故障診斷領(lǐng)域中，大量使用的是工業(yè)熱電阻，這種熱電阻盡管測溫精度相對較低，但成本低廉。工業(yè)熱電阻的結(jié)構(gòu)如圖2·20所示。一、接觸式測溫方法熱電阻法測溫的常用儀器（2）半導(dǎo)體熱敏電阻

半導(dǎo)體具有溫度升高電阻降低的特性，因而可利用這一特性進(jìn)行溫度測量。半導(dǎo)體熱敏電阻通常用鐵、鎳、錳、鈷、銅、鈦、鎂等金屬的氧化物作原料，經(jīng)精制后混合并加入有機(jī)粘合劑，再經(jīng)過成形和高溫?zé)Y(jié)制成。有時(shí)也用上述金屬的碳酸鹽、硝酸鹽和氧化物等作為原料制作半導(dǎo)體電阻。

半導(dǎo)體熱敏電阻的外形如圖2·21（a）所示。它可測量100~300℃范圍內(nèi)的溫度。但是，由于半導(dǎo)體電阻存在互換性差，穩(wěn)定性差和測溫精度低（我國規(guī)定半導(dǎo)體熱敏電阻的誤差在-40~15℃范圍內(nèi)為±2%）的缺點(diǎn)，從而限制了它的應(yīng)用。實(shí)際中，這種測溫儀常用于實(shí)驗(yàn)室的恒溫設(shè)備和儀器儀表的恒溫部件檢測。圖2·21半導(dǎo)體熱敏電阻的結(jié)構(gòu)感溫元件；2~引線；3~玻璃保護(hù)管；4~保護(hù)層

半導(dǎo)體熱敏電阻根據(jù)需要可做成如圖2·21所示的片狀[圖2·21（b）]、棒狀[圖2.21（c）]和珠狀[圖2·21（d）]。

片狀熱敏電阻的一般直徑在3~10mm之間，厚度在1~3mm之間。棒狀熱敏電阻其保護(hù)管外徑在1.5~2mm之間，長度在5~7mm之間，它的感溫元件是直徑不到1mm的小球。此兩種為最常用的半導(dǎo)體熱敏電阻形式。一、接觸式測溫方法熱電阻法測溫的主要特點(diǎn)由于熱電阻法測溫的感溫元件是由金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料制成的，所以這種測溫方法具有以下主要特點(diǎn)：

（1）測溫范圍寬

（2）溫度測量精度高

（3）靈敏度高響應(yīng)速度快

（4）性能穩(wěn)定

（5）不適于點(diǎn)溫的測量。一、接觸式測溫方法（二）熱電偶法測溫?zé)犭娕紲y溫的基本原理

如圖2·22所示，將兩種不同的導(dǎo)體A和B組成閉合回路，當(dāng)1、2兩個(gè)接點(diǎn)的溫度不同（設(shè)T>T0）時(shí)，此閉合回路中將會(huì)有一電動(dòng)勢EAB（T，T0）產(chǎn)生，這種現(xiàn)象即為熱電效應(yīng)，電動(dòng)勢EAB（T，T0）亦稱為熱電勢。

圖2·22熱電偶工作原理

利用這一原理制成的器件稱為熱電偶。在使用熱電偶測溫時(shí)其一個(gè)接點(diǎn)溫度T0保持不變，則產(chǎn)生的熱電勢只和另一個(gè)接點(diǎn)的溫度有關(guān)。因此，通過測量熱電勢的大小就可知道該接點(diǎn)的溫度值了。組成熱電偶的兩種導(dǎo)體，稱為熱電極。通常把T0端稱為自由端、參考點(diǎn)或冷端，而另一端稱為工作端、測量端或熱端。如果在自由端電流是從導(dǎo)體A端流向?qū)wB，則A稱作正熱電極而B稱作負(fù)熱電極。

常用的熱電偶有工業(yè)用熱電偶、鎧裝熱電偶等。工業(yè)用熱電偶由熱電極、絕熱材料（絕緣管）和保護(hù)套管等部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)與工業(yè)用熱電阻類似。

一、接觸式測溫方法（二）熱電偶法測溫?zé)犭娕挤y溫的儀器及主要特點(diǎn)

１）儀器結(jié)構(gòu)簡單，只由兩根偶絲和一個(gè)電壓表組成；2）感溫元件的質(zhì)量及其熱容量都可以做得很小，因而其時(shí)間常數(shù)小，響應(yīng)速度快；靈敏度高，金屬元件在100/℃以下；半導(dǎo)體元件為mV/℃級(jí)；

３）測量范圍大，通過選用不同材料制作的熱電偶可以實(shí)現(xiàn)4K~3000K的溫度測量；

４）準(zhǔn)確度高，最高可達(dá)到±0.01℃；

５）性能穩(wěn)定，重復(fù)性好，有利于互換；測量電路簡單，便于溫度的讀出以及測溫過程自動(dòng)化。二、非接觸式測量

在工業(yè)領(lǐng)域中有許多溫度測量問題用接觸式測量方法無法解決，如高壓輸電線接點(diǎn)處的溫度監(jiān)測，煉鋼高爐以及熱軋鋼板等運(yùn)動(dòng)物體的溫度監(jiān)測等。19世紀(jì)末，根據(jù)物體熱輻射原理進(jìn)行溫度檢測的非接觸式測溫方法問世了。但是由于當(dāng)時(shí)感溫元件的材料、制造技術(shù)等方面的原因，這種測溫方式只能測量800~900℃以上的高溫。直到20世紀(jì)60年代后，由于紅外線和電子技術(shù)的發(fā)展，使非接觸式測溫技術(shù)有了重大突破，促進(jìn)了它在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

（一）輻射測溫的基本原理

物體因受熱使其內(nèi)部原子或分子獲得能量而從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，當(dāng)它們向下躍遷時(shí)，就可能發(fā)射出輻射能，這類輻射稱為熱輻射。熱輻射是一種電磁波，它包含著波長不同的可見光和不可見的紅外光，當(dāng)物體的溫度在千度以下時(shí)，其熱輻射中最強(qiáng)的波為紅外輻射；只有在物體溫度達(dá)到3000℃即近于白熾燈絲的溫度時(shí)，它才包含有足夠多的可見光。非接觸式測量方法就是通過檢測被測物體所發(fā)射的輻射能中不同波長的光，來實(shí)現(xiàn)溫度檢測的。二、非接觸式測量（二）非接觸測量法的主要特點(diǎn)

1）非接觸測量法測溫時(shí)，只須把溫度計(jì)對準(zhǔn)被測物體，而不必與被測物直接接觸，因此它可以測量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，且不破壞被測對象的溫度場。2）由于感溫元件所接收的是輻射能，感溫元件的溫度不必達(dá)到被測溫度。所以，從理論上講，輻射溫度計(jì)沒有測量上限。3）由于是利用物體的輻射能進(jìn)行溫度監(jiān)測，所以該方法只能測物體表面的溫度，而不能測體溫。4）利用物體輻射能進(jìn)行測溫時(shí)，被測對象的發(fā)射率、中間介質(zhì)對輻射能的吸收，光學(xué)元件透過率的變化以及雜光的干擾等，都會(huì)對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。二、非接觸式測量（三）非接觸式測溫儀

在工程中，溫度在＜100~700℃的中溫和＜100℃的低溫測量需求最大。在此溫度下，物體輻射的大部分能量是肉眼不可見的紅外線，因此在非接觸式測溫儀中，紅外測溫的應(yīng)用最為廣泛。

紅外測溫具有非接觸、便攜、快速、直觀、可記錄存貯等優(yōu)點(diǎn)；它的響應(yīng)速度快，可動(dòng)態(tài)監(jiān)測各種啟動(dòng)、過渡過程的溫度；它的靈敏度高，可分辨被測物的微小溫差；它的測溫范圍寬廣，從攝氏零下數(shù)十度到零上2000℃都能測量；它適用于多種目標(biāo)，對相隔一定距離物體的溫度、移動(dòng)物體的溫度、低密度材料的溫度、需快速測量的溫度、粗糙表面的溫度、過熱不能接近場所的溫度、高電壓元件的溫度等多種目標(biāo)的測量。在機(jī)電行業(yè)中，紅外測溫主要用于機(jī)械、電氣控制設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測及故障檢查。紅外點(diǎn)溫儀二、非接觸式測量（三）非接觸式測溫儀圖2·24紅外點(diǎn)溫儀工作原理

紅外點(diǎn)溫儀是以黑體輻射定律為理論依據(jù)，通過被測目標(biāo)紅外輻射能量進(jìn)行測量，經(jīng)黑體標(biāo)定后確定被測目標(biāo)溫度的儀器。紅外點(diǎn)溫儀常用于測量物體的一個(gè)點(diǎn)（即相對較小面積）的溫度，當(dāng)需要檢測大面積的溫度時(shí)，必須按一定的方向和路線在被檢測區(qū)內(nèi)選擇多點(diǎn)，實(shí)施多次測量才能完成，但其價(jià)格低廉，攜帶和使用都比較方便，故是紅外簡易診斷的主要儀器。

紅外點(diǎn)溫儀通常由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器、電信號(hào)處理器、溫度指示器及附屬的瞄準(zhǔn)器、電源、機(jī)械結(jié)構(gòu)等組成。其原理框圖如2·24。紅外點(diǎn)溫儀分類：全輻射測溫儀；單色測溫儀；比色測溫儀。主要指標(biāo)：測溫范圍；距離系數(shù)、檢測角與光路圖；瞄準(zhǔn)方式；測溫精度；響應(yīng)時(shí)間；工作波段；穩(wěn)定性（復(fù)現(xiàn)性）。紅外熱成像儀二、非接觸式測量（三）非接觸式測溫儀圖2·28紅外熱成像儀的組成框圖

紅外熱成像儀是利用紅外探測器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描系統(tǒng)，在不接觸的情況下，接收物體表面的紅外輻射信號(hào)并將該信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)電子系統(tǒng)處理傳至顯示屏上，從而得到與景物表面熱分布相應(yīng)的“實(shí)時(shí)熱圖像”。它可繪出空間分辨率和溫度分辨率都較好的設(shè)備溫度場的二維圖形，實(shí)現(xiàn)了把景物的不可見熱圖像轉(zhuǎn)換為可見圖像，使人類的視覺范圍擴(kuò)展到了紅外譜段。紅外探測器的主要性能包括元數(shù)、每個(gè)元的探測率、響應(yīng)率、時(shí)間常數(shù)及這些參數(shù)的均勻性及制冷性能等。紅外熱成像系統(tǒng)探測波段的選擇：紅外熱成像系統(tǒng)的探測器工作時(shí)，其接收到的被測物體的輻射能會(huì)因空氣中的二氧化碳及水分子的吸收而發(fā)生變化，從而引起測量結(jié)果不準(zhǔn)確，為使這種影響降低最低程度，可根據(jù)紅外波長與大氣傳導(dǎo)率的關(guān)系來選擇探測波長，選擇波段有四個(gè)：1μm左右的近紅外段，2~2.5μm段，3~5μm段，8~14μm段。二、非接觸式測量（四）溫度傳感器選用

溫度傳感器選用要綜合考慮被測物體的狀況、測量環(huán)境、測量儀器是否適用等因素，圖2.26給出了一般工業(yè)用溫度傳感器的選用方法，供使用中參考。圖2.26一般工業(yè)用溫度傳感器選用三、故障診斷實(shí)例風(fēng)機(jī)故障診斷

某鋼廠利用紅外點(diǎn)溫