7往复机械2

河南工业大学机电学院第6章往复机械的监测与诊断1.了解往复机械的监测与诊断的基本方法2.能够对典型的往复机械进行初步的故障诊断。本章学习要求机械故障诊断技术河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-瞬时转速监测法转速按测量转角的大小(或时间的长短)分为:平均转速、循环转速和瞬时转速3种。平均转速是指发动机在一段时间内曲轴所转过的圈数与时间的比值；循环转速(或称循环平均转速)是指发动机一个工作循环内的平均转速；瞬时转速是指在一个工作循环中每一瞬时的转速。各缸按进、压缩、膨胀、排气的过程循环工作过程中，作用在曲轴上的驱动力矩大于阻力矩时，曲轴转速升高；而当驱动矩小于阻力矩时，曲轴转速下降。发动机在一个工作循环中每缸作功一次，对于一个N缸来说，一个循环中，扭矩和转速会有N次明显的波动。河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-瞬时转速监测法当发动机的某些系统或零部件技术状况发生变化时，瞬时转速的变化规律就发生变化。–如柴油机调速杆位置固定后，转速的平稳意味着柴油机工况的稳定性，转速变化则表示柴油机工况发生了变化。由于内燃机缸内气体压力的波动及往复惯性力的变化，其输出的扭矩是波动的，曲轴的瞬时转速也是波动的，因此，瞬时转速变化规律可以反映发动机的运行状况，判断发动机的性能。•汽缸动力性能的诊断•汽缸气密性的诊断河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-瞬时转速监测法汽缸动力性能的诊断内燃机工作正常时，各缸的动力性能基本一致，柴油机运转平稳，测取的瞬时转速波形规则、波峰波谷分布均匀，有很好的周期性；当某缸工作不正常时，特别是机器发生故障时，如供油量不正常或供油提前角不当等故障出现时，动力的一致性被破坏，该缸的动力性能将出现差异，这种差异将在其瞬时转速波形中表示出来河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-瞬时转速监测法汽缸动力性能的诊断•某柴油机瞬时转速波形图•上图表示动力性能正常•下图表示某缸有断油故障，其波形表现凌乱、不规则动力性能正常某缸断油故障注意不是振动信号河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-瞬时转速监测法汽缸动力性能的诊断•柴油机各缸动力性能的差异，将会影响其运转的平稳性，当某缸动力性能下降（如供油不足时），其爆发压力会低于正常值，在瞬时转速波形上表现为其上升沿变化较缓，速度峰值变低；•反之，当某缸动力性能高于正常值时，如供油过量，汽缸爆发压力高于正常值，其波形表现为上升沿变陡，速度峰值高于正常峰值，•因此，根据瞬时波形的变化可以方便地诊断柴油机各缸的动力性能。河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-瞬时转速监测法汽缸气密性的诊断柴油机气缸的气密性反映了气缸磨损、装配等状况，与其动力性能及经济性能有密切关系，气密性不良将引起输出功率下降，经济性变坏。因此，柴油机工作一段时间后，应该检测汽缸的气密性。采用测量起动倒拖（制动）时瞬时转速的方法来诊断气密性比较简便、实用。因为起动倒拖瞬时转速波形与柴油机汽缸压缩压力有很好的对应关系。应用时，发动机稳定运行，断油并将电动机倒拖到给定的转速，到转速基本稳定后测取瞬时转速，根据瞬时转速波动情况判断各缸的压缩性，从而检测各缸的气密性。河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-瞬时转速监测法汽缸气密性的诊断瞬时转速波形图中数字是按柴油机点火顺序排列的缸号。各缸瞬时转速起伏均匀，比较规则，其原因是柴油机各缸压缩性能良好，工作循环内各缸压缩阻力基本一致，因此，测得的转速波形比较均匀，说明各缸的气密性良好。下图表示第2缸有漏气、气密性较差的瞬时转速波形，波形不均匀，在漏气缸位置上形成了一个凸起(原因在于漏气缸的压缩阻力减小，倒拖力矩不变时，在上止点处转速反而上升)，实践表明，不同缸的漏气和漏气程度，都能从瞬时转速波形上表示出来。河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-振动诊断法振动测量位置•振动信号测点的选择比较困难，其原因是：柴油机振动源多，传递路径复杂，系统故障既有“纵向性”，又有“横向性”，对不同测点进行测量，有可能得到相互矛盾的结果。根据已有资料显示，缸盖和机身对振动最明显，振动测点可主要选在这两处。•柴油机缸盖是燃烧室的一部分，在柴油机运行过程中由于受到各种冲击力的作用而产生振动。•因此缸盖振动信号是各种激励力的直接或间接反映，包含许多有用信息。河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-振动诊断法振动信号的获取•柴油机进气门和排气门落座产生的振动响应很相似，其能量都集中在大于6KHz的高频区域。由香农采样定理和已有经验，一般采样频率设定为20～30KHz。•由于采样频率较高，所以在采集柴油机振动信号时选用加速度信号传感器（如PCB公司的ICP加速度传感器），这样才可以完整、准确地采集到振动信号。河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-振动诊断法缸盖振动信号的激励源•通过对柴油机结构和工作原理分析可知，影响柴油机缸盖表面振动的激励力主要有：–气体压力–进排气门落座冲击力–活塞不平衡往复惯性力–曲轴不平衡回转惯性力–机身的振动等•其中，燃爆气体压力和气门落座冲击力是最主要的两个激励力。河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-振动诊断法缸盖振动信号的激励源燃烧激振源•它是由燃油急速燃烧形成局部高压，产生缸内气体高频振荡并向四周传播引起的冲击，并反映到振动信号中。•响应的低频段反映最高燃烧压力的大小，压力越高，低频段分量越大；•中频段反映燃油急速燃烧期最大压力的升高率，压力升高率越大，中频段成分越丰富；•高频段反映燃烧压力上升的加速度最大值。•燃爆阶段的振动信号在柴油机故障诊断中应用广泛，可用于诊断燃油系统，活塞等故障。河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-振动诊断法缸盖振动信号的激励源气门落座冲击•柴油机系统换气完毕后，依靠弹簧的弹性力使气门关闭，从而形成对缸盖的冲击。•研究表明，进气门和排气门落座产生的振动响应很相似，都为高频响应。•为保证所有工况下都能紧闭，在气门和摇臂之间留有一定的间隙，称为气门间隙（如图所示）–随着气门间隙增大，落座速度变大，缸盖振动急剧增加，而增加的主要是高频成分。•气门落座阶段的振动信号分析对于进排气系统的故障诊断十分重要。配气机构及凸轮顶杆升程h、速度v、加速度a1—气门间隙；2—摇臂；3—气门；4—锁紧螺母；5—调节螺钉河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-振动诊断法缸盖振动信号的激励源因此，从柴油机的整体结构上看，•气体压力向上作用于缸盖；•气门落座冲击力使缸盖产生相对于机身的振动；•不平衡惯性力通过机身传递至缸盖，使两者一起振动。•各激励力按一定的规律共同作用于缸盖，其频率特性各不相同，作为对这些激励力的响应，缸盖表面振动信号是由一系列频率、幅值差别较大的瞬态响应组成。河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-振动诊断法缸盖振动信号的非平稳特性和循环波动性1)非平稳特性•研究表明：缸盖表面振动信号是由一系列的冲击响应信号按一定的时序组成，是一非平稳的时变信号。•振动信号的频域分析可知：即使在同一工况下，振动信号的频率成份也是不断变化的。这主要是因为在一个周期内的不同时刻，缸盖受到不同的激励，而这一周期内的激励对下一周期也将产生影响，从而导致了缸盖振动信号的非平稳特性。河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-振动诊断法缸盖振动信号的非平稳特性和循环波动性•另外，虽然气体燃爆压力是低频激励，但仍然能引起缸盖的高频振动，因此气体燃爆时段的缸盖振动信号除了在低频段有较强的能量外，在高频段也有相当强的能量。•这些高频成分同气门机构对缸盖冲击产生的高频振动一起，构成了缸盖振动信号复杂的频率分布。•非平稳性造成了特征提取和故障诊断的困难性和复杂性，在实际应用中应充分予以考虑。河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-振动诊断法缸盖振动信号的非平稳特性和循环波动性2）循环波动特性•从柴油机工作原理和对振动信号产生机理的分析中可以看出柴油机振动信号具有一个重要的性质——周期性。–柴油机以一定的周期进行往复运动–相应地，柴油机振动信号也具有明显的周期性–这个性质对柴油机振动信号的特征提取非常有意义。河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-振动诊断法缸盖振动信号的非平稳特性和循环波动性2）循环波动特性•但是柴油机缸内燃烧过程是一个复杂的过程，没有两个工作循环是完全相同的，表现在柴油机上的激振力也并不完全相同，因此在振动信号上表现也就相差很大，即所谓的循环波动性，–尽管不同循环之间总体上表现相似–但实际上在作用时间、频率成份和振动强度等各方面又有很大的差别•所以，对于柴油机进行特征提取时，要充分考虑柴油机循环波动性的影响。河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-振动诊断法缸盖振动信号的时域特性•时域特性是指各激励力产生的振动响应信号在作用时刻及其作用强度等方面体现出来的特性。•根据柴油机工作原理：–供油系统决定喷油提前角，从而决定燃爆压力的产生时刻；–气门机构决定进、排气门的开启和关闭角。–因此，缸盖振动的时域波形与喷油提前角和配气相位密不可分。•对单缸机而言，各激励力响应信号在时间相位上相差较大，易于在时域内加以分离；•对多缸机而言，虽然临缸的激励力在传递过程中衰减较快，但在一般情况下也不容忽视，此时时域特性显得尤为重要。河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-振动诊断法缸盖振动信号的时域特性•6135型柴油机工作循环时序示意表•气缸点火顺做功序为1-5-3-6-2-46135型柴油机配气定时数据表河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-振动诊断法缸盖振动信号的时域特性•在正常工作状态下测得的第1缸缸盖表面振动信号。•采样方式为等时间间隔采样，采样频率为25KHz，采样起始点以第1缸换气上止点为基准，测量时柴油机运行转速为1500r/min。河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-振动诊断法缸盖振动信号的时域特性•根据工作循环时序表，结合柴油机运行转速和采样频率，可以在一个工作循环中区分缸盖振动信号时域波形中各激励力响应段。•当柴油机出现某种故障，相应的激励力响应在作用时间和能量强度方面将发生变化，据此可以获取特征参数并进行故障诊断。河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-振动诊断法缸盖振动信号的频域特性•缸盖振动信号的频域特性是指各激励力产生的振动响应信号在频域内体现出来的特性。•尽管柴油机缸盖所受激励力较多，但在一般工作条件下，气体燃爆压力和进、排气门落座冲击力是最主要的。•为了进一步对各激励力进行识别与分离，有必要了解各激励力响应信号的频谱特性。河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-振动诊断法•图是6135柴油机在正常运行状态下各激励段振动信号的功率谱分析结果。•进气门和排气门落座产生的振动响应很相似，其能量都集中在高频区域；•气体燃爆压力产生的振动响应能量则集中在中低频区域。•这表明，气门落座响应为高频振动信号，燃爆响应为中低频振动信号，这与柴油机工作原理是一致的。•当柴油机出现故障时，相应频带内的能量或谱峰值对应的频带范围将发生改变，从而可以提供诊断特征。这是柴油机缸盖振动信号的另一个基本特征。河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-振动诊断法振动诊断方法•传递函数–利用发动机缸盖系统的动态特性诊断汽缸内的故障•能量谱法–当发动机某部件发生故障时，其能量谱会发生变化．将实测的能量谱值与正常工作状态下的参考谱值进行比较，即可判别汽缸活塞组的工作状态如何•时域特征量法–利用时域信号中的特征量来判断柴油机故障也是十分有效的方法河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-振动诊断法振动诊断法应用•柴油机拉缸时的故障判别•汽缸活塞敲缸故障的判别•气阀漏气故障河南工业大学机电学院往复机械的监测与诊断-振动诊断法柴油机拉缸故障的诊断•正常情况下，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。所谓拉缸，