Chapter06无损检测技术在设备诊断中的应用.ppt

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1、第6章 无损检测技术在设备诊断中的应用,本章内容,1、油样分析技术在机械设备故障诊断中的应用，包括：油样的光谱分析技术、润滑油的铁谱分析技术、应用光谱、铁谱分析应注意的问题等。2、声发射检测技术在机械设备故障诊断中的应用，包括：声发射检测的基本原理、声发射信号的表征参数、声发射检测仪器简介、声发射检测的研究及应用领域等。,本章要求1、了解油样分析技术在机械设备故障诊断中的应用。2、了解声发射检测技术在机械设备故障诊断中的应用。,6.1 油样分析技术,油样分析能取得的信息：1、磨屑的浓度和颗粒大小反映了机器磨损的严重程度。2、磨屑的大小和形貌反映了磨屑产生的原因，即磨损发生的机理。3、磨屑的成分

2、反映了磨屑产生的部位，即零件磨损的部位。,各种油样分析技术的适用范围,6.1.1 油样的光谱分析技术,油样的光谱分析就是利用油样中含有金属元素的原子在高压放电或高温火焰燃烧时，原子核外的电子吸收能量从低能级轨道跃迁到较高能级的轨道，但是这样的原子能量状态是不稳定的，电子会自动地从高能级轨道跃迁回原来能级轨道，与此同时，以发射光子的形式把吸收的能量辐射出去。不同元素的原子放出光的波长不同，称为特征波长。经过棱镜或光栅分光系统，将辐射线按一定波长顺序排列，所得到的谱图称为光谱。测量各特征波长的谱线和强度，就可检测到该种元素存在与否及其含量多少，推断出产生这些元素的磨损发生部位及其严重程度，并依此对

3、相应的零部件工作状态作出判断。,6.1.1.1 原子吸收光谱测定法,原子吸收光谱测定法原理,6.1.1.2 原子发射光谱测定法,原子发射光谱测定法原理,6.1.1.3 光谱分析的磨损界限,光谱分析的磨损界限因油样来源的不同变化很大，取决于它们合金成分的多少、设备的类型、工作特点以及初期缺陷的性质。在某种情形下，显示铜和铁元素含量达 量级时，机器仍运行良好；但在另一种情形下，元素浓度小于，事故却即将来临。因此，采用油样光谱分析技术对机械设备进行工况监测与故障诊断时，一定要针对具体设备和工作条件作反复试验，才能确定出合适的磨损界限。,6.1.2 油样的铁谱分析技术,铁谱分析方法是利用经过稀释的油液

4、通过一块具有高磁场梯度的玻璃片或玻璃管，将润滑油中所含的磨粒或碎屑，按其粒度大小有序地分离开来，经过光学显微观察和光密度计计数，可对磨屑的来源、产生的原因以及零部件磨损的程度进行定性和定量分析，及时作出机器零部件的故障预报。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。,6.1.2.1 铁谱分析仪的工作原理,6.1.2.1.1 直读式铁谱仪,1、2光伏探测器；3磁铁；4光导纤维；5白炽灯光源；6接油杯；7放大电路；8数显装置；9压块；10沉积管；11毛细管直读式铁谱仪的结构和工作原理,6.1.2.1.1 直读式铁谱仪,磨屑在沉积管内的沉

5、积规律,直读式铁谱仪的性能特点：1、结构简单，价格便宜（约为分析式铁谱仪的1/4）；2、制谱与读谱合二为一，分析过程简便快捷；3、读数稳定性、重复性较差，随机因素干扰影响大；4、只能提供关于磨屑体积的信息，不能提供关于磨屑形貌、磨屑来源的信息，信息量有限，常用作油样的快速分析和初步诊断。,6.1.2.1.2 分析式铁谱仪,磨屑在铁谱片上的沉积规律,分析式铁谱仪是包括制谱仪、光密度读数器以及双色显微镜在内的成套测试系统。,制谱仪的结构原理,6.1.2.1.2 分析式铁谱仪,分析式铁谱仪的性能特点：1、提供的信息较丰富。分析式铁谱仪不仅能够提供关于磨损程度的信息，而且通过对磨屑形貌及其成分的观察，

6、还能提供关于磨损发生机理及发生部位的信息，也就是说，分析式铁谱仪所提供的信息比直读式铁谱仪要丰富得多，常用作油样的精密分析。2、直读式铁谱仪只能进行一次测量，不能将沉积管从磁场中取出后再放上重新读数；而分析式铁谱仪制成的谱片可以保存起来，供以后观察分析用。3、制谱过程较慢，制作一个完整的谱片约需30min，且制谱时要求较严格，故一般只能在实验室进行。,6.1.2.1.3 旋转式铁谱仪,旋转式铁谱仪的结构原理,传统分析式铁谱仪存在两个固有的缺陷：1、蠕动泵输送油样时对磨屑的碾压和抛光效应，改变了磨屑的原始形貌，从而影响对其形貌特征识别和磨损机理的研究。2、由于沉积面积有限，先行沉积的磨屑对流道堵

7、塞，不仅造成了磨屑的堆积，而且还破坏了磨屑在谱片上的沉积规律，从而影响铁谱的定量分析。,6.1.2.1.3 旋转式铁谱仪,旋转谱片,旋转式铁谱仪的磁场装置原理,6.1.2.2 铁谱的定性与定量分析,铁谱定性分析是使用铁谱显微镜对铁谱片上沉积的颗粒进行形状、尺寸大小、形貌和成分的分析，建立磨损状态类型与磨损颗粒形态的相互关系，判别摩擦副的磨损状态，以确定故障情况和磨损部位。目前，对铁谱片进行定性分析的方法主要有铁谱显微镜法、扫描电镜法和加热分析法三种。,尽管铁谱分析技术获得了广泛的应用，但至今尚没有一个统一的定量指标。,6.1.2.3 铁谱分析的优缺点,优点：具有较高的检测效率和较宽的磨屑尺寸检

8、测范围，可同时给出磨损机理、磨损部位以及磨损程度等方面的信息。缺点：1、操作环节较多，监测周期较长，影响因素复杂，检测与诊断的正确性取决于操作人员的经验与熟练程度。2、对采样要求较为苛刻，分析成功与否，首先取决于能否从润滑系统中取到有代表性的油样。3、对非铁磁性磨损颗粒的检测效果欠佳，影响了其对有色合金摩擦副的监测效果。,6.1.3 应用实例,例1：机车柴油机故障的光谱、铁谱分析,东风4型3877号机车光谱分析曲线,某机务段对东风4型机车柴油机1998年即将进入第4次辅修时，光谱、铁谱分析诊断为“严重异常磨损”，并发出“危险”预报，于是提前检修。检查中发现第3缸活塞裙部及第8缸缸套严重崩缺，第

9、11缸活塞环槽磨损严重。在故障发生前的近一年中，铁、铝分析数据一起处于稳定、缓慢的攀升状态。同年5月，分析铁谱片上开始出现精细的铝磨粒。7月的光铁谱、铝分析数据激增，铁谱片上铝磨粒数量明显增多，尺寸开始增大（铝磨粒最大尺寸已达30um），同时出现铜磨粒以及少量的钢磨粒，预示着磨损状态已很严重，立刻发出报警信号。随后的拆检结果证实了预报的准确性。,东风4型0122号机车光谱分析曲线,东风4型的0122号机车柴油机，在得到光谱、铁谱分析“异常磨损”的预报之后，车辆停运拆检，发现第6缸活塞环咬死，造成活塞顶部烧穿及缸套拉伤。受补换油的影响，光谱分析数据呈反复波动状态。铁、铝分析数据波动幅度明显增大，

10、铝元素数据反复超标，磨损状态诊断为活塞故障。铁谱分析在第3次辅修后开始出现异常，发现了尺寸较大的铝磨粒。跟踪监测中，铝磨粒浓度及尺寸不断上升，最大已达40um，呈疲劳剥落及撕扯状，同时相继出现较多的黑色氧化物、腐蚀磨粒和小球粒，表明润滑状态已相当恶劣，活塞组件磨损严重，于是连续两次发出警报信号，经检查后排除了故障源。,6.1.3 应用实例,例2：机车柴油机故障的光谱、铁谱分析,1、机器发生异常磨损的判别 机器是否发生异常磨损，不仅仅看润滑油中所含磨损颗粒数量的绝对值大小，更重要的是要看油中的磨粒随时间的变化速率和大磨粒的尺寸变化趋势。机器内磨损颗粒存在的特点是，当磨损量稳定的时候，磨粒产生的数

11、量等于漏损掉的数量，磨粒在油中将达到一个动态平衡值。非正常磨损时将产生较大的磨粒，而且磨粒随时间的增长速率也将大大增加。铁谱分析中，颗粒的大小、单位时间内增长数的多少以及颗粒的磨损类型是三个重要的分析指标。磨损量的正常值、注意值、警告值是通过反复实践、总结、修正摸索出来的。不同机械、不同部位标准不同。,6.1.4 应用光谱、铁谱分析应注意的问题,2、主观因素的影响 铁谱分析是利用铁谱技术对润滑油中金属颗粒的尺寸、形态、颜色、数量及分布状况进行定性分析，受人主观因素影响较大，要求分析人员具有一定的理论知识和丰富的实践经验。对同一台设备同一部位润滑油的分析，最好由一个人负责，以保持分析结果的一致性

12、和连续性。,6.1.4 应用光谱、铁谱分析应注意的问题,3、光谱、铁谱结合分析 光谱分析可以了解润滑油中金属含量，但不能分析金属颗粒的形状、磨损类型。铁谱分析可以了解磨损颗粒形状和类型，但不能准确掌握磨损金属含量。两者结合，既可定性又可定量地分析润滑油中的金属含量，而且有利于分析金属颗粒的来源。两者互为补充，互为参考。,6.1.4 应用光谱、铁谱分析应注意的问题,4、监控标准和侧重点 发动机的主要磨损颗粒为铁颗粒，铁的含量有一定程度升高问题不大，但铝、铜、铅、铬含量稍有升高，则可能伴随着异常磨损。变速箱主要磨损颗粒为铜颗粒，铁含量的增加，一定伴随着异常磨损。液压系统对润滑油清结度要求非常高，任

13、何金属含量的升高都表明存在异常磨损，应引起重视。发动机和变速箱出现异常磨损，将在一段时间后才会产生故障，但液压系统一旦出现异常磨损，将在很短时间内产生故障。对液压系统的监控周期要短，一旦发生异常磨损，应立即采取措施，防止发生故障。,6.1.4 应用光谱、铁谱分析应注意的问题,6.2 声发射检测技术,6.2.1 声发射检测的基本原理,声发射的传播形式,声发射信号传播过程,声发射是材料在外载荷（如力、热、电、磁等）和内力的作用下以弹性波的形式释放应变能的现象。,Kaiser不可逆效应：材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号。,6.2.1 声发射检测的基本原理,突发型声

14、发射信号,连续型声发射信号,6.2.2 声发射信号的表征参数,6.2.2.1 计数和计数率,声发射信号波形,传感器每振荡一次输出的一个脉冲称为振铃，将振铃脉冲峰值连起来形成包络线，包络线所包围的一个大信号称为一个声发射事件。从包络线上超过 的一点开始到降低至 的一段时间称为事件宽度，与其后的信号延续时间 之和称为事件持续时间。,在事件持续时间内，对每一个事件计一次数的方法称事件计数，计量单位时间内的事件数，称为时间计数率。振铃脉冲超过门槛值的次数称为振铃计数，单位时间内的振铃计数称为振铃计数率。,6.2.2.1 计数和计数率,声发射信号简化波形参数的定义,6.2.2.1 计数和计数率,阻尼正弦

15、波,V为瞬时电压，为最大幅值电压，为角频率，为衰减系数，t为时间。,如果 比振荡周期 长得多，那么振铃计数N为：,传感器的谐振频率是固定的，传感器与试样的耦合良好，对同一传感器、同一试样，就可认为衰减系数 是常数。振铃计数N在一定程度上反映了信号的幅度。,6.2.2.2 幅度和幅度分布,1、累计事件幅度分布,为累计事件幅度分布，为门槛电压，b为指数。,2、能量,R为电压测量线路的输入阻抗，为与时间有关的电压。,6.2.2.2 幅度和幅度分布,3、微分事件概率幅度分布 可以区别断裂特征。当裂纹以大的台阶扩展，大幅度的声发射信号比例较大时，此参数就低。当裂纹以小的台阶扩展、次数很多时，此参数值就大

16、。如果产生声发射的声源不变，当同一因素（如传播距离）变化影响幅度时，此参数值不变。,6.2.2.3 声发射源定位,设声发射源落在x轴上，声发射源位于，则。当传感器接收次序为1#2#时，；接收次序为2#1#时，则。,直线定位,发射源在一直线上时，以两传感器连线的中点为坐标原点，设两传感器相距为2c，信号到达两个传感器的时差为t，声波在材料中的传播速度为v，则声发射源离两传感器的距离差2a为：,6.2.2.3 声发射源定位,声发射源与传感器不在一条直线上时：,信号接收次序为1#2#时，x取负值，当2#1#时，x取正值。,非直线定位,6.2.3 声发射检测仪器,单通道声发射仪只有一个信号测量通道，主

17、要由传感器、前置放大器、衰减器、滤波器、主放大器、门槛电路、声发射计数器、总数计数器以及数模转换器等基本部分组成。,单通道声发射仪原理,声发射仪器的作用主要有三个：接收声发射信号、处理信号、显示声发射数据。按接收声发射信号的通道数目，声发射仪器分为三类：单通道声发射仪、双通道声发射仪、多通道声发射仪。,6.2.3 声发射检测仪器,USB高速同步数据采集仪,6.2.3 声发射检测仪器,声发射信号波形,6.2.4 声发射检测的研究及应用领域,1、石油化工工业：各种压力容器、压力管道和海洋石油平台的检测和结构完整性评价，常压储罐底部、各种阀门和埋地管道的泄漏检测等。2、电力工业：高压蒸汽汽包、管道和

18、阀门的检测和泄漏监测，汽轮机叶片的检测，汽轮机轴承运行状况的监测，变压器局部放电的检测。3、材料试验：材料的性能测试、断裂试验、疲劳试验、腐蚀监测和摩擦测试，铁磁性材料的磁声发射测试等。4、民用工程：楼房、桥梁、起重机、隧道、大坝的检测，水泥结构裂纹开裂和扩展的连续监视等。,6.2.4 声发射检测的研究及应用领域,5、航天和航空工业：航空器壳体和主要构件的检测和结构完整性评价，航空器的时效试验、疲劳试验检测和运行过程中的在线连续监测等。6、金属加工：工具磨损和断裂的探测，打磨轮或整形装置与工件接触的探测，修理整形的验证，金属加工过程的质量控制，焊接过程监测，振动探测，锻压测试，加工过程的碰撞探

19、测和预防。7、交通运输业：长管拖车、公路和铁路槽车及船舶的检测和缺陷定位，铁路材料和结构的裂纹探测，桥梁和隧道的结构完整性检测，卡车和火车滚珠轴承和轴颈轴承的状态监测，火车车轮和轴承的断裂探测。8、其它：磨损摩擦监测，发动机的状态监测，转动机械的在线过程监测，钢轧辊的裂纹探测，汽车轴承强化过程的监测。,6.2.5 声发射检测实例,例1：压缩机故障的检测与诊断,(a)正常状态(b)电磁振动,(c)轴承金属干摩擦(d)阀片敲击故障几种典型压缩机故障的声发射波形,6.2.5 声发射检测实例,例2：汽轮发电机组转子过载和碰摩故障的声发射检测,轴承过载时，声发射值较小，一般为每秒10005000个声发射振铃，并且变化不大。而发生碰摩时，声发射值突然增大几千或上万，根据这些特点，即可诊断轴承过载或碰摩。山西某发电厂300MW汽轮发电机组的数据如下：,机组启动过程中各阶段的声发射数值（振铃数的时间单位为振铃/s）,