往复机械故障的振动诊断法

往复机械故障的振动诊断法
过程装备与控制工程B09360212 胡极诸
摘要：往复机械种类很多，应用范围十分广泛，对往复机械进行状态监测与故障诊断同样具有十分重要的意义。

往复机械结构往往比较复杂，利用振动诊断法分析困难比较多，但近年由于振动分析技术的发展，已日益得到更多的应用。

振动诊断主要借助于传递函数法、能量谱法、时域特征量法及缸体表面振动加速度总振级方法等，综合运用各方法可以有效地确定气缸—活塞组的各种故障。

关键词：往复机械振动诊断法拉缸
1、往复机械
往复机械种类很多，有往复压缩机、内燃机（柴油机及汽油机）、往复泵等，其应用范围十分广泛。

因此，对往复机械进行状态监测与故障诊断同样具有十分重要的意义。

由于往复机械通常需要利用一系列机构将回转运动转换成往复运动（例如往复压缩机）或者将往复运动转换成回转运动（例如内燃机），因而其机械结构往往比较复杂，运动形式也较为复杂。

往复机械的故障主要有两种：一种是结构性的故障，另一种是性能方面的故障。

结构性故障是指零件的磨损、裂纹、装配不当、动静部件间的碰磨、油路堵塞等；而性能方面故障表现在机器性能指标达不到要求，如功率不足、油耗量大、转速波动较大等。

显然，结构性故障会反映在机器的性能中，通过性能的评定，也可反映结构性故障的存在和其严重程度。

2、振动诊断法
往复机械的故障诊断方法主要有性能分析法、油样光谱分析法和振动诊断分析法。

性能分析法通过对汽缸的压力检测，柴油机的温度信号、启动性能、动力性能、增压系统以及进排气系统的检测来了解汽缸、气阀、活塞等的工作状况，通过性能变化判别其故障的存在。

油样光谱分析法是指用原子吸收或原子发射光谱分析润滑油重金属的成分和含量，判断磨损的零件和磨损的严重程度的方法。

振动诊断法在往复机械中的应用不如旋转机械那样广泛和有效，其原因是往复机械转速第，要求传感器有良好的低频特性，因而在传感器选用方面有一定的限制。

此外，由于往复机械结构复杂，运动件多，工作时振动激励源多，对不同零部件，这些激励源的作用是不同的，因而利用振动信号进行分析困难较多。

但在实际工作中，由于采用性能分析法诊断故障属于间接诊断，一方面不直接，影响因素较多，另一方面，采用性能分析法难度也比较大，所用传感器价格昂贵，寿命较短，而油样光谱分析检测故障种类有限，而近年由于振动分析技术的发展，在往复机械的监测和诊断中日益得到更多的应用。

振动诊断法主要包含传递函数法、能量普法和时域特征法等。

其方法都是通过对正常情况下往复机械的动态特性、能量数据进行采集，从而得到传递函数、参考能量谱、时域特征量等。

再将实测的振动信号与之进行比较，判别出故障的存在。

除了以上几种方法外，其他如评定缸体表面振动加速度总振级方法，综合运用上述各种方法可以有效地确定汽缸—活塞组的各种故障。

3、拉缸
本文以柴油机拉缸时的故障判别为例具体说明振动诊断法的应用。

拉缸是柴油机活塞组件与气缸套配合工作表面相互剧烈作用（产生干摩擦），在工作表面上产生过度磨损、拉毛、划痕、擦伤、裂纹或者咬死的现象，拉缸是在缺乏润滑条件的情况下产生的不同程度的粘着磨损。

拉缸轻时，使气缸套、活塞组件受损，严重时会造成咬缸的恶性机损事故。

其主要症状为：
1、柴油机运转声音不正常，发出“吭吭”声或“嗒嗒”声；
2、柴油机转速下降乃至自动停车——应为气缸内摩擦功大增；
3、曲柄箱或扫气箱冒烟或着火；
4、排烟温度、冷却水温度和润滑油温度均显著升高；
5、吊缸检查可以发现气缸套和活塞环、活塞工作表面呈蓝色或暗红色，有纵向拉痕；气缸套、活塞环，甚至活塞裙异常磨损，磨损量和磨损率很高，远远超过正常值。

运用振动诊断，如图1所示，为某柴油机发生拉缸时的故障信号与正常信号的对比情况。

柴油机的气缸盖上振动加速度响应的功率谱分布在0～4.5kHz之间，大致可划分为如下三个频带：①0~1.5kHz；②1.5～3.0kHz；③3.0~4.5kHz。

正常工作情况下，能量主要均布在第一和第二个频带内，如图1（a）所示。

当柴油机拉缸时，第一和第二个频带比正常情况下略有增加，第三频带比正常时有所拓宽，而且能量也比正常时有明显增加。

同时，总振级测量值明显小于基准值。

如图1(b)所示。

图1 某柴油机正常信号与拉缸故障信号对比
发生拉缸故障后，缸套内壁油膜被破坏，活塞环与气缸套在油膜被破坏的区域成为干摩擦，金属表面被拉伤，粗糙度大大增加，因而活塞环对气缸套由于摩擦而产生的激励为高频激励，这就是功率谱中第三个频带比正常时有所拓宽、能量也有明显增加的原因。

4、小结
对往复机械设备进行故障诊断首先应对设备的结构和运行的动力特性有比较全面的了
解，还应掌握机械设备发生故障的机理。

为了能够深入掌握整个机械设备在运行过程中出现的各种症状，有必要对各个分离部件进行故障机理的研究，在此基础上才有可能对系统的故障机理进行研究。

在应用振动检测的同时，还须应用温度监测、铁谱分析技术以及性能参数的测定等方法。

尽可能采用多种检测手段进行综合检测，并进行谨慎细致的分析，以便尽可能早地发现故障，准确地诊断故障原因，采取切实可行的处理对策，避免重大事故的发生。

参考文献
【1】王江萍、徐爱荣，《机械设备故障诊断技术及应用》，西北工业大学出版社，2001.8
【2】/view/57418.htm，2011.12.18
【3】/view/471f698fa0116c175f0e48cd.html，2011.12.18
【4】/thread-786488-1-1.html,，2011.12.18。