Chapter無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在設(shè)備診斷中的應(yīng)用實(shí)用

會(huì)計(jì)學(xué)1Chapter無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在設(shè)備診斷中的應(yīng)用實(shí)用6.1.1油樣的光譜分析技術(shù)

油樣的光譜分析就是利用油樣中含有金屬元素的原子在高壓放電或高溫火焰燃燒時(shí)，原子核外的電子吸收能量從低能級(jí)軌道躍遷到較高能級(jí)的軌道，但是這樣的原子能量狀態(tài)是不穩(wěn)定的，電子會(huì)自動(dòng)地從高能級(jí)軌道躍遷回原來(lái)能級(jí)軌道，與此同時(shí)，以發(fā)射光子的形式把吸收的能量輻射出去。不同元素的原子放出光的波長(zhǎng)不同，稱(chēng)為特征波長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)棱鏡或光柵分光系統(tǒng)，將輻射線按一定波長(zhǎng)順序排列，所得到的譜圖稱(chēng)為光譜。測(cè)量各特征波長(zhǎng)的譜線和強(qiáng)度，就可檢測(cè)到該種元素存在與否及其含量多少，推斷出產(chǎn)生這些元素的磨損發(fā)生部位及其嚴(yán)重程度，并依此對(duì)相應(yīng)的零部件工作狀態(tài)作出判斷。第1頁(yè)/共36頁(yè)6.1.1.1原子吸收光譜測(cè)定法原子吸收光譜測(cè)定法原理第2頁(yè)/共36頁(yè)6.1.1.2原子發(fā)射光譜測(cè)定法原子發(fā)射光譜測(cè)定法原理第3頁(yè)/共36頁(yè)6.1.1.3光譜分析的磨損界限

光譜分析的磨損界限因油樣來(lái)源的不同變化很大，取決于它們合金成分的多少、設(shè)備的類(lèi)型、工作特點(diǎn)以及初期缺陷的性質(zhì)。在某種情形下，顯示銅和鐵元素含量達(dá)量級(jí)時(shí)，機(jī)器仍運(yùn)行良好；但在另一種情形下，元素濃度小于，事故卻即將來(lái)臨。因此，采用油樣光譜分析技術(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行工況監(jiān)測(cè)與故障診斷時(shí)，一定要針對(duì)具體設(shè)備和工作條件作反復(fù)試驗(yàn)，才能確定出合適的磨損界限。第4頁(yè)/共36頁(yè)6.1.2油樣的鐵譜分析技術(shù)

鐵譜分析方法是利用經(jīng)過(guò)稀釋的油液通過(guò)一塊具有高磁場(chǎng)梯度的玻璃片或玻璃管，將潤(rùn)滑油中所含的磨粒或碎屑，按其粒度大小有序地分離開(kāi)來(lái)，經(jīng)過(guò)光學(xué)顯微觀察和光密度計(jì)計(jì)數(shù)，可對(duì)磨屑的來(lái)源、產(chǎn)生的原因以及零部件磨損的程度進(jìn)行定性和定量分析，及時(shí)作出機(jī)器零部件的故障預(yù)報(bào)。鐵譜儀是鐵譜分析的關(guān)鍵設(shè)備，根據(jù)其工作方式的不同，鐵譜儀可分為直讀式鐵譜儀、分析式鐵譜儀和旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀。6.1.2.1鐵譜分析儀的工作原理第5頁(yè)/共36頁(yè)6.1.2.1.1直讀式鐵譜儀1、2——光伏探測(cè)器；3——磁鐵；4——光導(dǎo)纖維；5——白熾燈光源；6——接油杯；7——放大電路；8——數(shù)顯裝置；9——壓塊；10——沉積管；11——毛細(xì)管直讀式鐵譜儀的結(jié)構(gòu)和工作原理第6頁(yè)/共36頁(yè)6.1.2.1.1直讀式鐵譜儀磨屑在沉積管內(nèi)的沉積規(guī)律直讀式鐵譜儀的性能特點(diǎn)：

1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜（約為分析式鐵譜儀的1/4）；

2、制譜與讀譜合二為一，分析過(guò)程簡(jiǎn)便快捷；

3、讀數(shù)穩(wěn)定性、重復(fù)性較差，隨機(jī)因素干擾影響大；

4、只能提供關(guān)于磨屑體積的信息，不能提供關(guān)于磨屑形貌、磨屑來(lái)源的信息，信息量有限，常用作油樣的快速分析和初步診斷。第7頁(yè)/共36頁(yè)6.1.2.1.2分析式鐵譜儀磨屑在鐵譜片上的沉積規(guī)律

分析式鐵譜儀是包括制譜儀、光密度讀數(shù)器以及雙色顯微鏡在內(nèi)的成套測(cè)試系統(tǒng)。制譜儀的結(jié)構(gòu)原理第8頁(yè)/共36頁(yè)6.1.2.1.2分析式鐵譜儀分析式鐵譜儀的性能特點(diǎn)：

1、提供的信息較豐富。分析式鐵譜儀不僅能夠提供關(guān)于磨損程度的信息，而且通過(guò)對(duì)磨屑形貌及其成分的觀察，還能提供關(guān)于磨損發(fā)生機(jī)理及發(fā)生部位的信息，也就是說(shuō)，分析式鐵譜儀所提供的信息比直讀式鐵譜儀要豐富得多，常用作油樣的精密分析。

2、直讀式鐵譜儀只能進(jìn)行一次測(cè)量，不能將沉積管從磁場(chǎng)中取出后再放上重新讀數(shù)；而分析式鐵譜儀制成的譜片可以保存起來(lái)，供以后觀察分析用。

3、制譜過(guò)程較慢，制作一個(gè)完整的譜片約需30min，且制譜時(shí)要求較嚴(yán)格，故一般只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。第9頁(yè)/共36頁(yè)6.1.2.1.3旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀的結(jié)構(gòu)原理

傳統(tǒng)分析式鐵譜儀存在兩個(gè)固有的缺陷：

1、蠕動(dòng)泵輸送油樣時(shí)對(duì)磨屑的碾壓和拋光效應(yīng)，改變了磨屑的原始形貌，從而影響對(duì)其形貌特征識(shí)別和磨損機(jī)理的研究。

2、由于沉積面積有限，先行沉積的磨屑對(duì)流道堵塞，不僅造成了磨屑的堆積，而且還破壞了磨屑在譜片上的沉積規(guī)律，從而影響鐵譜的定量分析。第10頁(yè)/共36頁(yè)6.1.2.1.3旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀旋轉(zhuǎn)譜片旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀的磁場(chǎng)裝置原理第11頁(yè)/共36頁(yè)6.1.2.2鐵譜的定性與定量分析

鐵譜定性分析是使用鐵譜顯微鏡對(duì)鐵譜片上沉積的顆粒進(jìn)行形狀、尺寸大小、形貌和成分的分析，建立磨損狀態(tài)類(lèi)型與磨損顆粒形態(tài)的相互關(guān)系，判別摩擦副的磨損狀態(tài)，以確定故障情況和磨損部位。目前，對(duì)鐵譜片進(jìn)行定性分析的方法主要有鐵譜顯微鏡法、掃描電鏡法和加熱分析法三種。

盡管鐵譜分析技術(shù)獲得了廣泛的應(yīng)用，但至今尚沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定量指標(biāo)。第12頁(yè)/共36頁(yè)6.1.2.3鐵譜分析的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：具有較高的檢測(cè)效率和較寬的磨屑尺寸檢測(cè)范圍，可同時(shí)給出磨損機(jī)理、磨損部位以及磨損程度等方面的信息。缺點(diǎn)：

1、操作環(huán)節(jié)較多，監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng)，影響因素復(fù)雜，檢測(cè)與診斷的正確性取決于操作人員的經(jīng)驗(yàn)與熟練程度。

2、對(duì)采樣要求較為苛刻，分析成功與否，首先取決于能否從潤(rùn)滑系統(tǒng)中取到有代表性的油樣。

3、對(duì)非鐵磁性磨損顆粒的檢測(cè)效果欠佳，影響了其對(duì)有色合金摩擦副的監(jiān)測(cè)效果。第13頁(yè)/共36頁(yè)6.1.3應(yīng)用實(shí)例例1：機(jī)車(chē)柴油機(jī)故障的光譜、鐵譜分析東風(fēng)4型3877號(hào)機(jī)車(chē)光譜分析曲線

某機(jī)務(wù)段對(duì)東風(fēng)4型機(jī)車(chē)柴油機(jī)1998年即將進(jìn)入第4次輔修時(shí)，光譜、鐵譜分析診斷為“嚴(yán)重異常磨損”，并發(fā)出“危險(xiǎn)”預(yù)報(bào)，于是提前檢修。檢查中發(fā)現(xiàn)第3缸活塞裙部及第8缸缸套嚴(yán)重崩缺，第11缸活塞環(huán)槽磨損嚴(yán)重。在故障發(fā)生前的近一年中，鐵、鋁分析數(shù)據(jù)一起處于穩(wěn)定、緩慢的攀升狀態(tài)。同年5月，分析鐵譜片上開(kāi)始出現(xiàn)精細(xì)的鋁磨粒。7月的光鐵譜、鋁分析數(shù)據(jù)激增，鐵譜片上鋁磨粒數(shù)量明顯增多，尺寸開(kāi)始增大（鋁磨粒最大尺寸已達(dá)30um），同時(shí)出現(xiàn)銅磨粒以及少量的鋼磨粒，預(yù)示著磨損狀態(tài)已很?chē)?yán)重，立刻發(fā)出報(bào)警信號(hào)。隨后的拆檢結(jié)果證實(shí)了預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。第14頁(yè)/共36頁(yè)東風(fēng)4型0122號(hào)機(jī)車(chē)光譜分析曲線

東風(fēng)4型的0122號(hào)機(jī)車(chē)柴油機(jī)，在得到光譜、鐵譜分析“異常磨損”的預(yù)報(bào)之后，車(chē)輛停運(yùn)拆檢，發(fā)現(xiàn)第6缸活塞環(huán)咬死，造成活塞頂部燒穿及缸套拉傷。受補(bǔ)換油的影響，光譜分析數(shù)據(jù)呈反復(fù)波動(dòng)狀態(tài)。鐵、鋁分析數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度明顯增大，鋁元素?cái)?shù)據(jù)反復(fù)超標(biāo)，磨損狀態(tài)診斷為活塞故障。鐵譜分析在第3次輔修后開(kāi)始出現(xiàn)異常，發(fā)現(xiàn)了尺寸較大的鋁磨粒。跟蹤監(jiān)測(cè)中，鋁磨粒濃度及尺寸不斷上升，最大已達(dá)40um，呈疲勞剝落及撕扯狀，同時(shí)相繼出現(xiàn)較多的黑色氧化物、腐蝕磨粒和小球粒，表明潤(rùn)滑狀態(tài)已相當(dāng)惡劣，活塞組件磨損嚴(yán)重，于是連續(xù)兩次發(fā)出警報(bào)信號(hào)，經(jīng)檢查后排除了故障源。6.1.3應(yīng)用實(shí)例例2：機(jī)車(chē)柴油機(jī)故障的光譜、鐵譜分析第15頁(yè)/共36頁(yè)1、機(jī)器發(fā)生異常磨損的判別機(jī)器是否發(fā)生異常磨損，不僅僅看潤(rùn)滑油中所含磨損顆粒數(shù)量的絕對(duì)值大小，更重要的是要看油中的磨粒隨時(shí)間的變化速率和大磨粒的尺寸變化趨勢(shì)。機(jī)器內(nèi)磨損顆粒存在的特點(diǎn)是，當(dāng)磨損量穩(wěn)定的時(shí)候，磨粒產(chǎn)生的數(shù)量等于漏損掉的數(shù)量，磨粒在油中將達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡值。非正常磨損時(shí)將產(chǎn)生較大的磨粒，而且磨粒隨時(shí)間的增長(zhǎng)速率也將大大增加。鐵譜分析中，顆粒的大小、單位時(shí)間內(nèi)增長(zhǎng)數(shù)的多少以及顆粒的磨損類(lèi)型是三個(gè)重要的分析指標(biāo)。磨損量的正常值、注意值、警告值是通過(guò)反復(fù)實(shí)踐、總結(jié)、修正摸索出來(lái)的。不同機(jī)械、不同部位標(biāo)準(zhǔn)不同。6.1.4應(yīng)用光譜、鐵譜分析應(yīng)注意的問(wèn)題第16頁(yè)/共36頁(yè)2、主觀因素的影響鐵譜分析是利用鐵譜技術(shù)對(duì)潤(rùn)滑油中金屬顆粒的尺寸、形態(tài)、顏色、數(shù)量及分布狀況進(jìn)行定性分析，受人主觀因素影響較大，要求分析人員具有一定的理論知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。對(duì)同一臺(tái)設(shè)備同一部位潤(rùn)滑油的分析，最好由一個(gè)人負(fù)責(zé)，以保持分析結(jié)果的一致性和連續(xù)性。6.1.4應(yīng)用光譜、鐵譜分析應(yīng)注意的問(wèn)題第17頁(yè)/共36頁(yè)3、光譜、鐵譜結(jié)合分析光譜分析可以了解潤(rùn)滑油中金屬含量，但不能分析金屬顆粒的形狀、磨損類(lèi)型。鐵譜分析可以了解磨損顆粒形狀和類(lèi)型，但不能準(zhǔn)確掌握磨損金屬含量。兩者結(jié)合，既可定性又可定量地分析潤(rùn)滑油中的金屬含量，而且有利于分析金屬顆粒的來(lái)源。兩者互為補(bǔ)充，互為參考。6.1.4應(yīng)用光譜、鐵譜分析應(yīng)注意的問(wèn)題第18頁(yè)/共36頁(yè)4、監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)和側(cè)重點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要磨損顆粒為鐵顆粒，鐵的含量有一定程度升高問(wèn)題不大，但鋁、銅、鉛、鉻含量稍有升高，則可能伴隨著異常磨損。

變速箱主要磨損顆粒為銅顆粒，鐵含量的增加，一定伴隨著異常磨損。

液壓系統(tǒng)對(duì)潤(rùn)滑油清結(jié)度要求非常高，任何金屬含量的升高都表明存在異常磨損，應(yīng)引起重視。發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱出現(xiàn)異常磨損，將在一段時(shí)間后才會(huì)產(chǎn)生故障，但液壓系統(tǒng)一旦出現(xiàn)異常磨損，將在很短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生故障。對(duì)液壓系統(tǒng)的監(jiān)控周期要短，一旦發(fā)生異常磨損，應(yīng)立即采取措施，防止發(fā)生故障。6.1.4應(yīng)用光譜、鐵譜分析應(yīng)注意的問(wèn)題第19頁(yè)/共36頁(yè)6.2聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)6.2.1聲發(fā)射檢測(cè)的基本原理聲發(fā)射的傳播形式聲發(fā)射信號(hào)傳播過(guò)程

聲發(fā)射是材料在外載荷（如力、熱、電、磁等）和內(nèi)力的作用下以彈性波的形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象。

Kaiser不可逆效應(yīng)：材料被重新加載期間，在應(yīng)力值達(dá)到上次加載最大應(yīng)力之前不產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。第20頁(yè)/共36頁(yè)6.2.1聲發(fā)射檢測(cè)的基本原理突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)第21頁(yè)/共36頁(yè)6.2.2聲發(fā)射信號(hào)的表征參數(shù)6.2.2.1計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)率聲發(fā)射信號(hào)波形

傳感器每振蕩一次輸出的一個(gè)脈沖稱(chēng)為振鈴，將振鈴脈沖峰值連起來(lái)形成包絡(luò)線，包絡(luò)線所包圍的一個(gè)大信號(hào)稱(chēng)為一個(gè)聲發(fā)射事件。從包絡(luò)線上超過(guò)的一點(diǎn)開(kāi)始到降低至的一段時(shí)間稱(chēng)為事件寬度，與其后的信號(hào)延續(xù)時(shí)間之和稱(chēng)為事件持續(xù)時(shí)間。

在事件持續(xù)時(shí)間內(nèi)，對(duì)每一個(gè)事件計(jì)一次數(shù)的方法稱(chēng)事件計(jì)數(shù)，計(jì)量單位時(shí)間內(nèi)的事件數(shù)，稱(chēng)為時(shí)間計(jì)數(shù)率。振鈴脈沖超過(guò)門(mén)檻值的次數(shù)稱(chēng)為振鈴計(jì)數(shù)，單位時(shí)間內(nèi)的振鈴計(jì)數(shù)稱(chēng)為振鈴計(jì)數(shù)率。第22頁(yè)/共36頁(yè)6.2.2.1計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)率聲發(fā)射信號(hào)簡(jiǎn)化波形參數(shù)的定義第23頁(yè)/共36頁(yè)6.2.2.1計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)率阻尼正弦波V為瞬時(shí)電壓，為最大幅值電壓，為角頻率，為衰減系數(shù)，t為時(shí)間。如果比振蕩周期長(zhǎng)得多，那么振鈴計(jì)數(shù)N為：

傳感器的諧振頻率是固定的，傳感器與試樣的耦合良好，對(duì)同一傳感器、同一試樣，就可認(rèn)為衰減系數(shù)是常數(shù)。振鈴計(jì)數(shù)N在一定程度上反映了信號(hào)的幅度。第24頁(yè)/共36頁(yè)6.2.2.2幅度和幅度分布1、累計(jì)事件幅度分布

為累計(jì)事件幅度分布，為門(mén)檻電壓，b為指數(shù)。2、能量R為電壓測(cè)量線路的輸入阻抗，為與時(shí)間有關(guān)的電壓。第25頁(yè)/共36頁(yè)6.2.2.2幅度和幅度分布3、微分事件概率幅度分布可以區(qū)別斷裂特征。當(dāng)裂紋以大的臺(tái)階擴(kuò)展，大幅度的聲發(fā)射信號(hào)比例較大時(shí)，此參數(shù)就低。當(dāng)裂紋以小的臺(tái)階擴(kuò)展、次數(shù)很多時(shí)，此參數(shù)值就大。如果產(chǎn)生聲發(fā)射的聲源不變，當(dāng)同一因素（如傳播距離）變化影響幅度時(shí)，此參數(shù)值不變。第26頁(yè)/共36頁(yè)6.2.2.3聲發(fā)射源定位設(shè)聲發(fā)射源落在x軸上，聲發(fā)射源位于，則。當(dāng)傳感器接收次序?yàn)?#→2#時(shí)，；接收次序?yàn)?#→1#時(shí)，則。直線定位

發(fā)射源在一直線上時(shí)，以兩傳感器連線的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，設(shè)兩傳感器相距為2c，信號(hào)到達(dá)兩個(gè)傳感器的時(shí)差為t，聲波在材料中的傳播速度為v，則聲發(fā)射源離兩傳感器的距離差2a為：第27頁(yè)/共36頁(yè)6.2.2.3聲發(fā)射源定位聲發(fā)射源與傳感器不在一條直線上時(shí)：信號(hào)接收次序?yàn)?#→2#時(shí)，x取負(fù)值，當(dāng)2#→1#時(shí)，x取正值。非直線定位第28頁(yè)/共36頁(yè)6.2.3聲發(fā)射檢測(cè)儀器

單通道聲發(fā)射儀只有一個(gè)信號(hào)測(cè)量通道，主要由傳感器、前置放大器、衰減器、濾波器、主放大器、門(mén)檻電路、聲發(fā)射計(jì)數(shù)器、總數(shù)計(jì)數(shù)器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器等基本部分組成。單通道聲發(fā)射儀原理

聲發(fā)射儀器的作用主要有三個(gè)：接收聲發(fā)射信號(hào)、處理信號(hào)、顯示聲發(fā)射數(shù)據(jù)。按接收聲發(fā)射信號(hào)的通道數(shù)目，聲發(fā)射儀器分為三類(lèi)：?jiǎn)瓮ǖ缆暟l(fā)射儀、雙通道聲發(fā)射儀、多通道聲發(fā)射儀。第29頁(yè)/共36頁(yè)6.2.3聲發(fā)射檢測(cè)儀器USB高速同步數(shù)據(jù)采集儀第30頁(yè)/共36頁(yè)6.2.3聲發(fā)射檢測(cè)儀器聲發(fā)射信號(hào)波形第31頁(yè)/共36頁(yè)6.2.4聲發(fā)射檢測(cè)的研究及應(yīng)用領(lǐng)域1、石油化工工業(yè)：各種壓力容器、壓力管道和海洋石油平臺(tái)的檢測(cè)和結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)，常壓儲(chǔ)罐底部、各種閥門(mén)和埋地管道的泄漏檢測(cè)等。

2、電力工業(yè)：高壓蒸汽汽包、管道和閥門(mén)的檢測(cè)和泄漏監(jiān)測(cè)，汽輪機(jī)葉片的檢測(cè)，汽輪機(jī)軸承運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)，變壓器局部放電的檢測(cè)。

3、材料試驗(yàn)：材料的性能測(cè)試、斷裂試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、腐蝕監(jiān)測(cè)和摩擦測(cè)試，鐵磁性材料的磁聲發(fā)射測(cè)試等。

4、民用工程：樓房、橋梁、起重機(jī)、隧道、大壩的檢測(cè)，水泥結(jié)構(gòu)裂紋開(kāi)裂和擴(kuò)展的連續(xù)監(jiān)視等。第32頁(yè)/共36頁(yè)6.2.4聲發(fā)射檢測(cè)的研究及應(yīng)用領(lǐng)域5、航天和航空工業(yè)：航空器殼體和主要構(gòu)件的檢測(cè)和結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)，航空器的時(shí)效試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)檢測(cè)和運(yùn)行過(guò)程中的在線連續(xù)監(jiān)測(cè)等。

6、金屬加工：工具磨損和斷裂的探測(cè)，打磨輪或整形裝置與工件接觸的探測(cè)，修理整形的驗(yàn)證，金屬加工過(guò)程的質(zhì)量控制，焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)，振動(dòng)探測(cè)，鍛壓測(cè)試，加工過(guò)程的碰撞探測(cè)和預(yù)防。

7、交通運(yùn)輸業(yè)：長(zhǎng)管拖車(chē)、公路和鐵路槽車(chē)及船舶的檢測(cè)和缺陷定位，鐵路材料和結(jié)構(gòu)的裂紋探測(cè)，橋梁和隧道的結(jié)構(gòu)完整性檢測(cè)，卡車(chē)和火車(chē)滾珠軸承和軸頸軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，火車(chē)車(chē)輪和軸承的斷裂探測(cè)。

8、其它：磨損摩擦監(jiān)測(cè)，發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的在線過(guò)程監(jiān)測(cè)，鋼軋輥的裂紋探測(cè)，汽車(chē)軸承強(qiáng)化過(guò)程的監(jiān)測(cè)