发动机状态监测与故障诊断讲义

定义：了解内燃机在使用过程中的状态，确定其整体或局部正常或异常，早期发现故障及其原因，并能预知故障发展趋势的技术。状态监测三阶段：状态监测、分析诊断、治理预防状态监测在设备运行中，对特定的特征信号进行检测、变换、分析处理并显示、记录，是对设备进行故障诊断的基础工作分析诊断信号分析处理：把获得的信息通过一定的方法进行变换处理，从不同的角度提取最直观、最敏感、最有用的特征信息故障诊断：根据状态监测与信号分析处理所提供的能反映设备运行状态的征兆或特征参数的变化情况，并与某些故障特征参数进行比较，以识别设备是运转正常还是存在故障治理预防存在故障时，就其原因、部位和危险程度采取治理措施和预防的方法铁谱分析技术铁谱分析技术(Ferrography)利用具有高梯度磁场作用的铁谱仪(Ferroscope)将机器摩擦副中产生的磨损颗粒从润滑油液中分离出来，并使其按照尺寸大小依次沉积在一显微基片上而制成铁谱片(Ferrogram)，然后置于铁谱显微镜(Ferroscope)或扫描电子显微镜下进行观察；或者按照尺寸大小依次沉积在一玻璃管内，通过光学方法进行定量检测，以获得摩擦副磨损过程的各类信息，从而分析机器的磨损机理和判断磨损的状态。这种包括从润滑油液取样开始直至作出分析与判断的技术被称之为铁谱分析技术。机器在运转时，摩擦副零件表面的相对运动和相互接触会产生摩擦、磨损，不断产生磨损颗粒和碎屑(简称磨粒)。这些磨粒的尺寸极其微小，它们在润滑油中一般呈悬浮状态。由于摩擦副中润滑油的循环流动，这些磨粒不断地被带出机器的摩擦副表面。实践证明，机器在不同的磨损状态(跑合期、正常磨损期、严重磨损期)下会产生出各种不同尺寸、形状、浓度和成分的磨粒，监测这些磨粒，通过分析可得出它们的磨损型式和磨损机理，从而判断出机器零件表面的磨损状态，由此可以最直接地反映出机械设备的失效信息。铁谱分析仪分类（1）分析式铁谱仪(AnalyticalFermgnph)分析式铁谱仪是最先开发出来的铁谱技术机器，它的工作原理是使润滑油样流经一个特制的高梯度强磁场，其中的铁磁性磨粒在磁场力的作用下被分离出来并依照尺寸大小有序地沉积在一玻璃基片上，制成铁谱片。利用铁谱显微镜或扫描电子显微镜对谱片上的磨粒进行观察和分析，推断机械摩擦副表面的磨损状态；通过对铁谱片的加热分析、扫描电镜x射线能谱分析，确定谱片上磨粒的成分，从而推断其来源部位；利用光密度计等定量测量磨粒覆盖面积百分数，通过对测量结果的趋势分析来判断机械设备的磨损程度，预报机器零部件的磨损趋势。(2)旋转式铁谱仪(RotaryParticleDepositor)1983年英国斯旺西(swsea)大学研制了旋转式铁谱仪，也被称为旋转式磨粒沉积器，简称RPD。旋转式铁谱仪的核心装置是一圆形磁铁，磁铁转动的同时产生离心力，油液中的磨粒在磁场力和离心力的共同作用下按尺寸大小沉积排列在一方形基片上，分别形成内、中、外三个同心圆环，为RPD铁谱片。由于离心力的作用，油液中大部分的污染颗粒被清除，避免了污染颗粒埋没磨屑现象的发生。此后对谱片的分析与分析式铁谱仪相同，利用各种仪器和方法，观察磨粒的形貌，确定磨粒成分，判断机械设备的磨损程度，预报机器零部件的磨损趋势。RPD的最大缺点是磁场中的磁力线垂直于基片，磨粒沉积时会在磁力线方向上堆积，当基片挪离磁场时，长长的磨屑链会随机倒下，造成谱片分析的困难。中国矿业大学摩擦学研究所杨志伊教授等人针对旋转式铁谱仪的缺点和去处污染颗粒的优点，结合分析式铁谱仪的优点设计出了KTP型旋转式铁谱仪。事实表明，KTP型旋转式铁谱仪不但弥补了分析式铁谱仪及RPD的不足，而且在主要性能指标上已达到和超过了分析式铁谱仪。如今，这一型号的铁谱仪已在诸多厂家和研究单位普及。(3)直读式铁谱仪()直读式铁谱仪使润滑油样流经一个特制的高梯度强磁场，其中的铁磁性磨粒按照尺寸大小依次沉积在一玻璃管内。光电传感器接受大、小磨粒沉积位置的两道光束，测定磨粒浓度的读数，这两个读数直接代表大、小磨粒的相对数量，可以被用来解释机器摩擦副的磨损状态。因为没有谱片，直读式铁谱仪不能对磨粒的形貌和材料成分进行分析。但该仪器操作过程简单方便、分析结果定量化，因而对机器工况监测特别有用。目前，它在工厂、基地、港口、船舶等处得到广泛应用。(4)在线铁谱仪(on．nneFermgmph)上述铁谱仪需从机器中先采集油样，再送到实验室利用仪器进行分析，而后再将分析结果返回到现场，根据需要进行检查与维修。如此一来，取样、制谱工作繁杂，不仅增加了工作量，而且提高了成本。为克服这些不足，研制了在线铁谱仪。在实际应用中，将该仪器直接安装在机器的循环润滑油路上，润滑油中的磨粒在高梯度磁场的作用下按尺寸大小依次沉积到沉淀管上，相应的传感器测出大、小磨粒浓度。仪器预先设定～个磨粒浓度值，当到达此浓度值时流量便自动切断，一次测量结束，同时仪器测出润滑油体积，根据润滑油体积的差异可推知机器设备不同的磨损状况。尽管在线铁谱仪实时、快速、简便，但是由于工作环境的恶劣性和所监测设备的复杂性，监测结果会受到各个方面因素的影响。另外，在线铁谱仪与直读式铁谱仪一样只能对磨粒做定量分析而不能对其做定性分析，因而将其应用到工业领域还有许多需要研究和解决的问题。(5)气动式铁谱仪()气动式铁谱仪是用于干磨料磨损条件下磨粒分析的一种新型铁谱仪，其工作原理为：让含有磨粒的粉状物料在气流的带动下通过一高梯度磁场，铁磁性磨粒依尺寸大小有序地沉积在玻璃基片上，非铁磁性磨粒被吹走，而后利用各种仪器对谱片进行定量与定性分析，判断机器的磨损状态。气动式铁谱仪既可用于实验室干磨料磨损条件下的磨粒分析，也可用于实际工况条件下的应用研究。实践表明，它不仅能快速地收集磨粒，而且操作也比较简便，为研究千磨料磨损提供了一种十分有效的工具。(6)电磁式铁谱仪()在上述几种铁谱仪中，为了保证磁场的高梯度，一般选用具有优良磁性能的永磁材料，而且磁铁要有足够的尺寸，一旦制作好，铁谱仪的磁感应强度就不能改变。为了克服这些问题，西安交通大学谢友柏教授及其指导下的铁谱技术研究组于1982年研制成功了电磁式铁谱仪。该铁谱仪的基本组成与分析式铁谱仪相同，但它用一直流电磁装置取代了一般铁谱仪中的永磁装置。通过严格设计磁极尖部形状、尺寸、气隙宽度等参数，保证了磁感应强度的连续可调。通过对电磁式铁谱仪多方面的性能考核，表明该仪器电磁装置的磁场强度高、梯度高，磁性稳定，而且它最突出的优点是磁场强度连续可调。事实证明，电磁式铁谱仪的研制成功不仅是国际先进、国内首创，而且还为西安交大后来研制OLF一1、OLF一4等在线铁谱仪提供了基础(张鄂，2001)。铁谱分析方法(1)定性铁谱分析法定性分析主要是对磨粒的形态(形状及表面状态)进行观察。磨粒形成机理的研究表明：不同的磨损型式会产生不同种类的磨粒：不同种类的磨粒具有其自身特征。通过分析磨粒形态可以识别磨粒的类型、磨损程度和机理，判断摩擦副的磨损形式及磨损状态；同时通过分析磨粒的成分可以判断机器发生故障的部位，指导维修(魏海军，孙培廷，2004；王志坚，2005)。(2)定量铁谱分析法定量分析通过测量磨粒的百分覆盖面积来确定磨粒浓度、大小磨粒的相对含量，反映机器在运行过程中磨损率的变化，从而对零件磨损的进程进行量的评估(魏海军，孙培廷，2004；王志坚，2005)。定量分析可以直观地确定磨损率及磨损趋势的变化，为故障的预报与诊断提供充分准确的判据。(3)定性与定量相结合的分析方法定性与定量铁谱分析法各有优点，也各有缺点。定性分析没有给出摩擦副磨损的确切量度，而定量分析却不能确定具体的故障和故障部位，因此将两者相结合是目前铁谱分析人员采用最多的一种分析方法。这种方法结合了两种方法的优点，弥补了它们的不足，提高了铁谱分析的可靠性，但分析过程复杂，分析时间长。铁谱技术实际应用的主要目的，是通过分析磨粒的特征来区分正常磨损和异常磨损，并对磨损失效提出早期预报特点优点：①可以沉淀和分析有价值的微粒（区别外界干扰粒子）②监测磨粒尺寸范围大，监测效率高（微米到毫米级）③可以同时进行磨粒的定性检测和定量分析④能够早期诊断磨损故障缺点①对油液取样及处理要求较高②对分析人员素质要求高，分析结果人为因素大③谱片资料管理困难