第六章 往复机械

东北大学设备诊断工程中心1第六章往复机械故障诊断6.1概述6.2往复机械基础知识6.3往复机械的性能检测6.4发动机振动的传递特性的研究6.5往复机械运动件磨损状态的监测东北大学设备诊断工程中心26.1概述往复运动在机械运动中往复运动是一种最常见的运动。通过一系列的机构将往复（直线、摆动）运动变成回转或将回转变成往复运动。常用构件有凸轮、齿轮、链轮、齿条、偏心轮、曲柄、连杆等。主要研究对象曲柄－连杆机构，内燃机、往复式空气压缩机。内燃机监测包括性能监测和机械状态监测。往复式空压机系统监测系统由电动机、往复式空压机、中冷器、储气罐等一系列设备组成，应该对整个系统进行监测监控。东北大学设备诊断工程中心3监测诊断的复杂性：⑴激励源复杂，频率成分复杂；⑵运动部件多而复杂，包含在机身内，其参数难以测量，其状态难以判定；⑶在发动机的不同部件中，激励力的传递途径，激励力对表面振动的贡献，众多的激励（同时作用）与各自响应（交织一起）对应关系的识别；⑷当发动机的运动部件出现不同故障，是否引起相应的激励变化？是否引起表面振动信号的改变？反向分析诊断是否可行？⑸缸与缸之间、本缸部件间互相干扰，能否区别？⑹敏感测点如何选择，判据如何确定？东北大学设备诊断工程中心4综合监测检测方法不可以单一化、简单化；振动检测、温度检测、铁谱分析、光谱分析、性能参数测定等，必须综合检测，全面分析。人员要求对设备结构的清晰了解，对动力特性的深刻掌握，对故障机理通晓，较为全面的相关领域知识，丰富的设备维护、管理及实际工作经验等。东北大学设备诊断工程中心56.2往复机械基础知识图6.2挡车轭机构1主轴；2滑动块；3压头6.2.1往复机械的分类1.档车轭机构档车轭机构如图6.2所示。以主轴的偏心动作带动而实现锻压机的压缩运动。东北大学设备诊断工程中心6图6.3直线往复机构1蜗杆；2输入轴；3机架；4蜗轮2.直线往复机构直线往复机构如图6.3所示。使往复运动和输入轴的旋转相一致。［印刷机油墨进给圆筒的联动机构］东北大学设备诊断工程中心7图6.4往复空间曲柄1输入件；2连接环A；3连接环B；4输出件3.往复空间曲柄如图6.4的锉床。将输入轴１的旋转，经连接环、，转变成输出件４的往复运动。东北大学设备诊断工程中心8图6.5发动机的“菱形”传动4.发电机的菱形传动机构如图6.5所示的发电机的菱形传动机构。将往复运动转化成转动。是一种菲利普公司研制的新型传动机构，用于具有高热效率发动机、热气机。１密封填料箱；２缓冲室；３控制杆；４曲轴；５活塞；６移动活塞杆；７动力活塞；８动力活塞杆；９齿轮东北大学设备诊断工程中心9图6.6曲柄－连杆机构类型简图abcd5.曲柄－连杆机构如图6.6所示的曲柄－连杆机构由活塞、连杆、曲柄三个基本元件组成的运动机构，广泛应用于内燃机、往复式空压机等。东北大学设备诊断工程中心10abcd曲柄－连杆机构可分为四种类型：⑴正置式曲柄－连杆机构，如图6.6所示。气缸中心线通过曲柄的回转中心，侧推力由缸套承受。（内燃机采用）⑵十字头式曲柄－连杆机构，如图6.6所示。气缸中心线通过曲柄的回转中心，侧推力由十字头和导板承受。⑶偏置式曲柄－连杆机构，如图6.6所示气缸中心线偏置在曲柄回转中心的一侧。（少量高速小型内燃机采用）⑷主、副连杆式曲柄－连杆机构，如图6.6所示。一个曲柄带动几个主副连杆工作。（航空用星型活塞式发动机的标准运动机构）东北大学设备诊断工程中心11x图6.7正置式曲柄－连杆机构几何关系图6.2.2正置式曲柄－连杆机构的工作特点1.活塞的位移、速度、加速度⑴活塞位移的计算由图6.7的几何关系可得：)cos1()cos1(LRx（6.1）sinsinLR222sin1sin1cos设东北大学设备诊断工程中心12图6.7中：活塞销中心；曲柄销中心；连杆长度；曲柄半径；活塞冲程，；曲柄转角；连杆摆角；曲柄半径与连杆长度比，且。ABLLR/RS2RS由此可得：)sin11()cos1(22LRx（6.2）一般，按二项式定理展开式（6.2），并略去的高次项，则有常用近似式：5.3/1)2cos1(4)cos1(RRx（6.3）东北大学设备诊断工程中心13vt⑵活塞运动速度的计算对式（6.3）求导，并注意到：则活塞运动速度的近似式为：)2sin2sin(Rxv（6.4）⑶活塞加速度的计算同理，对式（6.3）求导，可得活塞加速度的近似式为：)2coscos(2Rxa（6.5）a东北大学设备诊断工程中心14PgPjPjgPPPPHPPcP2.作用力分析⑴连杆小端处作用力的分析连杆小端处作用力由两部分组成：周期性变化的气体压力，活塞惯性里，有。如图6.8所示，在垂直于汽缸壁方向的分力（活塞侧推力）、在连杆中心线方向的分力（连杆推力）可由式给出。22sin1sincossintanPLRPPPH22sin11cos1LPPPca（）东北大学设备诊断工程中心15cPNPP⑵连杆大端处作用力的分析连杆推力沿连杆中心线传递给曲柄销处，可分解成沿曲柄方向的法向分量和垂直于曲柄方向的切向分量，据几何关系可写为：cos)(cos)(cosPPPcNcos)(sin)(sinPPPcb（）连杆因其质量，在运动中对曲柄销有惯性力作用，设连杆大端回转质量所产生的离心力为，故曲柄销处承受的法向力应为：BrPBrNNPPP东北大学设备诊断工程中心16cosrjgPPPVsinrHPPHcRANPPcca⑶主轴颈处作用力的分析取曲柄连杆机构为研究对象，其受力图如图6.8所示，轴颈处垂直作用力和水平作用力为：（）从图6.8、上看，内燃机输出扭矩为：东北大学设备诊断工程中心176.2.3内燃机常用参数及计算公式用于判定气缸内部工作状况的常用参数及简单计算公式为：1.研究工作循环有效性的参数⑴平均指示压力（）平均指示压力单位气缸工作容积所做的指示功。即iPhiiVWP/式中工作循环的指示功；气缸工作容积。iWhV［假设在一个完整活塞行程内，一个不变的力所做的功，与实际工作循环所做的功相等。］iP东北大学设备诊断工程中心18平均指示压力的大小，主要与气体与燃料的混合情况、换气质量、燃烧速度、负荷有关。对于内燃机，负荷增加，平均指示压力就会增大；对于非增压式柴油机，平均指示压力主要受过量空气系数（）的影响［要保证足够的过量空气系数，才能使平均指示压力满足要求］；对于增压式柴油机，平均指示压力的提高主要受柴油机热负荷的限制。东北大学设备诊断工程中心19⑵指示功率（）指示功率内燃机燃气在气缸中单位时间内所完成的指示功，即式中柴油机转，；气缸数；冲程数。iN)(1037WknVNPihiiinmin/ri东北大学设备诊断工程中心20⑶平均有效压力（）平均有效压力一个不变的压力，作用在活塞整个行程上所做的功，同柴油机曲轴上所发出的有效功（有效功=指示功－机械损失功）相等，即式中输出的有效功式中机械损失压力；机械效率。平均有效压力随平均指示压力和机械效率变化而变化。mimiePPPP410heeVWPeWePmPm东北大学设备诊断工程中心21⑷有效功率（）有效功率（轴功率、制动功率）是指内燃机曲柄输出的实际功率，即内燃机有效功率测定（常用）方法：在实验台上用制动测功机测出输出轴转矩，并以下式计算：eN)(1037WkinVPNhee)(955018.910230WknMMnNeee东北大学设备诊断工程中心22mNmimiemNNNN1⑸机械损失功率（）柴油机中构成机械损失的因素很多，主要有以下三种：①摩擦损失功率消耗在相互运动的零件间的摩擦功率。②传动损失功率带动辅助机械（燃油泵、润滑油泵、水泵、气压机、二冲程扫气泵等）的损失功率。③泵气损失功率仅发生在四冲程柴油机的进、排气过程中。⑹机械效率（）机械效率等于柴油机有效功率与指示功率之比值，即东北大学设备诊断工程中心232.研究工作循环经济性的参数⑴有效热效率（）有效热效率是指柴油机曲轴处转变成有效功相当的热量同燃料燃烧所发出的全部热量的比值，即考虑了柴油机循环的热损失、全部机械损失，给出了整台柴油机经济性的概念，表明其最终使用价值。其应用公式为：式中燃料低热值；燃料消耗量e吸热机械损失指示损失冷源吸热QQQQQemiTueeGHN3600uHTG东北大学设备诊断工程中心24eg)/(1000hWkgNGgeTeeuH)/(10003600hkWgHguee⑵有效燃料消耗率（）又称有效耗油率、比油耗有效燃料消耗率每一有效千瓦小时的工作中所消耗的燃料公斤数或克数，即当已知柴油机有效热效率和燃料低热值时，得东北大学设备诊断工程中心25内燃机旋转活塞式燃气轮式往复活塞式煤油机汽油机柴油机按燃料分类6.2.4柴油机的分类东北大学设备诊断工程中心26柴油机的分类：1.按完成每工作循环所需的冲程数目划分⑴二冲程柴油机活塞运行两个行程，曲柄旋转一转完成一个工作循环的柴油机；⑵四冲程柴油机活塞运行四个行程，曲柄旋转二转完成一个工作循环的柴油机。2.按柴油机曲柄转数划分⑴低速柴油机曲柄转速为以下；⑵中速柴油机曲柄转速为；⑶高速柴油机曲柄转速为以上。min/250rmin/1000~250rmin/1000r东北大学设备诊断工程中心273.按汽缸排列方式划分⑴直列式柴油机所有气缸排列成一直线，气缸中心线为垂直方向；⑵卧式柴油机所有气缸中心线呈水平方向排列；⑶型柴油机气缸呈“”型排列两行，两行气缸中心线相交成一定角度；⑷其他型式柴油机“”型、“”型、“”型。4.按曲柄－连杆机构的构造分类⑴筒形活塞式柴油机（箱式柴油机）活塞通过活塞销直接与连杆相连，如图6.9所示。⑵十字头式柴油机活塞通过活塞杆及十字头与连杆相连，由十字头起导程作用，如图6.9所示。VVWXHab东北大学设备诊断工程中心28图6.9柴油机筒形活塞式柴油机；十字头式柴油机abab东北大学设备诊断工程中心295.按汽缸进气方式分类⑴非增压式柴油机进气完全靠活塞本身的运动吸入空气的四冲程柴油机，用扫气泵供给较低压力的空气去扫除废气的二冲程柴油机；⑵增压式柴油机用专门的增压泵增加进气压力来提高功率的柴油机。（废气涡轮增压式柴油机）6.按功率分类⑴小型船舶柴油机额定功率小于；⑵中型船舶柴油机额定功率为；⑶大型船舶柴油机额定功率大于。Wk294Wk1470~294Wk1470东北大学设备诊断工程中心306.3往复机械的性能监测传统检测工作参数表盘显示、定期维护；现代监测结合计算机软硬件技术的应用，选择表征设备性能、运行状态的敏感参量，在线监测设备运行信息，利用数据库中的状态限值进行数据比较，趋势预报，超限报警；利用知识库中的规则，进行故障诊断，以达到对设备的。预知维修东北大学设备诊断工程中心31内燃机的性能比较复杂，监测内容比较多，主要分为以下10个子系统：⑴发电机功率和摩擦损失的监测；⑵各缸功率的平衡；⑶各缸压缩力的平衡；⑷燃油喷射系统；⑸增压系统（包括增压器）⑹排气系统；⑺曲柄箱漏气量；⑻润滑油系统；⑼冷却水系统；⑽轴承等。东北大学设备诊断工程中心32子系统常有近百个零部件组成，有众多参数需要监测。因此，选择好敏感参量，实现对其准确的测量，是后续一系列研究工作的前提基础。东北大学设备诊断工程中心33图6.10示功图分析6.3.1燃烧状态监测燃烧过程描述着火滞燃期、燃烧速度、燃烧量、燃烧不完全等。燃烧过程影响因素燃油品质、预热温度、喷油器状态等。气缸压力监测检查燃烧状态，以保证效率、防止积炭，以防组件磨损。示功图监测可从中识别以下信息：（见图6.10）东北大学设备诊断工程中心34⑴最高燃烧压力它与着火滞燃期有关并影响初期的放热速度；⑵在膨胀线上某一固定曲柄转角时缸内压力它给出了有关过后燃烧和燃烧阻滞的信