第二章 机械设备状态监测与故障诊断技术 第一节 概述 第二节 振动监测与诊断技术 第三节 噪音监测与诊断技术 第四节 温度监测技术 第二章 机械设备状态监测与故障诊断技术 第一节 概述 第二节 振动监测与诊断技术 第三节 噪音监测与诊断技术 第四节 温度监测技术 第五节 油液监测与诊断技术 第六节 无损监测技术

第一节 概述 一、机械故障及其分类 所谓机械故障，就是指机械系统（零件、组件、部件或整台设备乃 第一节 概述 一、机械故障及其分类 所谓机械故障，就是指机械系统（零件、组件、部件或整台设备乃 至一系列的设备组合）因偏离其设计状态而丧失部分或全部功能的现象。 按发生的原因分 （1）磨损性故障 （2）错用性故障 （3）先天性故障 （1）渐发故障 （2）突发故障 按引发故障的过程速率分 按功能分 （1）潜在故障 （2）功能故障 按故障影响的程度分 （2）恶性故障 （1）严重故障

二、机械故障诊断及其分类 1. 按目的分 （1）功能诊断 （2）运行诊断 2. 按方式分 （1）巡逻检测 （2）在线监测 3. 按提取信息的方式分 （1）直接诊断 （2）间接诊断 4. 按诊断时所要求的机械运行工况条件分 （1）常规工况诊断 （2）特殊工况诊断

5.按功能分 （1）简易诊断 （2）精密诊断 三、机械故障诊断技术的内容和目的 对设备的诊断有不同的技术手段，较为常用的有振动监测与诊断、噪音 监测、温度监测与诊断、油液诊断、无损探伤技术等。设备诊断技术尽管很 多，但基本上离不开信息的采集，信息的分析处理，状况的识别、诊断、预 测和决策三个环节。 机械设备状态监测及诊断技术的主要工作内容是： （1）保证机械运转状态在设计的范围内。 （2）随时报告运行状态的变化情况和恶化趋势。 （3）提供机械状态的准确描述。 （4）故障报警。

第二节 振动监测与诊断技术 一、机械振动的一般描述 机械振动是指物体在平衡位置附近作往复的运动，它表示机械系统运动 第二节 振动监测与诊断技术 一、机械振动的一般描述 机械振动是指物体在平衡位置附近作往复的运动，它表示机械系统运动 的位移、速度、加速度量值的大小随时间在其平均值上下交替重复变化的过 程。 1. 简谐振动 简谐振动是机械振动中最基本、最简单的震动形式。其振动位移x时间t 的关系可用正弦曲线表示表达式为 式中 D——振幅，又称峰值， 称为峰-峰值，其单位为mm 或 m； T——振动的周期即再现形同振动状态的最小时间间隔，单位为 s； ——振动的初相位，单位为 rad；

位移、速度、加速度是描述机械振动的三个特征量。 2. 实测的机械振动 （1）振幅 振幅表征机械振动的强度和能量，通常以峰值、平均值和有 效值表征。 （2）频率 频率是振动的重要特征之一。不同结构、不同零部件、不同 故障源，则产生不同频率的机械振动。 （3）相位 相位与频率一样都是用来表征振动特征的重要信息。不同振 动源产生的振动相位不同，对于两个振源，相位相同可使振幅叠加，产 生严重后果；反之，相位相反可能引起振动抵消，起到减振的作用。 二、机械振动信号的分析方法 1.数字信号处理 （1）采样 采样是指将所得到的连续信号离散为数字信号，其过程包 括取样和量化两个步骤。

（2）采样间隔及采样定理 （3）采样长度和频率分辨率 2. 振动信号的幅值域分析 常规副值域参数通常又称为有量纲幅域诊断参数，它们会随着故障的发展而上升，也会因工作条件的变化而变化。 3. 振动信号的时域分析 在这里提出的时域分析，主要是指相关分析和时序分析，他们可以在时域中抽取信号特征。 4. 振动信号的频域分析 实际设备振动情况相当复杂，不仅有简谐振动、周期振动、而且还伴有冲击振动、瞬态振动和随机振动，必须用傅里叶变换对这类振动信号进行分析。

时域函数 的傅立叶变换为 相应的时域函数 可用 的傅立叶逆变表示为 功率谱可由相关函数的傅立叶变换求得，也可由幅值谱计算得到。其定义为 5.几种常用的频谱处理技术简介 （1）加窗技术

常用的窗函数有: 1）Hanning 窗 2）hanning 窗 3）矩形窗

（2）频率细化技术（Zoom技术） 在故障诊断信号处理技术中，通过减小分析宽带的特殊技术 （如复调制法或相位补偿法）来细化频谱，以提高局部频段频谱分析的 分辨率的技术，称为频率细化技术。 三、振动监测参数及其选择 1. 测定参数的选定 2. 测量位置的选定 首先应确定是测量轴运动还是轴承振动。 其次应确定测点位置。 不论是测轴承振动还是测轴振动，都需要从轴向、水平和垂直三个方向测量。 3. 振动监测的周期 （1）定期检测 （2）随机检验 （3）长期连续监测

四、振动监测标准 衡量机械设备的振动标准，一般可分为绝对判断标准、相对判断 标准和类比判断标准三大类。 需要注意的是，绝对判断标准是在规定的检测方法的基础上指定的标准， 因此必须注意其适用频率范围，并且必须按规定的方法进行振动检测。适用 于所有设备的绝对判断标准是不存在的，因此一般是兼用绝对判定标准相对 判断标准和类比判定标准，这样才能获得准确、可靠的诊断结果。 五、振动监测及故障诊断的常用仪器设备 1. 涡流式位移传感器

2. 磁电式速度传感器 3. 压电式加速度传感器 4. 记录仪器 5. 振动监测及分析仪器

（1）设备简易诊断仪器 简易诊断仪器通过测量振动幅值的部分 参数，对设备的状态作出初步判断。 （2）振动信号分析仪 信号分析种类很多，一般有信号放大、过滤、A /D转换、显示、储存、分析等部分组成，有的还配有软盘驱动器，可 以与 计算机进行通信。 （3）离线监测与巡逻系统 离线检测与巡逻系统一般由传感器、采集 器检测诊断软件和微机组成，有时也称为设备预测维修系统。 （4）在线监测与保护系统 在石化、冶金、电力等行业对大型机组和 关键设备多采用在线监测系统，进行连续监测。

（5）网络化在线巡逻系统 网络化在线巡逻系统由固定安装的振 动传感器、现场数据采集模块、检测诊断软件和计算机网络等组 成，也可直接连接在检测保护系统之后。 （6）高速在线监测与诊断系统 （7）故障诊断专家系统 1. 滚动轴承的常见故障 （8）保持架损坏 （1）磨损 （2）疲劳 （3）压痕 （4）腐蚀 （5）电蚀 （6）破裂 （7）胶合 六、轴承故障的振动诊断

2.滚动轴承振动信号的频率特征 （1）转动频率。 （2）滚动体自转频率。 （3）滚动体公转频率。 （4）滚动体通过内圈的一个缺陷时的冲击振动频率。 （5）滚动体通过外圈的一个缺陷时的冲击振动频率。 3.滚动轴承的振动测量 4.振动信号分析诊断方法 滚动轴承的振动信号分析故障诊断方法可分为简易诊断法和精密诊断法两种:

（1）滚动轴承故障的简易诊断法 3）峭度系监测。 4）冲击脉冲法（SPM法）。 5）共振解调法（IFD法)。 2）峰值系数监测。 1）振幅值监测。 （2）滚动轴承故障的精密诊断法 1）低频信号分析法。 2）中、高频信号绝对值分析法。

滚动轴承各种常见故障的特征频率及故障见表：

七、齿轮故障的振动诊断 诊断方法可分为两大类：一类是检测齿轮运转时的振动和噪音，运 用频谱分析、倒频谱分析和时域平均法来进行诊断；另一类时根据摩擦学 原理论，通过润滑油液分析来实现。 1.齿轮的异常及常见失效形式 齿轮的异常通常包括以下三个方面： （1）制造误差 （3）齿轮的损伤 （2）装配误差 齿轮的损伤形式随齿轮材料、热处理、运转状态等因素的不同而不同。 1）齿面磨损失效。 2）表面接触疲劳失效。 3）齿面塑性变形。 4）齿轮弯曲断裂。 常见的损伤形式： 疲劳断齿 过载断齿

2.齿轮振动信号的频率特征 （1）啮合频率 在齿轮传动过程中，每个齿轮周期地进入和退出啮合。 （2）齿轮振动信号的调制。 （3）齿轮振动信号中的其他成分。 3.齿轮的振动测量 4.齿轮的简易诊断方法 （1）齿轮的振幅监测 （2）齿轮无量纲诊断参数的监测 5.齿轮的精密诊断方法 如表所示：

八、旋转机械常见故障的振动诊断 旋转机械是指哪些主要功能是由旋转动作来完成的机械。 1. 旋转机械的常见故障及特征 （1）转子不平衡 由转子质量中心和旋转中心之间的物理差异所引起得不平衡一般可分 为以下三种形式： 1）静不平衡 2）偶不平衡 3）动不平衡 （2）不对中 旋转机械因对不良可以引起多种故障： 1）导致动、静部件磨损，引起转轴热弯曲。 2）改变轴系临界转速，使轴系振型变化或引起共振。

3）使轴承载荷分配不均，恶化轴承工作状态，引起半速涡动 或油膜振荡，甚至引起轴承升温，烧毁轴瓦。 （3）机械松动。 （4）油膜涡动和油膜振荡。 1）油膜涡动。 油膜涡动一般是在高于一介临界转速情况下，轴承 中发生的流体动力的不稳定性。是一种转子的中心绕着轴承中心转动 的亚同步震荡现象。 2）油膜振荡。 如果轴的工作转速达到某一介临界转速的两倍时， 有可能造成涡动频率等于转子临界转速，此时将发生共振，半速涡的 振幅将被放大，振动非常剧烈，这种强烈的振动状态称为油膜振荡。

2.旋转机械的振动故障识别 九、往复机械的振动监测 目前往复机械的振动监测主要应用在如下几个方面： 1）振动法识别缸套-活塞磨损故障的诊断 2）连杆组件综合故障的诊断。 3）通过测量缸盖表面振动信号判断气门漏气等。

第三节 噪音监测与诊断技术 一、噪音测量 1. 噪音测量的传声器 传声器包括两部分： 第三节 噪音监测与诊断技术 一、噪音测量 1. 噪音测量的传声器 传声器包括两部分： 一是将声能转换成机械能的接受器。声接收器具有力学振动系统，如 振膜。传声器置于声场中，声膜在声的作用下产生受迫振动。 二是将机械能转换成电能的机电转换器。传声器依靠这两部分，可以把 声压的输入信号转换成电能输出。 传声器的主要技术指标包括灵敏度（灵敏度级）、频率特性、噪声级及 其指向特性等。

传声器按机械能转换成电能的方式不同，分为电容式传声器 （其结构如左图所示）、压电式传声器（如右图所示）和驻极体式传 声器。电容式传声器一般配用精密声级计。

2. 声级计 声级计是现场噪声测量中最基本的噪声测量仪器，可直接测量出 声压级。

3. 声强测量 4. 声功率的测量 二、噪声源与故障源识别 噪声监测的一项重要内容就是通过噪声的测量和分析来确定机器设备故 障的部位和程度。 现场实用的识别的方法： 1. 主观评价和估计法 2. 近场测量法 3. 表面振速测量法 4. 频谱分析法 5. 声强法

第四节 温度监测技术 一、温度测量基础 1. 温度与温标 （1）温度 温度是一个很重要的物理量，它表示物体的冷热程度，也 第四节 温度监测技术 一、温度测量基础 1. 温度与温标 （1）温度 温度是一个很重要的物理量，它表示物体的冷热程度，也 是物体分子运动平均动能大小的标志。 （2）温标 用来量度物体温度高低的标准尺度叫作温度标尺，简称温 标。各种各样温度计的数值都是由温标决定的，有华氏、摄氏、列氏、 理想气体、热力学和国际实用温标等。 2. 温度测量方式 温度测量方式可分为接触式与非接触式两类。

当把温度计和被测物的表面很好地接触后，经过足够长的时间 达到热平衡，则两者的温度必然相等，温度计显示的温度即为被测物 表面的温度，这种方式称为接触式测温。 非接触测温是利用物体的热辐射能随温度变化的原理来测定物体的温度。 3. 常用的温度监测仪表、仪器 常用测温仪表见表：

二、接触式温度测量 1. 热膨胀式温度计 2. 电阻式温度计 用于电阻式温度计的感温元件有金属丝电阻及热敏电阻。 3. 电热偶测温 电热偶温度计由电热偶、电测仪表和连接导线所组成，广泛地用于300 ~1300℃温度范围内的测温。 （1）电热偶测温的基本原理 由两种不同的导体（或半导体）A、B组 成的闭合回路中，如果使两个接点处于不同的温度，回路就会出现电动势， 称为电热势，这一现象既是电热效应，组成的器件为电热偶。 （2）标准化电热偶 所谓标准化电热偶是指制造工艺比较成熟、应 用广泛、能成批生产、性能优良而稳定并已列入工业标准化文件的电 热偶。

（3）非标准化热电偶 非标准化电热偶没有被列入工业标准，用在 某些特殊场合， （4）使用热电偶的几个问题 1）补偿导线及热电偶冷端补偿。 2）热电偶的校验。 3）电热势的测量。 三、非接触式测温 （一）非接触式测温的基本原理 斯忒藩-波尔兹曼定律告送我们，物体的温度越高，辐射强度就越大。 只要知道了物体的温度及其比辐射率，就可以算出它所发射的辐射功率；反之，如果测出了物体所发射的辐射强度，就可以算出它的温度，这就是红 外测温技术的依据。

（二）非接触测温仪器 1. 红外点温仪 对温度的非接触测温手段，最轻便、最直观、最快速、最价廉的是外点测温仪。 对温度的非接触测温手段，最轻便、最直观、最快速、最价廉的是红 外点测温仪。红外点测温仪按其所选择使用的接受波长分为三类： （1）全辐射测温仪 （2）单色测温仪 （3）比色测温仪

如图： 2. 红外热成像仪

红外热电视采用热释电靶面探测器和标准电视扫描方式。 （1）红外热成像系统的基本构成 （2）红外热成像系统探测波段的选择 （3）红外热成像仪的测温精度 （三）红外测温的应用 3. 红外热电视 红外热电视采用热释电靶面探测器和标准电视扫描方式。

第五节 油液监测与诊断技术 一、油液性能分析 润滑油在使用过程中的变质和油品质量劣化，主要包括两个方面： 第五节 油液监测与诊断技术 一、油液性能分析 润滑油在使用过程中的变质和油品质量劣化，主要包括两个方面： 一是由于氧化、凝聚、水解、分解作用使油品产生永久性变质。 可采用测量润滑油油样粘度水分、机械杂质、酸值及闪点等理化指标来分 析判断。二是润滑油中添加剂的消耗和变质。 二、油液监测与诊断技术性能比较和实施步骤 （一）各类技术性能比较 （二）油液监测与诊断技术的实施步骤 1）选择对生产、产品质量、经济效应影响较大的设备为监测对象。

2）选取油样。这是实施技术的重要环节，应严格按规定的技术规范 选取原始油样。 3）设备检测油样。 4）将检测油样送入监测仪器，定性、定量测定有关参数。 5）进行检测处理与分析。 6）根据数据处理分析的结果，判断设备的异常、异常部位、异常程 度及原因，预报可能出现的问题以及发生异常的时间、范围和后果。 7）提出改进设备异常情况的措施。 三、铁谱技术及仪器 铁谱仪主要分为： 分析式铁谱仪 直读式铁谱仪 旋转式铁谱仪

1. 铁谱技术的特点 2. 分析式铁谱仪 3. 直读式铁谱仪 1）正常磨损微粒。 2）严重滑动磨损微粒。 3）切削磨损微粒。 4）滚动疲劳磨损微粒。 5）滚动-滑动复合磨损微粒。 4. 旋转式铁谱仪 5. 磨粒分析 （1）钢铁磨损微粒的识别。

（2）有色金属磨粒 1）白色有色金属。 2）铜合金。 3）铝、锡合金。 （3）铁的氧化物的识别 1）铁的红色氧化物磨屑有两类。 3）深色金属氧化物。 2）铁的黑色氧化物。 （4）润滑剂的变质产物的识别 1）摩擦聚合物。 2）润滑剂变质产生的腐蚀磨屑是非常小的微粒。

3）二氧化钼。 4）污染颗粒。 四、光谱技术及仪器 1. 原子发射光谱技术和仪器 利用物质受电能或热能激发后辐射出的特征线光谱来判断物质组成的技 术，就是原子发射光谱技术。 采用光电直读光谱仪测定润滑油中各种金属元素的浓度，其工作原理是： 用电极产生的电火花作光源，激发油中金属元素辐射发光，将辐射出的 线光谱由出射狭缝引出，由光电倍增管将光能变成电能，再向积分电容 器充电，通过测量积分电容器上的电压到达测量油内金属含量浓度的目 的，如果测量和数据处理由微机控制，则速度更快。

2. 原子吸收光谱技术和仪器

3. 液油光谱分析技术的应用 五、其它液油监测技术 1. 显微镜颗粒计数技术 该技术的基本原理是将油样经滤膜过滤，然后将带 污染颗粒的滤膜烘干，放在普通显微镜下统计不同尺寸 范围的污染颗粒数目和尺寸。 2. 自动颗粒计数技术 3. 磁赛技术 4. 重量分析技术

第六节 无损监测技术 一、无损监测技术概况 二、超声波检测 （一）超声波基础 1. 超声波及特征 第六节 无损监测技术 一、无损监测技术概况 二、超声波检测 （一）超声波基础 1. 超声波及特征 超声波是一种质点振动频率高于20kHz的机械波。无损检测用的超声波频率范围为0.5~25MHz，其中最常用的频段为1~5MHz。 超声波有如下特征： （1）指向性好 （2）穿透力强 2. 超声波的分类 根据波动传播时介质质点的振动方向与波的传播方向的相互关系的不 同，可将超声波分为纵波、横波、表面波和板波等。

（二）超声波检测设备 1. 超声波探头 超声波探头的功能就是将电能转换为超声能（发射探头）和将超声能转 为电能（接受探头)，其性能的好坏对超声波检测的成功与否其关键作用。 超声波检测中常用的探头主要有直探头、斜探头、表面波探头、双晶片 探头、水浸探头和聚焦探头等。 2. 超声波检测仪 （1）超声波检测仪的类型 超声波检测仪有以下几种分类方式： 1）按超声波的连续性，可将超声波仪器分为脉冲波检测仪、连续波 检测仪、调频波检测仪等。

2）按缺陷显示的方式分。可将其分为A型、B型、和C型等三种类型。 3）根据通道数的多少不同，可将超声波检测仪分为单通道型和多通 道型两大类。 3. 耦合剂 在超声波检测中，耦合剂的作用主要是排除抬头与工件表面之间的 空气，使超声波能有效地传入工作。 （三）超声波检测方法 （1）脉冲反射法 （2）穿透法 （3）共振法 （四）超声波检测的应用

三、射线检测 1. 射线检测的基本原理 射线检测是以X射线、γ射线和中子射线等易于穿透物质的特性为基础的。 当把强度均匀的射线照射到物体的另一侧面，在物体的另一侧使透过的 射线在照片的底片上感光、显影后，就可得到与材料内部结构或缺陷相对应 的黑度不同的图像，即射线底片。 2. X射线、γ射线及其检测装置 3. 射线检测的操作过程 4. 射线检测（照相法）的特点和适用范围 四、涡流检测 1. 涡流检测的基本原理

涡流检测是以电磁感应原理为基础的。 2. 涡流检测的特点与适用范围 电涡流检测具有如下的特征： ①用于自动化检测。 ②检测速度快。 ③适用范围较广。 ④对形状复杂的试件检测有困难。 ⑤对表面下较深部位的缺陷检测 困难。 ⑥除检测项目外，试件材料的其 它因素一般也会引起输出的变化 成为干扰信号。 ⑦难以直接从检测所得的显示信 号来判断缺陷的类型。

从检测对象来说，电涡流检测适用于如下项目的检测 （1）缺陷检测 （2）材质检测 （3）尺寸检测 （4）形状检测 3. 电涡流检测的应用 五、磁粉探伤 1. 磁粉检测的基本原理 磁粉检测就是利用磁化后的试件材料在缺陷处会吸附磁粉，以此来显示 缺陷存在的一种检测方法。

2. 磁粉检测的基本步骤 （1）预处理 （2）磁化 （3）施加磁粉 （4）观察与记录 （5）后处理 3. 磁粉检测的特点和适用范围 六、渗透检测 1. 渗透检测的基本原理 它所依据的基本原理是应用液体表面张力对固体产生的浸润作用， 以及液体的相互乳化作用等特性来实现检测的。

2. 渗透检测的操作步骤 （1）预处理 （2）渗透 （3）乳化处理 （4）清洗 （5）显像 （6）观察 （7）后处理 3. 渗透检测方法 渗透检测法的显像法： 湿式显像 快干式显像 干式显像 无显像剂式显像

本章完 4. 渗透检测的特点和适用范围 七、声发射检测技术 当物体受到外力或内应力的作用时，物体缺陷处或结构异常部位因应力 集中而产生塑性变形，其储存能量一部分以弹性应力波的形式释放出来， 这种现象叫做声发射。 利用声发射现象的特点,用电子学的方法接受发射出来的应力波,进而根 据声发射信号特征,进行处理和分析以评价缺陷发生、发展的规律，以寻找和 断声声发射源的缺陷及危险性的技术称为声发射技术，也叫声发射检测。 本章完