1.1機械設備安裝概述

機械設備的安裝是按照一定的技術條件,將機械設備正確、牢固地固定在機械設備基礎上。機械設備的安裝是機械設備從制造到投入使用的必要過程。機械設備安裝的好壞,直接影響機械設備使用性能的好壞和生產能否順利進行。機械設備的安裝工藝過程包括:機械設備基礎的驗收、安裝前的物質和技術準備、設備的吊裝、設備安裝位置的檢測和校正、機械設備基礎的二次灌漿及試車等。

機械設備安裝過程中,首先要保證機械設備的安裝質量,機械設備安裝之后,應按安裝規范的規定進行試車,并能達到國家部委頒發的驗收標準和機械設備制造廠的使用說明書的要求,投入生產后能達到設計要求。其次,必須采用科學的施工方法,最大限度地加快施工速度,縮短安裝周期,提高經濟效益。此外,機械設備的安裝還要求設計合理、排列整齊,最大限度地節省人力、物力和財力。最后,必須重視施工的安全問題,堅決杜絕人身和設備安全事故的發生。

機械設備安裝之前,有許多準備工作要做。工程質量的好壞、施工速度的快慢都和施工的準備工作有關。機械設備安裝工程的準備工作主要包括下列幾個方面。1.1.1組織準備和技術準備1.組織準備在進行一項大型機械設備的安裝之前,應該根據當時的情況,結合具體條件成立適當的組織機構,并且應分工明確、緊密協作,以使安裝工作有步驟地進行。2.技術準備

技術準備是機械設備安裝前的一項重要準備工作,其主要內容包括以下幾點。1)研究機械設備的圖樣、說明書、安裝工程的施工圖、國家部委頒發的機械設備安裝規范和質量標準。在施工之前,必須對施工圖進行會審,對工藝布置進行討論審查,注意發現和解決問題。例如:檢查設計圖樣和施工現場尺寸是否相符、工藝管線和廠房原有管線有無沖突等。2)熟悉設備的結構特點和工作原理,掌握機械設備的主要技術數據、技術參數、使用性能和安裝特點等。3)對安裝人員進行必要的技術培訓。4)編制安裝工程施工作業計劃。安裝工程施工作業計劃應包括安裝工程技術要求、安裝工程的施工程序、安裝工程的施工方法、安裝工程所需機具和材料及安裝工程的試車步驟方法和注意事項。安裝工程的施工程序是整個安裝工程有計劃、有步驟地完成的關鍵。因此,必須按照機械設備的性質、本單位安裝機具和安裝人員的狀況以最科學、合理的方法安排施工程序。確定安裝工程的施工方法時,可參考以往的施工經驗,聽取有關專家的建議,廣泛聽取安裝工人和工程技術人員的意見等。1.1.2供應準備供應準備是安裝中的一個重要方面。供應準備主要包括機具準備和材料準備。1.機具的準備根據機械設備的安裝要求準備符合各種規范和所需精度的安裝檢測機具和起重運輸機具,并認真地進行檢查,以免在安裝過程中才發現不能使用或發生安全事故。常用的安裝檢測機具包括:水平儀、經緯儀、自準直儀、拉線架、平板、彎管機、電焊機、氣割、氣焊、扳手、萬能角度尺、卡尺、塞尺、千分尺、千分表及各種檢驗測試設備等。起重運輸機具包括:雙梁橋式起重機、單梁橋式起重機、卷揚機、起重桿、起重滑輪、電葫蘆、絞盤及千斤頂等起重設備;汽車、拖車及拖拉機等運輸設備;鋼絲繩及麻繩等索具。2.材料準備安裝中所用的材料要事先準備好。對于材料的計劃和使用,應當是既要保證安裝質量與進度,又要注意降低成本,不能有浪費現象。安裝中所需材料主要包括:各種型鋼、管材、螺栓、螺母、墊片、銅片及鋁絲等金屬材料;石棉、橡膠、塑料、瀝青、煤油、機油、潤滑油及棉紗等非金屬材料。1.1.3機械設備的開箱檢查與清洗1.開箱檢查機械設備安裝前,要和供貨方一起進行設備的開箱檢查。檢查后應做好記錄,并且雙方人員要簽字。設備的檢查工作主要包括以下幾項:1)檢查機械設備表面及包裝情況;2)檢查機械設備裝箱單、出廠檢查單等技術文件;3)根據裝箱單清點全部零件和附件;4)檢查各零件和部件有無損壞、變形或銹蝕等現象;5)檢查機械設備各部分尺寸是否與圖樣要求相符合。2.清洗開箱檢查后,為了清除機械設備部件加工面上的防銹劑、殘存在部件內的鐵屑、銹斑及運輸保管過程中的灰塵、雜質,必須對機械設備的部件進行清洗。清洗步驟一般是:粗洗,主要清除部件上的油污、舊油、漆跡和銹斑;細洗,也稱油洗,是用清洗油將臟物沖洗干凈;精洗,采用清潔的清洗油將機械設備的部件洗凈,精洗主要用于安裝精度和加工精度都較高的部件。1.1.4預裝配和預調整為了縮短安裝工期,減少安裝過程中組裝、調整的工作量,常常在安裝前對設備的若干零部件進行預裝配和預調整,把若干零部件組裝成大部件。用這些預先組裝好的大部件進行安裝,可以大大加快安裝進度。預裝配和預調整可以提前發現設備存在的問題,及時加以處理,以確保安裝質量。大部件整體安裝是一項先進的快速施工方法,預裝配的目的就是為進行大部件整體安裝做準備。大部件組合的程度應視場地、運輸和起重能力而定。如果設備出廠前已組裝成大部件,且包裝良好,就可以不進行拆卸、清洗、檢查和預裝,而直接整體吊裝。1.1.5機械設備基礎的設計與施工1.概述機械設備基礎的作用是把機械設備牢固地固定在要求的位置上,同時把機械設備本身的重量和工作時的作用力傳遞到大地中去,并吸收振動。所以機械設備基礎是機械設備中重要的組成部分。機械設備基礎的設計和施工如果不正確,不但會影響機器設備本身的精度和壽命,還會影響產品的質量,甚至使周圍廠房和設備結構受到損害。機械設備基礎的設計包括以下幾方面:根據機械設備的結構特點和動力作用的性質選擇基礎的類型;在堅固和經濟的條件下,確定基礎最合適的尺寸和強度等。在機械設備基礎的設計中把機械設備分為兩類:第一類是沒有動力作用的機械設備,這類機械設備的回轉部分(轉子)的不平衡慣性力相當小,若與機械設備的重量比較起來是微不足道的;第二類是有動力作用的機械設備,這類機械設備在工作時產生很大的慣性力,這類機械設備稱為動力機械。沒有動力作用的機械設備,對機械設備基礎的設計沒有任何特殊的要求,不需要考慮動力載荷,但是這種機械設備是比較少的。回轉部分(轉子)做均勻轉動的機械設備在理論上是完全平衡的。但實際上無論何時都不能使轉動部分的重心與回轉的幾何軸線完全重合。因而當這些機械設備工作時,就有不平衡的慣性力傳到機械設備基礎上,雖然所產生的偏心矩的數值一般是很小的,但是在現代機械設備高速轉動下,這種慣性力就顯得比較大。由于偏心矩的大小取決于許多偶然因素,因而轉子轉動時所產生的離心力,只能根據轉子平衡的經驗資料近似地計算。但在實際中,絕大部分帶有均勻回轉部分的機械設備的基礎不進行這種計算。有曲柄連桿機構的機械設備所產生的不平衡離心力是較為復雜的周期力,這些力是各種頻率的許多分力的總和,但可以準確地進行計算。不均勻回轉的機械設備,除離心力外還有力偶傳到機械設備基礎上,力偶的力矩取決于不均勻回轉的加速度,計算上述力偶的力矩是比較簡單的。但是在有些情況下,例如軋鋼機作用在其基礎上的力偶,是接近于沖擊作用的。有沖擊作用的機械設備在工作中產生一種沖擊型的動力效果,將引起機械設備振動,危害周圍的廠房和設備,因此,不但需要進行動力學計算,還需要采用隔振結構。應當指出,一般有動力作用的機械設備基礎,往往采用一般建筑靜力學計算,考慮載荷系數的方法。實踐證明這種方法是可靠的。按結構不同,機械設備基礎也可分為兩類:一類是大塊式(剛性)基礎;另一類是構架式(非剛性)基礎。大塊式基礎可建成大塊狀、連續大塊狀或板狀,其中開有機械設備、輔助設備和管道安裝所必需的以及在使用過程中供管理用的坑、溝和孔。根據整套機器設備的不同特點,有的機械設備基礎設有地下室,有的沒有地下室。這種基礎應用最為廣泛,可以安裝所有類型的機器設備,尤其是有曲柄連桿機構的機械設備,還適用于安裝絕大部分的破碎機、大部分電動機(主要是小功率和中功率的電動機)等。鍛錘則只能建造在大塊式基礎上,而構架式基礎一般僅用來安裝高頻率的機器設備。2.機械設備基礎施工與驗收(1)機械設備基礎的施工基礎施工大約包括幾個過程:挖基坑、裝設模板、綁扎鋼筋、安裝地腳螺栓和預留孔模板、澆灌混凝土、養護、拆除模板等。(2)基礎的驗收1)機械設備就位前,必須對機械設備基礎混凝土強度進行測定。一般應待混凝土強度達到60%以上,機械設備才可就位安裝。機械設備找平調整時,必須待混凝土達到設計強度才可擰緊地腳螺栓。中小型機械設備基礎可用“鋼球撞痕法”測定混凝土強度。大型機械設備基礎在就位安裝前必須進行預壓,預壓的重量為自重和允許加工件最大重量總和的1.25倍。2)機械設備基礎的幾何尺寸應符合設計規定,機械設備定位的基準線應以車間柱子縱橫中心線或以墻的邊緣線為基準(應符合設計圖樣要求)。3)地腳螺栓。①地腳螺栓的作用是將機械設備與地基基礎牢固地連接起來,防止機械設備在工作時發生位移、振動和傾覆。②地腳螺栓的長度應符合施工圖的規定,當施工圖沒有具體規定時,可按下式確定:L=15D+S+(5～10mm)式中,L為地腳螺栓的長度(mm);D為地腳螺栓的直徑(mm);S為墊鐵高度及機座、螺母厚度和預留量(預留量大約為地腳螺栓螺距的3～5倍)的總和。③垂直埋放的地腳螺栓,在敷設時應保證鉛直度,其垂直偏差應小于1%。④地腳螺栓偏差的排除。中心距偏差的處理:當地腳螺栓中心距偏差超出允許值時,先用鑿子剔去螺紋周圍的混凝土,剔去的深度為螺栓直徑的8～15倍,然后用氧-乙炔火焰加熱螺栓需校正彎曲部位至850℃左右,再用大錘和千斤頂進行校正。達到要求后,在彎曲部位增焊鋼板,以防螺栓受力后又被拉直。最后補灌混凝土。標高偏差的處理:螺栓標高有正偏差且超過允許范圍,應切割去一部分,并重新加工出螺紋。若螺栓標高有負偏差且不超過15mm,應先鑿去一部分混凝土,然后用氧-乙炔火焰將螺栓螺紋外部分烤紅拉長,在拉長后直徑縮小的部分兩側焊上兩條加強的鋼筋或細管。若負偏差超過15mm時,應將螺栓切斷,并重焊一根新螺栓,再在對接焊處加焊4根鋼筋,處理完畢后重新澆灌好混凝土。地腳螺栓“活板”的處理:在擰緊地腳螺栓時,由于用力過大,將螺栓從機械設備基礎中拉出,使機械設備安裝無法進行。此時需將螺栓中部混凝土鑿去,然后焊上兩條交叉的U形鋼筋,補灌混凝土,即可將螺栓重新固定。4)墊鐵在機械設備底座下安放墊鐵組,通過對墊鐵組厚度的調整,使機械設備達到安裝要求的標高和水平,同時便于二次灌漿,使機械設備底座各部分都能與基礎充分接觸,并使基礎均勻承受機械設備的重量及運轉過程中產生的力。①墊鐵的分類及適用范圍:矩形墊鐵(又稱為平墊鐵)用于承受主要負荷和具有較強的連續振動的設備;斜墊鐵(又稱為斜插式墊鐵)大多用于不承受主要負荷(主要負荷基本上由第二次灌漿層承受)的部位,斜墊鐵下應有矩形墊鐵;開口墊鐵常以支座形式安裝在金屬結構或地平面上,并且是支撐面積較小的情況,其設備由兩個以上底腳支撐。②墊鐵放置應符合以下要求:每個地腳螺栓通常至少應放置一組墊鐵。不承受主要負荷的墊鐵組,只使用矩形墊鐵和一塊斜墊鐵即可;承受主要負荷的墊鐵組,應使用成對斜墊鐵,找平后用電焊焊牢;承受主要負荷且在設備運行時產生較強的連續振動時,墊鐵組不能采用斜墊鐵,只能采用矩形墊鐵。每組墊鐵總數一般不得超過3塊,在墊鐵組中,最厚的墊鐵放在下面,較薄的墊鐵放在上面,最薄的安放在中間。1.1.6機械安裝1.設備找平與找正設備的找正與找平工作,概括起來主要是進行三找,即找中心、找標高和找水平。一般情況下,設備安裝的找正與找平工作,可分為兩個階段進行:第一階段稱為初平,主要是初步找正找平設備的中心、水平、標高和相對位置,通常這一過程與設備吊裝就位同時進行,許多安裝精度要求較低的整體設備和絕大多數靜置設備安裝,只需進行初平即可;第二階段稱為靜平,是在初平的基礎上對設備的水平度、鉛垂度、平面度等作進一步的調整和檢測,使其達到完全合格的程度。對安裝精度要求很高的設備,如大型精密機床、空壓機等,均應在初平的基礎上對設備及各主要機件和相關機件進行精確調整和檢測,以保證設備安裝精度達到允許偏差的要求。2.機械裝配用到的零件1)螺栓聯接的防松裝置。螺栓聯接本身具有自鎖性,承受靜載荷,在工作溫度比較穩定的情況下是可靠的。但在沖擊、振動和交變載荷作用下,自鎖性就受到破壞。因此,需增加防松裝置。2)鍵聯接。鍵是用來連接軸和軸上零件,鍵聯接的特點是結構簡單、工作可靠、裝拆方便。鍵通常按構造不同可分為松鍵、緊鍵和花鍵。3)滑動軸承。滑動軸承是一種滑動摩擦的軸承,其特點是工作可靠、平穩、無噪聲、油膜吸振能力強,因此可承受較大的沖擊載荷。4)滾動軸承安裝包括清洗、檢查、安裝和間隙調整等步驟。5)齒輪傳動機構。齒輪傳動機構具有傳動準確、可靠、結構緊湊、體積小、效率高及維修方便等優點。6)蝸桿傳動機構。蝸桿傳動機構的特點是傳動比大,傳動比準確,傳動平穩,噪聲小,結構緊湊,能自鎖。不足之處是傳動效率低,工作時產生摩擦熱大,需良好的潤滑。7)聯軸器。聯軸器分為固定式和可移動式兩大類。3.設備試運轉機械設備的試運轉步驟為:先無負荷、后負荷,先單機、后系統,最后聯動。試運轉首先從部件開始,由部件至組件,由組件至單臺(套)設備。數臺設備組成一套的聯動機組,應將單臺設備分別試好后,再系統地聯動試運轉。1.2

機械磨損1.2.1機械磨損的一般規律相接觸的物體相對移動時發生阻力的現象稱為摩擦。相對運動的零件的摩擦表面發生尺寸、形狀和表面質量變化的現象稱為磨損。摩擦是不可避免的自然現象;磨損是摩擦的必然結果,兩者均發生于材料表面。摩擦與磨損相伴產生,能造成機械零件的失效。當機械零件配合面產生的磨損超過一定限度時,會引起配合性質的改變,使間隙加大、潤滑條件變壞。產生沖擊,磨損就會變得越來越嚴重,在這種情況下極易發生事故。一般機械設備中約有80%的零件因磨損而失效報廢。據估計,世界上的能源消耗有30%～50%是由于摩擦和磨損造成的。摩擦和磨損涉及的科學技術領域甚廣,特別是磨損,它是一種微觀和動態的過程,在這一過程中,機械零件不僅會發生外形和尺寸的變化,而且會出現其他各種物理、化學和機械現象。零件的工作條件是影響磨損的基本因素。這些條件主要包括:運動速度、相對壓力、潤滑與防護情況、溫度、材料、表面質量和配合間隙等。以摩擦副為主要零件的機械設備,在正常運轉時,機械零件的磨損過程一般可分為磨合(跑合)階段、穩定磨損階段和劇烈磨損階段,如圖1-1所示。(1)磨合階段新的摩擦副表面具有一定的表面粗糙度,實際接觸面積小。開始磨合時,在一定載荷作用下,表面逐漸磨平,磨損速度較大,如圖1-1中的OA線段。隨著磨合的進行,實際接觸面積逐漸增大,磨損速度減緩。在機械設備正式投入運行前,認真進行磨合是十分重要的。(2)穩定磨損階段經過磨合階段,摩擦副表面發生加工硬化,微觀幾何形狀改變,建立了彈性接觸條件。這一階段磨損趨于穩定、緩慢,AB線段的斜率就是磨損速度;B點對應的橫坐標時間就是零件的耐磨壽命。(3)劇烈磨損階段經過B點以后,由于摩擦條件發生較大的變化,如溫度快速升高、金屬組織發生變化、沖擊增大、磨損速度急劇增加、機械效率下降、精度降低等,從而導致零件失效,機械設備無法正常運轉。1.2.2機械磨損的種類通常將機械零件的磨損分為粘著磨損、磨料磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損和微動磨損5種類型。1.粘著磨損粘著磨損又稱為粘附磨損,是指當構成摩擦副的兩個摩擦表面相互接觸并發生相對運動時,由于粘著作用,接觸表面的材料從一個表面轉移到另一個表面所引起的磨損。根據零件摩擦表面的破壞程度,粘著磨損可分為輕微磨損、涂抹、擦傷、撕脫和咬死5類。在金屬零件的摩擦中,粘著磨損是劇烈的,常常會導致摩擦副災難性破壞,應加以避免。但是,在非金屬零件或金屬零件和聚合物零件構成的摩擦副中,摩擦時聚合物會轉移到金屬表面上形成單分子層,憑借聚合物的潤滑特性,可以提高耐磨性,此時粘著磨損則起到有益的作用。2.磨料磨損磨料磨損也稱為磨粒磨損,它是當摩擦副的接觸表面之間存在著硬質顆粒,或者當摩擦副材料一方的硬度比另一方的硬度大得多時,所產生的一種類似金屬切削過程的磨損。它是機械磨損的一種,特征是在接觸面上有明顯的切削痕跡。在各類磨損中,磨料磨損約占50%,是十分常見且危害性最嚴重的一種磨損,其磨損速率和磨損強度都很大,致使機械設備的使用壽命大大降低,能源和材料大量消耗。根據摩擦表面所受的應力和沖擊的不同,磨料磨損的形式可分為鏨削式、高應力碾碎式和低應力擦傷式三類。3.疲勞磨損疲勞磨損是摩擦表面材料微觀體積受循環接觸應力作用產生重復變形,導致產生裂紋和分離出微片或顆粒的一種磨損。疲勞磨損根據其危害程度不同,可分為非擴展性疲勞磨損和擴展性疲勞磨損兩類。4.腐蝕磨損在摩擦過程中,金屬同時與周圍介質發生化學反應或電化學反應,引起金屬表面的腐蝕剝落,這種現象稱為腐蝕磨損。它是與機械磨損、粘著磨損、磨料磨損等相結合時才能形成的一種機械化學磨損。因此,腐蝕磨損的機理與前述三種磨損的機理不同。腐蝕磨損是一種極為復雜的磨損過程,經常發生在高溫或潮濕的環境下,更容易發生在有酸、堿、鹽等特殊介質的條件下。按腐蝕介質的不同類型,腐蝕磨損可分為氧化磨損和特殊介質下的腐蝕磨損兩大類。(1)氧化磨損我們知道,除金、鉑等少數金屬外,大多數金屬表面都被氧化膜覆蓋著。若在摩擦過程中,氧化膜被磨掉,摩擦表面與氧化介質反應速度很快,立即又形成新的氧化膜,然后又被磨掉,這種氧化膜不斷被磨掉又反復形成的過程,就是氧化磨損。氧化磨損的產生必須同時具備以下條件:一是摩擦表面要能夠發生氧化,而且氧化膜生成速度大于其磨損破壞速度;二是氧化膜與摩擦表面的結合強度大于摩擦表面承受的切應力;三是氧化膜厚度大于摩擦表面破壞的深度。在通常情況下,氧化磨損比其他磨損輕微得多。減少或消除氧化磨損的對策主要有:1)控制氧化膜生長的速度與厚度。在摩擦過程中,金屬表面形成氧化膜的速度要比非摩擦時快得多。在常溫下,金屬表面形成的氧化膜厚度非常小,例如鐵的氧化膜厚度為1～3mm,銅的氧化膜厚度約為5mm。但是,氧化膜的生成速度隨時間而變化。2)控制氧化膜的性質。金屬表面形成的氧化膜的性質對氧化磨損有重要影響。若氧化膜緊密、完整無孔,與金屬表面基體結合牢固,則有利于防止金屬表面氧化;若氧化膜本身性脆,與金屬表面基體結合差,則容易被磨掉。例如鋁的氧化膜是硬脆的,在無摩擦時,其保護作用大,但在摩擦時其保護作用很小。在低溫下,鐵的氧化物是緊密的,與基體結合牢固;但在高溫下,隨著厚度增大,內應力也增大,將導致膜層開裂、脫落。3)控制硬度。當金屬表面氧化膜硬度遠大于與其結合的基體金屬的硬度時,在摩擦過程中,即使在小的載荷作用下,也易破碎和磨損;當兩者相近時,在小載荷、小變形條件下,因兩者變形相近,故氧化膜不易脫落,但若受大載荷作用而產生大變形時,氧化膜也易破碎;最有利的情況是氧化膜硬度和基體硬度都很高,在載荷作用下變形小,氧化膜不易破碎,耐磨性好,例如鍍硬鉻時,其硬度為900HBW左右,鉻的氧化膜硬度也很高,所以鍍硬鉻得到廣泛應用。然而,大多數金屬氧化物都比原金屬硬而脆,厚度又很小,故對摩擦表面的保護作用很有限。但在不引起氧化膜破裂的工況下,表面的氧化膜層有防止金屬之間粘著的作用,因而有利于抗粘著磨損。(2)特殊介質下的腐蝕磨損特殊介質下的腐蝕磨損是摩擦副表面金屬材料與酸、堿、鹽等介質作用生成的各種化合物,在摩擦過程中不斷被磨掉的磨損過程。其機理與氧化磨損相似,但磨損速度較快。由于其腐蝕本身可能具有化學的或電化學的性質,故腐蝕磨損的速度與介質的腐蝕性質和作用溫度有關,也與相互摩擦的兩種金屬形成的電化學腐蝕的電位差有關。介質腐蝕性越強,作用溫度越高,腐蝕磨損速度越快。

5.微動磨損兩個接觸表面由于受相對的低振幅振蕩運動而產生的磨損稱為微動磨損。它產生于相對靜止的接合零件上,因而往往易被忽視。微動磨損的最大特點是:在外界變動載荷作用下,產生振幅很小(小于100μm,一般為2~20μm)的相對運動,由此發生摩擦磨損。例如在鍵聯接處、過盈配合處、螺栓聯接處、鉚釘聯接接頭處等接合處產生的磨損。微動磨損使配合精度下降,過盈配合部件結合緊度下降甚至松動,聯接件松動乃至分離,嚴重者會引起事故。微動磨損還易引起應力集中,導致聯接件疲勞斷裂。1.3機械設備故障及診斷技術1.3.1機械設備故障的概念機械設備喪失了規定功能的狀態稱為故障。機械設備的工作性能隨使用時間的增長而下降,當其工作性能指標超出了規定的范圍時就出現了故障。機械設備發生故障后,其技術和經濟指標部分或全部下降而達不到規定的要求,如發動機功率下降、精度降低、加工表面粗糙度達不到預定等級或發生強烈振動、出現不正常的聲響等。顯然,必須明確什么是規定的功能,設備的功能喪失到什么程度才算出了故障。比如汽車制動不靈,或在規定的速度下剎車時制動距離超過了允許的距離,那么就認為是制動系統故障。“規定的功能”通常在機械設備運行中才能顯現出來,若機械設備已喪失規定功能而設備未開動,則故障就不能顯現。有時,機械設備還尚未喪失功能,但根據某些物理狀態、工作參數、儀器儀表檢測結果,可以判斷其即將發生故障并可能造成一定的危害,因此,應當在故障發生之前進行有效的維護或修理。1.3.2機械設備的故障模式及其分類每一種故障都有其主要特征,即故障模式。故障模式是故障現象的外在表現形式,相當于醫學的疾病癥狀。各種機械設備的故障模式包括以下數種:異常振動、磨損、疲勞、裂紋、破斷、腐蝕、剝離、滲漏、堵塞、過度變形、松弛、熔融、蒸發、絕緣劣化、短路、擊穿、聲響異常、材料老化、油質劣化、黏合、污染、不穩定及其他。機械設備的故障按發生的原因或性質可分為自然故障和人為故障兩類。自然故障是指因機械設備各部分零件的磨損、變形、斷裂和蝕損等而引起的故障;人為故障是指因使用了質量不合格的零件和材料,進行了不正確的裝配和調整,使用中違反操作規程或維護保養不當等而造成的故障,這種故障是人為因素造成的,是可以避免的。1.3.3機械設備故障的一般規律機械設備的故障率隨時間的變化規律如圖1-2所示,此曲線常稱為浴盆曲線。這一變化過程主要分為三個階段:第一階段為早期故障期,即由于設計、制造、運輸、安裝等原因造成的故障,故障率較高;第二階段為隨機故障期,隨著故障一個個被排除而逐漸減少并趨于穩定,此期間不易發生故障,機械設備故障率很低,這個時期也稱為有效壽命期;第三階段為耗損故障期,隨著機械設備零部件的磨損、老化等原因造成故障率上升,這時若加強維護保養,可延長其有效壽命。1.3.4機械設備故障發生的原因1.機械設備磨損機械設備故障最顯著的特征是構成機械設備的各個組合機件或部件間配合的破壞,如活動連接的間隙、固定連接的過盈等被破壞。這些破壞主要是由于機件過早磨損造成的。因此,研究機械設備故障應首先研究典型機件及其組合的磨損。機件的磨損是多種多樣的。但是,為了便于研究,按其發生和發展的共同性,可分為自然磨損和事故磨損。1)自然磨損是機件在正常的工作條件下,由于其配合表面不斷受到摩擦力的作用,有時又由于其配合表面受周圍環境溫度或介質的作用,使機件的金屬表面逐漸產生的磨損,而這種自然磨損是不可避免的正常現象。機件由于有不同的結構、操作條件、維護修理質量等而產生不同程度的磨損。2)事故磨損是由于機械設備設計和制造中的缺陷,以及不正確的使用、操作、維護和修理等人為的原因,造成過早的、有時甚至是突然發生的劇烈磨損。2.零件的變形機械零件或構件在外力的作用下,產生形狀或尺寸變化的現象稱為變形。過量的變形是機械失效的重要類型,也是判斷韌性斷裂的明顯征兆。例如,各類傳動軸的彎曲變形;橋式起重機主梁在變形下撓曲或扭曲;汽車大梁的扭曲變形;彈簧的變形等。變形量隨著時間的不斷增加,逐漸改變了產品的初始參數,當超過允許極限時,將喪失規定的功能。有的機械零件因變形將引起結合零件出現附加載荷、相互關系失常或加速磨損,甚至造成斷裂等災難性后果。根據外力去除后變形能否恢復,機械零件或構件的變形可分為彈性變形和塑性變形兩大類。金屬零件在作用應力小于材料屈服強度時產生的變形稱為彈性變形。在金屬零件使用過程中,若產生超量彈性變形(超量彈性變形是指超過設計允許范圍的彈性變形),則會影響零件正常工作。例如,當傳動軸工作時,超量彈性變形會引起軸上齒輪嚙合狀況惡化,影響齒輪和支承它的滾動軸承的工作壽命;機床導軌或主軸超量彈性變形,會引起加工精度降低甚至不能滿足加工精度。因此,在機械設備運行中,防止超量彈性變形是十分必要的。除了正確設計外,正確使用十分重要,應嚴防超載運行,注意運行溫度規范,防止熱變形等。塑性變形又稱為永久變形,是指機械零件在外加載荷去除后留下來的一部分不可恢復的變形。金屬零件的塑性變形從宏觀形貌特征上看,主要有翹曲變形、體積變形和時效變形三種形式。變形是不可避免的,下面針對四個不同方面采取相應的對策來防止和減少機械零件變形。(1)設計設計時不僅要考慮零件的強度,還要重視零件的剛度和制造、裝配、使用、拆卸及修理等問題。1)正確選用材料,注意工藝性能。如鑄造的流動性、收縮性;鍛造的可鍛性、冷鐓性;焊接的冷裂、熱裂傾向性;機械加工的可切削性;熱處理的淬透性、冷脆性等。2)合理布置零件,選擇適當的結構尺寸。如避免尖角,棱角改為圓角、倒角;厚薄懸殊的部分可開工藝孔或加厚太薄的地方;安排好孔洞位置,把盲孔改為通孔等。形狀復雜的零件在可能條件下采用組合結構、鑲拼結構,從而改善受力狀況。3)在設計中,注意應用新技術、新工藝和新材料,減少制造時的內應力和變形。(2)加工在加工中要采取一系列工藝措施來防止和減少變形。對毛坯要進行時效處理,以消除其殘余內應力。時效有自然時效和人工時效兩種。自然時效是將生產出來的毛坯露天存放1~2年,這是因為毛坯材料的內應力有在12～20個月逐漸消失的特點,其時效效果最佳;缺點是時效周期太長。人工時效是把毛坯通過高溫退火、保溫緩冷而消除內應力,也可利用振動作用來進行人工時效。高精度零件在精加工過程中必須安排人工時效。在制定零件機械加工工藝規程時,要在工序、工步的安排上和工藝裝備、操作上采取減少變形的工藝措施。例如,粗精加工分開的原則,在粗精加工中間留出一段存放時間,以利于消除內應力。機械零件在加工和修理過程中要減少基準的轉換,保留加工基準供修理時使用,減少修理和加工中因基準不統一而造成的誤差。對于經過熱處理的零件來說,應注意預留加工余量、調整加工尺寸、預加變形,這是非常必要的。在知道零件的變形規律之后,可預先加以反向變形量,經熱處理后兩者抵消;也可預加應力或控制應力的產生和變化,使最終變形量符合要求,達到減少變形的目的。(3)修理在修理中,既要滿足恢復零件的尺寸、配合精度、表面質量等技術要求,還要檢查和修復主要零件的形狀、位置誤差。為了盡量減小零件在修理中產生的應力和變形,應當制定出與變形有關的標準和修理規范,設計簡單可靠、好用的專用量具和工夾具,同時注意大力推廣“三新”(新技術、新工藝、新材料)技術,特別是新的修復技術,如刷鍍、粘接等。(4)使用加強設備管理,制定并嚴格執行操作規程,加強機械設備的檢查和維護,不超負荷運行,避免局部超載或過熱等。3.斷裂斷裂是零件在機械、熱、磁、腐蝕等單獨作用或者聯合作用下,其本身連續性遭到破壞,發生局部開裂或分裂成幾部分的現象。機械零件斷裂后不僅完全喪失工作能力,還可能造成重大的經濟損失或傷亡事故。尤其是現代機械設備日益向著大功率、高轉速的趨勢發展,機械零件斷裂失效的幾率有所提高。盡管與磨損、變形相比,機械零件因斷裂而失效的機會很少,但機械零件的斷裂往往會造成嚴重的機械事故,產生嚴重的后果,是一種最危險的失效形式。機械零件的斷裂一般可分為延性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂和環境斷裂4種形式。(1)延性斷裂延性斷裂又稱為塑性斷裂或韌性斷裂。當外力引起的應力超過拉伸強度時發生塑性變形后造成的斷裂就稱為延性斷裂。延性斷裂的宏觀特點是斷裂前有明顯的塑性變形,常出現“縮頸”現象。延性斷裂斷口形貌的微觀特點是斷面有大量韌窩(即微坑)覆蓋。延性斷裂實際上是微小空洞形成長大連接最終導致斷裂的一種破壞方式。(2)脆性斷裂金屬零件或構件在斷裂之前無明顯的塑性變形,且發展速度極快的一類斷裂稱為脆性斷裂。它通常在沒有預示信號的情況下突然發生,是一種極危險的斷裂形式。(3)疲勞斷裂機械設備中的許多零件,如軸、齒輪、凸輪等,都是在交變應力作用下工作的。它們工作時所承受的應力一般都低于材料的屈服強度或拉伸強度,按靜強度設計的標準是安全的。但在實際生產中,在重復及交變載荷的長期作用下,機械零件或構件仍然會發生斷裂,這種現象稱為疲勞斷裂,它是一種普通而嚴重的失效形式。在機械零件的斷裂失效中,疲勞斷裂占很大的比重,為80%~90%。疲勞斷裂的類型很多,根據循環次數的多少可分為高周疲勞和低周疲勞兩種類型。高周疲勞通常簡稱為疲勞,又稱為應力疲勞,是指機械零件斷裂前在低應力(低于材料的屈服強度甚至彈性極限)下,所經歷的應力循環周次數多(一般大于105次)的疲勞,是一種常見的疲勞破壞。如曲軸、汽車后橋半軸、彈簧等零部件的失效一般均屬于高周疲勞破壞。低周疲勞又稱為應變疲勞。低周疲勞的特點是承受的交變應力很高,一般接近或超過材料的屈服強度,因此每一次應力循環都有少量的塑性變形,而斷裂前所經歷的循環周次較少,一般只有102~105次,壽命短。(4)環境斷裂環境斷裂是指材料與某種特殊環境相互作用而引起的具有一定環境特征的斷裂方式。延性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂,均未涉及材料所處的環境,實際上機械零件的斷裂,除了與材料的特性、應力狀態和應變速度有關外,還與周圍的環境密切相關,尤其是在腐蝕環境中材料表面的裂紋邊沿由于氧化、腐蝕或其他過程使材料強度下降,將促使材料發生斷裂。環境斷裂主要有應力腐蝕斷裂、氫脆斷裂、高溫蠕變斷裂、腐蝕疲勞斷裂及冷脆斷裂等形式。針對機械零件斷裂,可從以下幾方面采取措施來防止:1)設計。在金屬結構設計上要合理,盡可能減少或避免應力集中,合理選擇材料。

2)工藝。采用合理的工藝結構,注意消除殘余應力,嚴格控制熱處理工藝。

3)使用。按機械設備說明書操作、使用機械設備,杜絕超載使用機械設備。4.蝕損蝕損即腐蝕損傷。機械零件的蝕損,是指金屬材料與周圍介質產生化學反應或電化學反應而導致的破壞。疲勞點蝕、腐蝕和穴蝕等,統稱為蝕損。疲勞點蝕是指零件在循環接觸應力作用下表面發生的點狀剝落的現象;腐蝕是指零件受周圍介質的化學及電化學作用,表層金屬發生化學變化的現象;穴蝕是指零件在溫度變化和介質的作用下,表面產生針狀孔洞,并不斷擴大的現象。金屬蝕損是普遍存在的自然現象,它所造成的經濟損失十分驚人。據不完全統計,全世界因蝕損而不能繼續使用的金屬零件,約占其產量的10%以上。金屬零件由于周圍的環境以及材料內部成分和組織結構的不同,其蝕損破壞有凹洞、斑點、潰瘍等多種形式。按金屬與介質作用的機理不同,機械零件的蝕損可分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩大類。(1)機械零件的化學腐蝕化學腐蝕是指單純由化學作用而引起的腐蝕。在這一腐蝕過程中不產生電流,介質是非導電的。化學腐蝕的介質一般有兩種形式:一種是氣體腐蝕,指干燥空氣、高溫氣體等介質中的腐蝕;另一種是非電解質溶液中的腐蝕,指有機液體、汽油、潤滑油等介質中的腐蝕,它們與金屬接觸時發生化學反應形成表面膜,在不斷脫落又不斷生成的過程中使零件腐蝕。大多數金屬在室溫下的空氣中就能自發地氧化,但在表面形成氧化物層之后,如能有效地隔離金屬與介質間的物質傳遞,就成為保護膜;如果氧化物層不能有效阻止氧化反應的進行,那么金屬將不斷地被氧化。據研究,金屬氧化膜要在含氧氣的條件下起保護膜作用必須具有下列條件:1)氧化膜必須是緊密的,能完整地把金屬表面全部覆蓋住,即氧化膜的體積必須比生成此膜所消耗掉的金屬的體積大。2)氧化膜在氣體介質中是穩定的。3)氧化膜和基體金屬的結合力強,且有一定的強度和塑性。4)氧化膜具有與基體金屬相同的熱膨脹系數。在高溫空氣中,鐵和鋁都能生成完整的氧化膜,由于鋁的氧化膜同時具備了上述四種條件,故具有良好保護性能;而鐵的氧化膜與鐵結合不良,故起不了保護作用。(2)金屬零件的電化學腐蝕電化學腐蝕是金屬與電解質物質接觸時產生的腐蝕。大多數金屬的腐蝕都屬于電化學腐蝕,其涉及面廣,造成的經濟損失大。電化學腐蝕與化學腐蝕的不同點在于其腐蝕過程有電流產生。電化學腐蝕過程比化學腐蝕強烈得多,這是由電化學腐蝕的條件易形成和易存在決定的。電化學腐蝕的根本原因是腐蝕電池的形成。在原電池中,作為陽極的鋅被溶解,作為陰極的銅未被溶解,在電解質溶液中有電流產生。電化學腐蝕原理與此很相近,同樣需要形成原電池的三個條件:有兩個或兩個以上的不同電位的物體(即電極),或在同一物體中具有不同電位的區域,以形成正、負極;電極之間需要有導體相連接或電極直接接觸;有電解液。金屬材料中一般都含有其他合金或雜質(如碳鋼中含有滲碳體,鑄鐵中含有石墨等),由于這些雜質的電位的數值比金屬材料本身的電位大,便產生了電位差,而且它們又都能導電,雜質又與基體金屬直接接觸,所以當有電解質溶液存在時便會構成腐蝕電池。腐蝕電池有微電池和宏觀腐蝕電池兩種。上述腐蝕電池中由于滲碳體和石墨含量非常小,作為腐蝕電池中的陰極常稱為微陰極。這種腐蝕電池也稱為微電池。當不同金屬浸于不同電解質溶液,或兩種相接觸的金屬浸于電解質溶液,或同一金屬與不同的電解質溶液(包括濃度、溫度、流速不同)接觸,這時構成腐蝕電池陽極的是金屬整體或其局部,這種腐蝕電池稱為宏觀腐蝕電池。金屬零件常見的電化學腐蝕形式主要有:1)大氣腐蝕,即潮濕空氣中的腐蝕。2)土壤腐蝕,如地下金屬管線的腐蝕。3)在電解質溶液中的腐蝕,如酸、堿、鹽等溶液中的腐蝕。4)在熔融鹽中的腐蝕,如熱處理車間,熔鹽加熱爐中的鹽爐電極和所處理的金屬發生的腐蝕。針對機械零件蝕損,我們可以采取以下對策:1)正確選材。根據環境和使用條件,選擇合適的耐腐蝕材料,如含有鎳、鉻、鋁、硅、鈦等元素的合金鋼;在條件許可的情況下,盡量選用尼龍、塑料及陶瓷等材料。2)合理設計。在制造機械設備時,即使采用了較優質的材料,如果在結構的設計上不從金屬防護角度加以全面考慮,常會引起機械應力、熱應力以及流體的停滯和聚集、局部過熱等問題,從而加速腐蝕過程。因此設計機械設備結構時應盡量使整個部位的所有條件均勻一致,做到結構合理、外形簡化、表面粗糙度合適。3)覆蓋保護層。在金屬表面上覆蓋一層不同的材料,可改變表面結構,使金屬與介質隔離開來,以防止腐蝕。常用的覆蓋材料有金屬或合金、非金屬保護層和化學保護層等。4)電化學保護。對被保護的機械設備通以直流電流進行極化,以消除電位差,使之達到某一電位時,被保護金屬的腐蝕可以很小,甚至呈無腐蝕狀態。這種方法要求介質必須是導電的、連續的。5)添加緩蝕劑。在腐蝕性介質中加入少量緩蝕劑(緩蝕劑是指能減小腐蝕速度的物質),可減輕腐蝕。按化學性質的不同,緩蝕劑有無機化合物和有機化合物兩類。無機化合物,能在金屬表面形成保護,使金屬與介質隔開,如重鉻酸鉀、硝酸鈉及亞硫酸鈉等;有機化合物,能吸附在金屬表面上,使金屬溶解和還原反應都受到抑制,從而減輕金屬腐蝕,如胺鹽、動物膠及生物堿等。6)改變環境條件。將環境中的腐蝕介質去除,可減少其腐蝕作用。如采用通風、除濕、去掉二氧化硫氣體等。對常用金屬材料來說,把相對濕度控制在臨界濕度(50%～70%)以下,可顯著減緩大氣腐蝕。1.3.5機械設備故障診斷技術機械設備故障診斷技術是20世紀70年代以來,隨著電子測量技術、信號處理技術以及計算機技術的發展逐步形成的一門綜合技術。應用故障診斷技術對機械設備進行監測和診斷,可以及時發現機械設備的故障和預防設備惡性事故的發生,從而避免人員的傷亡、環境的污染和巨大的經濟損失;應用故障診斷技術可以找出生產系統中的事故隱患,從而對機械設備和工藝進行改造,以消除事故隱患。故障診斷技術最重要的意義在于改革設備維修制度。現代的機械設備日益向大型化、連續化、高速化、復雜化和自動化的方向發展,現在多數工廠采用的定期維修制度,不論設備是否有故障都按人為計劃的時間定期檢修,很難預防各種隨機因素引起的事故,也不可避免地產生過剩維修,造成很大的浪費。由于診斷技術能診斷和預報設備的故障。因此在設備正常運轉沒有故障時可以不停車進行診斷,在發現故障前兆時能及時停車,按診斷出故障的性質和部位,可以有目的地進行檢修,這就是預知維修或狀態維修。把定期維修改變為預知維修,可大大提高機械設備運行的安全性、可靠性和機械設備的利用率,節約大量的維修時間和費用,產生巨大的經濟效益。1.故障診斷基礎知識(1)機械設備故障診斷技術的方法及分類所謂機械設備故障診斷就是根據機械設備運行過程中產生的各種信息來判斷機械設備是正常運轉還是發生了異常現象,也就是識別機械設備是否發生了故障。其含義是:定量地掌握設備狀態,如設備的性能參數、零件的應力狀態、設備性能的劣化和零部件損傷的程度等;預測設備的可靠性;如果存在異常,則對其產生原因、部位、危險程度等進行識別和評價,決定修理方法。自從機械設備問世以來,人們就非常關心它的“健康”——能否正常工作。對于運行中的機械設備,人們總是用手摸,以測定它的溫度是否過高,振動是否過大;用耳聽,以判斷運動部件是否有異聲等。這種憑人們的感覺、聽覺和人們的經驗對機械設備的狀態進行診斷的方法,在很早之前就有了,可以說幾乎與機械設備的發明同時出現,稱為傳統的診斷技術,或稱為原始的診斷技術。這種簡單的診斷技術,在當前科學技術飛速發展的時代已遠不夠用了。現代的診斷技術是指應用與開發現代化儀器設備和電子計算機技術來檢查和識別機械設備及其零部件的實時技術狀態,是診斷它是否“健康”的技術。通常所說的診斷技術,就是指這種現代診斷技術。根據機械設備運行的狀態、環境條件各不相同，因此采用的診斷方法亦不相同，按診斷方法的完善程度來分可以分為以下兩種。1)簡易診斷方法。使用各種便攜式診斷儀器和工況監視儀表(例如TK-80振動計、BY207,217工業聽診器等)，僅僅根據一些簡單參數對設備有無故障及故障嚴重程度作出判斷和區別。2)精密診斷方法。精密診斷方法是故障診斷技術發展的必然趨勢，它不同于簡易診斷之處表現在除了應用新手段而外，它還具備完整的科學的工作步驟和程序。該方法又可進一步劃分為：①人工診斷方法。使用比較復雜的分析儀器及具有一定診斷功能的設備，除了能夠對機械設備有無故障及故障的嚴重程度作出判斷及區分之外，在有經驗的專家及工程技術人員的參與下，還能夠對某些特殊類型的典型故障的性質、類別、部位、原因及發展趨勢作出合理的判斷和預報估計。②系統診斷方法。這是一種建立在計算機輔助診斷基礎上的多功能綜合性自動化診斷技術，通常由各種有關的軟、硬件及分析設備構成一整套系統。在這類系統之中，一般都配有自動診斷分析的軟件，能實現狀態信號采集、特征提取、狀態識別的自動化，能夠輸出多種形式的分析結果，當發現設備發生故障后能發出報警，并通過計算機自動進行故障性質、類別、部位、原因及趨勢的診斷和預報，同時還能夠通過數據庫將大量的運行資料儲存起來，為設備的運行維護和管理提供準確依據。③專家系統方法。這是診斷技術的一種高級形式，又稱為知識庫咨詢系統，它是一個擁有人工智能的計算機軟件系統。專家系統用于設備診斷時，不僅包含有從信號檢測到狀態識別，而且還包括了決策形成到干預的整個過程。專家系統不但具有系統診斷方法的全部功能，而且還將專家的寶貴經驗、智慧與思想同計算機的巨大存儲、運算與分析功能相結合。它事先將有關專家的知識加以總結分類，形成規則存入計算機，然后根據自動采集或外部輸入的原始數據，即能模擬專家的推理、判斷與思維過程，解決故障檔案建立、狀態識別及自動決策中的各種復雜問題，以便作出正確的操作指導、問題咨詢和處理對策。這種系統還具備有學習功能，可以方便地增加、修改和刪除知識庫中的知識，同時還能高度仿真各個專家辯證施治的思維方法，促使診斷水平能夠不斷提高，從而對機械設備故障診斷而言，具有十分有效的診斷與干預能力。（2）設備故障診斷中常用的基本參數為了準確、有效地掌握機械設備在運行中所處的狀態，必須首先取得有關的正確診斷信息，這些診斷信息也就是在診斷過程中需要監測的基本參數，其中包括描述振動狀態的動態參數、描述位置的靜態參數、以及其他參數。1）動態參數①振幅。振幅是表示機組振動嚴重程度或烈度的一個重要指標，可以用位移、速度或加速度來表示。根據對振幅的監測，可以很容易地判斷機器的振動狀態，判斷機器是否在平穩地運轉。過去比較常用的方法都是測量機器機殼或軸承座的振幅，并以此作為振幅參數。雖然機殼的振幅能夠用于判明某些機械故障，但由于機械結構、安裝、運行條件以及機殼的位置和轉軸與機殼之間存在著機械阻抗，因此機殼的振動并不能直接反映轉軸的振動情況。所以，機殼振動不能認為是故障診斷的最合適參數，但是，機殼振動通常可以作為定期監測的參數，用于早期發現諸如葉片共振頻率、齒輪嚙合頻率等高頻振動的故障現象。利用電渦流傳感器能夠直接測量得到轉軸相對于機殼的振動，其振幅為位移，一般以微米(μm)峰-峰值來表示。每一臺機組，其振幅都有一個允許的限定值，機組正常運行時要求它的轉軸的振幅穩定在這個限定值內。一般來說，振幅值的任何變化都表明了機器的狀態發生了改變，并且無論振幅是增大是減小，都應該對機器作進一步的調查。②頻率。頻率是分析振動原因的重要依據。通常，不同的振動“源”其振動頻率一般也是不同的。對于旋轉機械，其振動頻率還可用轉速的倍數或分數來表示，這被稱為階次，主要原因是機器的振動頻率多與轉速有關，因此用這種方法來表示頻率非常清晰、簡便而且實用。在機殼振動測量中，振幅和頻率是可供測量和分析的主要參數，而且大多數故障現象都與頻率有關，所以頻率在機殼振幅測量中是非常重要的。但是應當注意，振動頻率與故障并非總保持一一對應關系，實際上，一種特定頻率的振動往往與一種以上的故障有關。根據振動頻率，可以把振動分為同步振動和非同步振動。同步振動的頻率是機器轉速的整數倍或分數。③相角。相角是指旋轉機械測量中轉子某一瞬間的振動基頻信號與軸上某一固定標志之間的相位差。一個完整的相角測量系統能夠確定出轉子上每一個被測截面的“高點”位置。所謂“高點”可看作軸上的某一點，當該點轉到徑向振動傳感器測點的位置時，振動正好是正峰值。這個“高點”位置的確定是相對于轉子上某個固定點而言的。通過確定轉子上“高點”的位置，便能夠知道轉子的平衡狀態及殘余不平衡量的位置。換句話說，由于轉子平衡狀態的改變而導致的“高點”改變會顯示為相角的改變。精確的相角測量在轉子平衡及分析某些機械故障中是非常重要的。相角測量對于確定轉子固有的平衡響應即臨界轉速也是很有用的。④振動形式。振動形式一般是指以時基圖或軸心軌跡圖的方式所給出的原始振動波形，它是分析振動數據的最常用的和最簡便快速的方法。通過對振動形式的觀測，能直接地了解機器的運行狀態。⑤振型。所謂振型是轉軸在一定的轉速下，沿軸向的一種變形。測量振型的方法是沿轉軸的軸向每隔一定的間距放置一組互成90。的X-Y傳感器，分別測得相應轉軸截面的中心線振動情況，綜合所測量的這些數據便可得到轉軸的振型。振型有助于估算轉子與固定部件之間的間隙，并能估算出轉軸上的“節點”的位置。2）靜態參數①偏心位置。偏心位置是對油膜軸承中的轉軸振動平衡位置或穩態位置的測量值。這種偏心位置的測量能夠知道預加負荷狀態以及了解軸承是否出現磨損。偏心位置的測量是通過安裝在軸承處的監測徑向振動的同一個電渦流傳感器來完成的，其輸出信號的直流成分即代表了偏心位置。②軸向位置。軸向位置是指止推環對止推軸承的相對位置測量值，軸向位置或稱軸位移是蒸汽透平和離心壓縮機最重要的監測參數之一。監測軸向位置至少要安裝一個電渦流傳感器，最好是安裝兩個，以便提供可靠的信息。測量軸向位置的傳感器還可以同時測量軸向振動。③偏心度峰一峰值。偏心度峰一峰值是指靜態時對轉軸在彎曲的測量值。轉軸的這種彎曲量可以利用電渦流傳感器，在極低轉速下測量轉軸變化的峰一峰值來表示。對于許多大型機組，只有當偏心度峰-峰值處于允許值以下時方可啟動，此時無需顧慮因殘余彎曲和相應的不平衡引起的密封件與轉軸之間的摩擦影響。④差脹。差脹是指機殼與轉子的相對膨脹，可以用安裝在機殼上的電渦流傳感器測量得到。對于大型蒸汽透平機組，要求在啟動時機殼與轉子必須以同樣的比率受熱膨脹，否則就可能發生軸向摩擦而使機器受到損壞。⑤機殼膨脹。對于某些大型機組，除了監測差脹之外，還要監測機殼的膨脹，通常由安裝在機殼外部，以地基為基準的線性可變差動變壓器（LVDT）來完成測量。3）其他參數①轉速。轉速是指每分鐘轉軸的轉數，單位是r/min。大多數機組都要求連續顯示機組的轉速，以便一目了然了解機組的運行工況。②溫度。溫度也是分析機器某些特定部件狀態的重要參數，尤其是軸向和徑向滑動軸承中巴氏合金襯套的溫度一般都需要長期監測。同時綜合分析溫度和振動、位置等參數的關系，能更準確地確定機器故障。此外，還有壓力、流量等狀態參數，以及磨損殘余物參數，這些參數對綜合、全面的監測和分析機器的運行狀態也都是必不可少的2.機械設備的簡易診斷(1)簡易診斷及其現實意義簡易診斷就是靠人的感官功能(視、聽、觸、嗅等)或再借助一些簡單儀器、常用工量具對機械設備的運行狀態進行監測和判斷的過程。簡易診斷雖然是定性的、粗略的和經驗性的,但對機械設備的管理和維修具有一定的現實意義。首先,在我國,代表先進水平的精密診斷技術的應用還不普及,其開發和推廣應用還需一段較長的時間。其次,在普通機械設備上應用過于復雜的高價值診斷儀器很不合算。此外,即使科學技術高度發展了,人的感官監測診斷技術也不可能由現代化的精密診斷技術完全取代。因此,從實際出發,推廣應用簡易監測診斷技術是非常必要的,特別是對于普通機械設備尤為必要。(2)常用的簡易診斷方法常用的簡易診斷方法主要有聽診法、觸測法和觀察法等。1)聽診法。設備正常運轉時,伴隨發生的聲響總是具有一定的音律和節奏。只要熟悉和掌握這些正常的音律和節奏,通過人的聽覺功能就能對比出設備是否出現了重、雜、怪、亂的異常噪聲,判斷設備內部出現的松動、撞擊、不平衡等隱患。用錘子敲打零件,聽其是否發生破裂雜聲,可判斷有無裂紋產生。電子聽診器是一種振動加速度傳感器。它將設備振動狀況轉換成電信號并進行放大,工人用耳機監聽運行設備的振動聲響,以實現對聲音的定性測量。通過測量同一測點、不同時期、相同轉速、相同工況下的信號,并進行對比,來判斷設備是否存在故障。當耳機出現清脆尖細的噪聲時,說明振動頻率較高,一般是尺寸相對較小的、強度相對較高的零件發生局部缺陷或微小裂紋。當耳機傳出混濁低沉的噪聲時,說明振動頻率較低,一般是尺寸相對較大的、強度相對較低的零件發生較大的裂紋或缺陷。當耳機傳出的噪聲比平時增強時,說明故障正在發展,聲音越大,故障越嚴重。當耳機傳出的噪聲雜亂無規律地間歇出現時,說明有零件或部件發生了松動。2)觸測法。用人手的觸覺可以監測設備的溫度、振動及間隙的變化情況。人手上的神經纖維對溫度比較敏感,可以比較準確地分辨出80℃以內的溫度。當機件溫度在0℃左右時,手感冰涼,若觸摸時間較長會產生刺骨痛感;10℃左右時,手感較涼,但一般能忍受;20℃左右時,手感稍涼,隨著接觸時間延長,手感漸溫;30℃左右時,手感微溫,有舒適感;40℃左右時,手感較熱,有微燙感覺;50℃左右時,手感較燙,若用掌心按的時間較長,會有汗感;60℃左右時,手感很燙,但一般可忍受10s長的時間;70℃左右時,手感燙得灼痛,一般只能忍受3s長的時間,并且手的觸摸處會很快變紅。觸摸時,應試觸后再細觸,以估計機件的溫升情況。用手晃動機件可以感覺出0.1～0.3mm的間隙大小。用手觸摸機件可以感覺振動的強弱變化和是否產生沖擊,以及溜板的爬行情況。用配有表面熱電偶探頭的溫度計測量滾動軸承、滑動軸承、主軸箱、電動機等機件的表面溫度,則具有判斷熱異常位置迅速、數據準確、觸測過程方便的特點。3)觀察法。人的視覺可以觀察設備上的機件有無松動、裂紋及其他損傷等;可以檢查潤滑是否正常,有無干摩擦和跑、冒、滴、漏現象;可以查看油箱沉積物中金屬磨粒的多少、大小及特點,以判斷相關零件的磨損情況;可以監測設備運動是否正常,有無異常現象發生;可以觀看設備上安裝的各種反映設備工作狀態的儀表,了解數據的變化情況;可以通過測量工具和直接觀察表面狀況,檢測產品質量,判斷設備工作狀況。把觀察的各種信息進行綜合分析,就能對設備是否存在故障、故障部位、故障的程度及故障的原因作出判斷。3.旋轉機械的振動監測與診斷(1)旋轉機械振動的類型轉子組件是旋轉機械的核心部分,由轉軸及固定裝在其上的各類盤狀零件(如葉輪、齒輪、聯軸器、軸承等)所組成。轉子系統分為剛性轉子和柔性轉子,當代的大型轉動機械,為了提高單位體積的做功能力,一般均將轉動部件做成高速運轉的柔性轉子(工作轉速高于其固有頻率對應的轉速),采用滑動軸承支撐。由于滑動軸承具有彈性和阻尼,因此,它的作用遠不止是作為轉子的承載元件,而且還作為轉子動力系統的一部分。在考慮到滑動軸承的作用后,轉子-軸承系統的固有振動、強迫振動和穩定特性就和單個振動體不同了。其振動機理如下:1)油膜振蕩引起的振動。由于柔性轉子在高于其固有頻率的轉速下工作,所以在起、停車過程中,它必定要通過固有頻率這個位置。此時機組將因共振而發生強烈的振動,一般來說,一臺給定的設備除非受到損壞,其結構不會有太大的變化,因而其質量分布、軸系剛度系數都是固定的,其固有頻率也應是一定的。但實際上,現場設備結構變動的情況還是很多的,最常遇到的是換瓦,有時是更換轉子,不可避免的是設備維修安裝后未能準確復位等,都會影響到臨界轉速的改變。在瓦隙較大的情況下,轉子常會因不平衡等原因而偏離其轉動中心,致使油膜合力與載荷不能平衡,就會引起油膜渦動。油膜渦動是一種比較典型的失穩。機組的穩定性能在很大程度上取決于滑動軸承的剛度和阻尼。當系統具有正阻尼時,系統具有抑制作用,振動逐漸衰減;反之系統具有負阻尼時,油膜渦動就會發展為油膜振蕩。油膜渦動與油膜振蕩都是油膜承載壓力波動的反映,表現為軸的振動。2)轉子不平衡引起的振動。旋轉機械的轉子由于受材料的質量分布、加工誤差、裝配因素以及運行中的沖蝕和沉積等因素的影響,致使其質量中心與旋轉中心存在一定程度的偏心距。偏心距較大時,靜態下,所產生的偏心力矩大于摩擦阻力矩,表現為某一點始終恢復到水平放置的轉子下部,其偏心力矩小于摩擦阻力矩的區域內,稱之為靜不平衡。偏心距較小時,不能表現出靜不平衡的特征,但是在轉子旋轉時,表現為一個與轉動頻率同步的離心力矢量,從而激發轉子的振動。這種現象稱之為動不平衡。3)轉子和聯軸器的不對中引起的振動。由于安裝施工中對中超差;冷態對中時沒有正確估計各個轉子中心線的熱態升高量,工作時出現主動轉子與從動轉子之間產生動態對中不良;軸承座熱膨脹不均勻;機殼變形或移位;地基不均勻下沉;轉子彎曲,同時產生不平衡和不對中故障。最終引起振動。4)連接松動引起的振動。當軸承套與軸承座配合具有較大間隙或緊固力不足時,軸承套受轉子離心力作用,沿圓周方向發生周期性變形,改變軸承的幾何參數,進而影響油膜的穩定性;當軸承座螺栓緊固不牢時,由于結合面上存在間隙,使系統發生不連續的位移。最終引起振動。(2)旋轉機械故障的診斷方法1)簡易診斷方法。簡易診斷方法是采用一些便攜式測振儀拾取信號,主要用于設備狀態的監測,并可作為進一步進行精密診斷的基礎。簡易診斷方法簡單易行,投資少,見效快,但是由于便攜式儀器功能有限,只能解決狀態認識和故障的初步分類問題。2)精密診斷方法。為完成診斷任務,還必須用簡易診斷方法獲得的各種診斷信息所提供的振動特征與典型故障的振動特征相互聯系進行分類比較,即模式識別,才能對故障的類型、性質和產生的部位和原因進行識別,為診斷決策提供依據。4.齒輪的故障診斷(1)齒輪故障的形式齒輪是最常用的機械傳動零件,齒輪故障也是轉動設備常見的故障。據有關資料統計,齒輪故障占旋轉機械故障的10.3%。齒輪故障可劃分為兩大類:一類是軸承損傷、不平衡、不對中、齒輪偏心、軸彎曲等;另一類是齒輪本身(即輪齒)在傳動過程中形成的故障。在齒輪箱的各零件中,齒輪本身的故障比例最大,據統計其故障率達60%以上。齒輪本身的常見故障形式有以下幾種：1)斷齒。斷齒是最常見的齒輪故障,輪齒的折斷一般發生在齒根,因為齒根處的彎曲應力最大,而且是應力集中之源。

斷齒有三種情況:①疲勞斷齒,由于輪齒根部在載荷作用下所產生的彎曲應力為脈動循環交變應力,以及在齒根圓角、加工刀痕、材料缺陷等應力集中源的復合作用下,會產生疲勞裂紋。裂紋逐步蔓延擴展,最終導致輪齒發生疲勞斷齒。②過載斷齒,對于由鑄鐵或高硬度合金鋼等脆性材料制成的齒輪,由于嚴重過載或受到沖擊載荷作用,會使齒根危險截面上的應力超過極限值而發生突然斷齒。③局部斷齒,當齒面加工精度較低或齒輪檢修安裝質量較差時,沿齒面接觸線會產生一端接觸、另一端不接觸的偏載現象。偏載使局部接觸的輪齒齒根處應力明顯增大,超過極限值而發生局部斷齒。局部斷齒總是發生在輪齒的端部。2)點蝕。點蝕是閉式齒輪傳動常見的損壞形式,一般多出現在靠近節線的齒根表面上,發生的原因是齒面脈動循環接觸應力超過了材料的極限應力。在齒面處的脈動循環變化的接觸應力超過了材料的極限應力時,齒面上就會產生疲勞裂紋。裂紋在嚙合時閉合而促使裂紋縫隙中的油壓增高,從而又加速了裂紋的擴展。如此循環變化,最終使齒面表層金屬一小塊一小塊地剝落下來而形成麻坑,即點蝕。點蝕有兩種情況:①初始點蝕(亦稱為收斂性點蝕),通常只發生在軟齒面(<350HBW)上,點蝕出現后,不再繼續發展,甚至反而消失。原因是微凸起處逐漸變平,從而擴大了接觸區,接觸應力隨之降低。②擴展性點蝕,發生在硬齒面(>350HBW)上,點蝕出現后,因為齒面脆性大,凹坑的邊緣不會被碾平,而是繼續碎裂下去,直到齒面完全損壞。對于開式齒輪,齒面的疲勞裂紋尚未形成或擴展時就被磨去,因此不存在點蝕。當硬齒面齒輪熱處理不當時,沿表面硬化層和心部的交界層處,齒面有時會成片剝落,稱為片蝕。3)磨損。齒面的磨損是由于金屬微粒、塵埃和沙粒等進入齒的工作表面所引起的。齒面不平、潤滑不良等也是造成齒面磨損的原因。此外,不對中、聯軸器磨損以及扭轉共振等,會在齒輪嚙合點引起較大的扭矩變化,或使沖擊加大,將加速磨損。齒輪磨損后,齒的厚度變薄,齒廓變形,側隙變大,會造成齒輪動載荷增大,不僅使振動和噪聲加大,而且很可能導致斷齒。4)膠合。齒面膠合(劃痕)是由于嚙合齒面在相對滑動時油膜破裂,齒面直接接觸,在摩擦力和壓力的作用下接觸區產生瞬間高溫,金屬表面發生局部熔焊粘著并剝離的損傷。膠合往往發生在潤滑油粘度過低、運行溫度過高、齒面上單位面積載荷過大、相對滑動速度過高、接觸面積過小、轉速過低(油帶不起來)等條件下。齒面發生膠合后,將加速齒面的磨損,使齒輪傳動很快趨于失效。(2)齒輪的振動機理1)齒輪的力學模型分析。圖1-3所示為齒輪副的力學模型,其中齒輪具有一定的質量,輪齒可看做是彈簧,所以若以一對齒輪作為研究對象,則該齒輪副可以看做一個振動系統。圖中的齒輪嚙合剛度是k(t),為周期性的變量,一是隨著嚙合點位置而變化,二是隨著嚙合的齒數在變化。由此可見齒輪的振動主要是由k(t)的這種周期性變化引起的。

一組頻率間隔較大的脈沖函數和一組頻率間隔較小的脈沖函數的卷積,在頻譜上就形成若干組圍繞嚙合頻率及其倍頻成分兩側的邊頻族。圖1-4所示為齒輪頻譜上邊帶的形成。②頻率調制。齒輪載荷不均勻、齒距不均勻及故障造成的載荷波動,除了對振動幅值產生影響外,同時也必然產生扭矩波動,使齒輪轉速產生波動。這種波動表現在振動上即為頻率調制(也可以認為是相位調制)。對于齒輪傳動,任何導致產生幅值調制的因素也同時會導致頻率調制。兩種調制總是同時存在的。對于質量較小的齒輪副,頻率調制現象尤為突出。頻率調制即使在載波信號和調制信號均為單一頻率成分的情況下,也會形成很多邊頻成分,頻率調制及其邊帶如圖1-5所示。(3)齒輪故障診斷常用的信號分析處理方法由于齒輪故障在頻譜圖上反映出的邊頻帶比較多,因此頻譜分析時必須有足夠的頻率分辨率。當邊頻帶的間隔(故障頻率)小于分辨率時,就分析不出齒輪的故障,可采用頻率細化技術提高分辨率,齒輪振動信號的頻譜分析圖如圖1-6所示。(4)齒輪常見故障信號的特征與精密診斷1)正常齒輪振動信號的時域特征與頻域特征。①時域特征。正常齒輪由于剛度的影響,其振動信號波形為周期性的衰減波形,其低頻信號具有近似正弦波的嚙合波形。正常齒輪的低頻振動波形如圖1-7所示。②頻域特征。正常齒輪的振動信號反映在功率譜上,有嚙合頻率fc及其諧波分量,且以嚙合頻率成分為主,其高次諧波依次減小;在低頻處有齒輪軸旋轉頻率fr及其高次諧波。正常齒輪的頻波如圖1-8所示。2)故障情況下振動信號的時域特征與頻域特征。①均勻磨損。齒輪均勻磨損是指由于齒輪的材料、潤滑等方面的原因或者長期在高負荷下工作造成大部分齒面磨損。時域特征:正弦波的嚙合波形遭到破壞,磨損齒輪的振動波形如圖1-9所示。頻域特征:齒面均勻磨損時,嚙合頻率及其諧波分量n倍頻在頻譜圖上的位置保持不變,但其幅值大小發生改變,而且高次諧波幅值相對增大較多。齒面均勻磨損的頻譜如圖1-10所示。分析時,要分析三個以上諧波的幅值變化才能從頻譜上檢測出這種特征。隨著磨損的加劇,還有可能產生分數諧波,有時在升降速時還會出現呈非線性振動的跳躍現象,如圖1-11所示。②齒輪偏心。齒輪偏心是指齒輪的中心與旋轉軸的中心不重合,這種故障往往是由于加工造成的。時域特征:當一對互相嚙合的齒輪中有一個齒輪存在偏心時,其振動波形由于受偏心的影響被調制,產生調幅振動。齒輪有偏心時的振動波形如圖1-12所示。頻域特征:齒輪存在偏心時,其頻譜結構將在兩個方面有所反映,一是以齒輪的旋轉頻率為特征的附加脈沖幅值增大;二是以齒輪一轉為周期的載荷波動,從而導致調幅現象,這時的調制頻率為齒輪的回轉頻率,比所調制的嚙合頻率要小得多。具有偏心的齒輪的典型頻譜的特征如圖1-13所示。③齒輪不同軸。齒輪不同軸故障是指由于齒輪和軸裝配不當造成的齒輪和軸不同軸。不同軸故障會使齒輪產生局部接觸,導致部分輪齒承受較大的負荷。時域特征:時域信號具有明顯的調幅現象,齒輪不同軸波形如圖1-14所示。頻域特征:在頻譜上產生以n倍嚙合頻率為中心,以故障齒輪的旋轉頻率為間隔的一階邊頻族。同時,故障齒輪的旋轉特征頻率在頻譜上有一定反映,不同軸齒輪的頻譜如圖1-15所示。④齒輪局部異常。齒輪的局部異常包括齒根部有較大裂紋、局部齒面磨損、輪齒折斷及局部齒形誤差