Chapter無損檢測技術在設備診斷中的應用實用

會計學1Chapter無損檢測技術在設備診斷中的應用實用6.1.1油樣的光譜分析技術

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，原子核外的電子吸收能量從低能級軌道躍遷到較高能級的軌道，但是這樣的原子能量狀態(tài)是不穩(wěn)定的，電子會自動地從高能級軌道躍遷回原來能級軌道，與此同時，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不同，稱為特征波長。經(jīng)過棱鏡或光柵分光系統(tǒng)，將輻射線按一定波長順序排列，所得到的譜圖稱為光譜。測量各特征波長的譜線和強度，就可檢測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)生部位及其嚴重程度，并依此對相應的零部件工作狀態(tài)作出判斷。第1頁/共36頁6.1.1.1原子吸收光譜測定法原子吸收光譜測定法原理第2頁/共36頁6.1.1.2原子發(fā)射光譜測定法原子發(fā)射光譜測定法原理第3頁/共36頁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源的不同變化很大，取決于它們合金成分的多少、設備的類型、工作特點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量級時，機器仍運行良好；但在另一種情形下，元素濃度小于，事故卻即將來臨。因此，采用油樣光譜分析技術對機械設備進行工況監(jiān)測與故障診斷時，一定要針對具體設備和工作條件作反復試驗，才能確定出合適的磨損界限。第4頁/共36頁6.1.2油樣的鐵譜分析技術

鐵譜分析方法是利用經(jīng)過稀釋的油液通過一塊具有高磁場梯度的玻璃片或玻璃管，將潤滑油中所含的磨?；蛩樾?，按其粒度大小有序地分離開來，經(jīng)過光學顯微觀察和光密度計計數(shù)，可對磨屑的來源、產(chǎn)生的原因以及零部件磨損的程度進行定性和定量分析，及時作出機器零部件的故障預報。鐵譜儀是鐵譜分析的關鍵設備，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/共36頁6.1.2.1.1直讀式鐵譜儀1、2——光伏探測器；3——磁鐵；4——光導纖維；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——毛細管直讀式鐵譜儀的結(jié)構(gòu)和工作原理第6頁/共36頁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：

1、結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜（約為分析式鐵譜儀的1/4）；

2、制譜與讀譜合二為一，分析過程簡便快捷；

3、讀數(shù)穩(wěn)定性、重復性較差，隨機因素干擾影響大；

4、只能提供關于磨屑體積的信息，不能提供關于磨屑形貌、磨屑來源的信息，信息量有限，常用作油樣的快速分析和初步診斷。第7頁/共36頁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)的成套測試系統(tǒng)。制譜儀的結(jié)構(gòu)原理第8頁/共36頁6.1.2.1.2分析式鐵譜儀分析式鐵譜儀的性能特點：

1、提供的信息較豐富。分析式鐵譜儀不僅能夠提供關于磨損程度的信息，而且通過對磨屑形貌及其成分的觀察，還能提供關于磨損發(fā)生機理及發(fā)生部位的信息，也就是說，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行一次測量，不能將沉積管從磁場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，供以后觀察分析用。

3、制譜過程較慢，制作一個完整的譜片約需30min，且制譜時要求較嚴格，故一般只能在實驗室進行。第9頁/共36頁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固有的缺陷：

1、蠕動泵輸送油樣時對磨屑的碾壓和拋光效應，改變了磨屑的原始形貌，從而影響對其形貌特征識別和磨損機理的研究。

2、由于沉積面積有限，先行沉積的磨屑對流道堵塞，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/共36頁6.1.2.1.3旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀旋轉(zhuǎn)譜片旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀的磁場裝置原理第11頁/共36頁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鐵譜片上沉積的顆粒進行形狀、尺寸大小、形貌和成分的分析，建立磨損狀態(tài)類型與磨損顆粒形態(tài)的相互關系，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，對鐵譜片進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。

盡管鐵譜分析技術獲得了廣泛的應用，但至今尚沒有一個統(tǒng)一的定量指標。第12頁/共36頁6.1.2.3鐵譜分析的優(yōu)缺點優(yōu)點：具有較高的檢測效率和較寬的磨屑尺寸檢測范圍，可同時給出磨損機理、磨損部位以及磨損程度等方面的信息。缺點：

1、操作環(huán)節(jié)較多，監(jiān)測周期較長，影響因素復雜，檢測與診斷的正確性取決于操作人員的經(jīng)驗與熟練程度。

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

3、對非鐵磁性磨損顆粒的檢測效果欠佳，影響了其對有色合金摩擦副的監(jiān)測效果。第13頁/共36頁6.1.3應用實例例1：機車柴油機故障的光譜、鐵譜分析東風4型3877號機車光譜分析曲線

某機務段對東風4型機車柴油機1998年即將進入第4次輔修時，光譜、鐵譜分析診斷為“嚴重異常磨損”，并發(fā)出“危險”預報，于是提前檢修。檢查中發(fā)現(xiàn)第3缸活塞裙部及第8缸缸套嚴重崩缺，第11缸活塞環(huán)槽磨損嚴重。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，分析鐵譜片上開始出現(xiàn)精細的鋁磨粒。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，尺寸開始增大（鋁磨粒最大尺寸已達30um），同時出現(xiàn)銅磨粒以及少量的鋼磨粒，預示著磨損狀態(tài)已很嚴重，立刻發(fā)出報警信號。隨后的拆檢結(jié)果證實了預報的準確性。第14頁/共36頁東風4型0122號機車光譜分析曲線

東風4型的0122號機車柴油機，在得到光譜、鐵譜分析“異常磨損”的預報之后，車輛停運拆檢，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。受補換油的影響，光譜分析數(shù)據(jù)呈反復波動狀態(tài)。鐵、鋁分析數(shù)據(jù)波動幅度明顯增大，鋁元素數(shù)據(jù)反復超標，磨損狀態(tài)診斷為活塞故障。鐵譜分析在第3次輔修后開始出現(xiàn)異常，發(fā)現(xiàn)了尺寸較大的鋁磨粒。跟蹤監(jiān)測中，鋁磨粒濃度及尺寸不斷上升，最大已達40um，呈疲勞剝落及撕扯狀，同時相繼出現(xiàn)較多的黑色氧化物、腐蝕磨粒和小球粒，表明潤滑狀態(tài)已相當惡劣，活塞組件磨損嚴重，于是連續(xù)兩次發(fā)出警報信號，經(jīng)檢查后排除了故障源。6.1.3應用實例例2：機車柴油機故障的光譜、鐵譜分析第15頁/共36頁1、機器發(fā)生異常磨損的判別機器是否發(fā)生異常磨損，不僅僅看潤滑油中所含磨損顆粒數(shù)量的絕對值大小，更重要的是要看油中的磨粒隨時間的變化速率和大磨粒的尺寸變化趨勢。機器內(nèi)磨損顆粒存在的特點是，當磨損量穩(wěn)定的時候，磨粒產(chǎn)生的數(shù)量等于漏損掉的數(shù)量，磨粒在油中將達到一個動態(tài)平衡值。非正常磨損時將產(chǎn)生較大的磨粒，而且磨粒隨時間的增長速率也將大大增加。鐵譜分析中，顆粒的大小、單位時間內(nèi)增長數(shù)的多少以及顆粒的磨損類型是三個重要的分析指標。磨損量的正常值、注意值、警告值是通過反復實踐、總結(jié)、修正摸索出來的。不同機械、不同部位標準不同。6.1.4應用光譜、鐵譜分析應注意的問題第16頁/共36頁2、主觀因素的影響鐵譜分析是利用鐵譜技術對潤滑油中金屬顆粒的尺寸、形態(tài)、顏色、數(shù)量及分布狀況進行定性分析，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和豐富的實踐經(jīng)驗。對同一臺設備同一部位潤滑油的分析，最好由一個人負責，以保持分析結(jié)果的一致性和連續(xù)性。6.1.4應用光譜、鐵譜分析應注意的問題第17頁/共36頁3、光譜、鐵譜結(jié)合分析光譜分析可以了解潤滑油中金屬含量，但不能分析金屬顆粒的形狀、磨損類型。鐵譜分析可以了解磨損顆粒形狀和類型，但不能準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滑油中的金屬含量，而且有利于分析金屬顆粒的來源。兩者互為補充，互為參考。6.1.4應用光譜、鐵譜分析應注意的問題第18頁/共36頁4、監(jiān)控標準和側(cè)重點發(fā)動機的主要磨損顆粒為鐵顆粒，鐵的含量有一定程度升高問題不大，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)對潤滑油清結(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，應引起重視。發(fā)動機和變速箱出現(xiàn)異常磨損，將在一段時間后才會產(chǎn)生故障，但液壓系統(tǒng)一旦出現(xiàn)異常磨損，將在很短時間內(nèi)產(chǎn)生故障。對液壓系統(tǒng)的監(jiān)控周期要短，一旦發(fā)生異常磨損，應立即采取措施，防止發(fā)生故障。6.1.4應用光譜、鐵譜分析應注意的問題第19頁/共36頁6.2聲發(fā)射檢測技術6.2.1聲發(fā)射檢測的基本原理聲發(fā)射的傳播形式聲發(fā)射信號傳播過程

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變能的現(xiàn)象。

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

傳感器每振蕩一次輸出的一個脈沖稱為振鈴，將振鈴脈沖峰值連起來形成包絡線，包絡線所包圍的一個大信號稱為一個聲發(fā)射事件。從包絡線上超過的一點開始到降低至的一段時間稱為事件寬度，與其后的信號延續(xù)時間之和稱為事件持續(xù)時間。

在事件持續(xù)時間內(nèi)，對每一個事件計一次數(shù)的方法稱事件計數(shù)，計量單位時間內(nèi)的事件數(shù)，稱為時間計數(shù)率。振鈴脈沖超過門檻值的次數(shù)稱為振鈴計數(shù)，單位時間內(nèi)的振鈴計數(shù)稱為振鈴計數(shù)率。第22頁/共36頁6.2.2.1計數(shù)和計數(shù)率聲發(fā)射信號簡化波形參數(shù)的定義第23頁/共36頁6.2.2.1計數(shù)和計數(shù)率阻尼正弦波V為瞬時電壓，為最大幅值電壓，為角頻率，為衰減系數(shù)，t為時間。如果比振蕩周期長得多，那么振鈴計數(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，對同一傳感器、同一試樣，就可認為衰減系數(shù)是常數(shù)。振鈴計數(shù)N在一定程度上反映了信號的幅度。第24頁/共36頁6.2.2.2幅度和幅度分布1、累計事件幅度分布

為累計事件幅度分布，為門檻電壓，b為指數(shù)。2、能量R為電壓測量線路的輸入阻抗，為與時間有關的電壓。第25頁/共36頁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。當裂紋以大的臺階擴展，大幅度的聲發(fā)射信號比例較大時，此參數(shù)就低。當裂紋以小的臺階擴展、次數(shù)很多時，此參數(shù)值就大。如果產(chǎn)生聲發(fā)射的聲源不變，當同一因素（如傳播距離）變化影響幅度時，此參數(shù)值不變。第26頁/共36頁6.2.2.3聲發(fā)射源定位設聲發(fā)射源落在x軸上，聲發(fā)射源位于，則。當傳感器接收次序為1#→2#時，；接收次序為2#→1#時，則。直線定位

發(fā)射源在一直線上時，以兩傳感器連線的中點為坐標原點，設兩傳感器相距為2c，信號到達兩個傳感器的時差為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/共36頁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：信號接收次序為1#→2#時，x取負值，當2#→1#時，x取正值。非直線定位第28頁/共36頁6.2.3聲發(fā)射檢測儀器

單通道聲發(fā)射儀只有一個信號測量通道，主要由傳感器、前置放大器、衰減器、濾波器、主放大器、門檻電路、聲發(fā)射計數(shù)器、總數(shù)計數(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：接收聲發(fā)射信號、處理信號、顯示聲發(fā)射數(shù)據(jù)。按接收聲發(fā)射信號的通道數(shù)目，聲發(fā)射儀器分為三類：單通道聲發(fā)射儀、雙通道聲發(fā)射儀、多通道聲發(fā)射儀。第29頁/共36頁6.2.3聲發(fā)射檢測儀器USB高速同步數(shù)據(jù)采集儀第30頁/共36頁6.2.3聲發(fā)射檢測儀器聲發(fā)射信號波形第31頁/共36頁6.2.4聲發(fā)射檢測的研究及應用領域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的檢測和結(jié)構(gòu)完整性評價，常壓儲罐底部、各種閥門和埋地管道的泄漏檢測等。

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

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

4、民用工程：樓房、橋梁、起重機、隧道、大壩的檢測，水泥結(jié)構(gòu)裂紋開裂和擴展的連續(xù)監(jiān)視等。第32頁/共36頁6.2.4聲發(fā)射檢測的研究及應用領域5、航天和航空工業(yè)：航空器殼體和主要構(gòu)件的檢測和結(jié)構(gòu)完整性評價，航空器的時效試驗、疲勞試驗檢測和運行過程中的在線連續(xù)監(jiān)測等。

6、金屬加工：工具磨損和斷裂的探測，打磨輪或整形裝置與工件接觸的探測，修理整形的驗證，金屬加工過程的質(zhì)量控制，焊接過程監(jiān)測，振動探測，鍛壓測試，加工過程的碰撞探測和預防。

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

8、其它：磨損摩擦監(jiān)測，發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)測，轉(zhuǎn)動機械的在線過程監(jiān)測，鋼軋輥的裂紋探測，汽車軸承強化過程的監(jiān)測