大型机床设备故障的信息获取和检测方法

夏卫锋

（邵阳职业技术学院机电工程系，湖南 邵阳 422004）

设备的故障诊断，自有工业生产以来就已存在，早期人们依据对设备的触摸，对声音、振动等状态特征的感受，凭借工匠的经验，可以判断某些故障的存在，并提出修复的措施。对于大型机床的诊断，一是防患于未然，早期诊断；二是诊断故障，采取措施。

1 设备故障信息的获取方法

对设备故障进行诊断，首先应获取有关信息。信息是提供人们判断或识别状态的重要依据，是指某些事实和资料的集成。信号是信息的载体，因而设备故障诊断技木在一定意义上是属于信息技术的范畴。充分地检测足够量的、能反映系统状态的信号，对诊断来说是至关重要的。下面介绍信息获取的几种方法。

1.1 直接观测法

应用这种方法对机器状态作出判断主要靠人的经验和感官，受限于能观测到的或接触到的机器零件。这种方法可以获得第一手资料，但在观测中有时使用了一些辅助的工具和仪器，如检查零件内孔有无表面缺陷的光学窥镜，探查零件表面有无裂纹的磁性涂料及着色渗透剂等，来扩大和延伸人的观测能力。

1.2 参数测定法

根据设备运行的各种参数的变化来获取故障信息是广泛应用的一种方法。因为机器运行时各部件的运动必然会有各种信息，这些信息参数可以是温度、压力、振动或噪声等，它们都能反映机器的工作状态，如根据轴瓦下部油压变化可以了解轴转动中情况，分析油液中金属碎削情况可以了解铀瓦磨损程度等。在运转的设备中，振动是最重要的信息来源，在振动信号中包含了各种丰富的故障信息。任何机器在运转时工作状态发生了变化，必然会从振动信号中反映出来。对旋转机械来说，目前在国内外应用最普遍的方法是利用振动情号对机器状态进行判别。从测试手段来看，利用振动信号进行测试也更方便、实用，要利用振动信号对故障进行判别，首先应从振动信号中提取有用的特征信号，即利用信号处理技术对振动信号进行处理。目前应用最广泛的处理方法是进行频谱分析，即从振动信号中的频率成分和分布情况来判断故障。

其他如噪声、温度、压力、变形等参数也是故障信息的重要来源。

1.3 磨损残余物的测定

机器零件，例如轴承、齿轮、活塞环、缸套等在运行过程中的磨损残渣可以在润滑油中找到。测定的方法分为三种：一种是直接检查残渣，以及测定油膜间隙内电容或电感的变化、润滑油混浊度的变化等方法以迅速获得零件失效的信息。第二种是残渣的收集，例如采用磁性探头、特殊的过滤器等收集齿轮、滚动轴承等工作表面疲劳引起的大块剥落颗粒。第三种方法是油样分析，可以确定机器中什么零件在磨损。

测定机器零部件如轴承、齿轮、活塞环等的磨损残渣在润滑抽中的含量，也是一种有效的获取故障信息的方法。根据磨损残渣在润滑油中含量及颗粒分布可以掌握零件磨损情况，并可预防机器故障的发生。

1.4 设备性能指标的测定

设备性能包括整机及零部件性能，通过测量机器性能及输入、输出量的变化信息来判断机器的工作状态也是一种重要方法。

例如，柴油机耗油量与功率的变化，机床加工零件精度的变化，风机效率的变化等均包含着故障信息。

2 设备故障的检测方法

由于机器运行的状态千差万别，因而出现的故障也多种多样，采用的检测方法各不相同。现对具体的各种故障应采用的方法及其应用范围作一介绍。

2.1 振动和噪声的故障检测

机器在运行的过程中振动是诊断的重要信息，它反映了机器的状态。根据检测的振动和噪声信号，可采用以下方法对机器状态进行诊断：

（1）振动法：对机器主要部位的振动值如位移、速度、加速度、转速等进行测定，与标准值进行比较，据此可以宏观地对机器的运行状况进行评定，这是最常用的方法。

（2）特征分析法：对测得的上述振动量在时域、频域、时-频域进行特征分析，用以确定机器各种故障的内容和性质。

（3）模态分析与参数识别法：利用测得的振动参数对机器零部件的模态参数进行识别，确定故障的原因和部位。

（4）冲击能量与冲击脉冲测定法：利用共振解调技术以测定滚动轴承的故障。

（5）声学法：对机器噪声的测量可以了解机器运行情况并寻找故障源。

2.2 材料裂纹及缺陷的故障检测

材料裂纹包括应力腐蚀裂纹及疲劳裂纹，一般可采用下述方法进行检测：

（1）超声波探伤法：该方法成本低，可测厚度大，速度快，对人体无害，主要用来检测平面型缺陷。

（2）射线探伤法：主要采用x射线。该方法主要用于展示体积型缺陷，适用于一切材料，测量成本较高，对人体有一定损害，使用时应注意。

（3）渗透探伤法：主要有荧光渗透等。该方法操作简单，成本低，应用范围广，可直观显示，但仅适用于有表面缺陷的损伤类型。

（4）磁粉探伤法：该法使用简便，较渗透探伤更灵敏，能探测材料表面的缺陷，但仅适用于铁磁性材料。

（5）混流探伤法：这种方法对封闭在材料表面下的缺陷有较高的检测灵敏度，容易实现自动化和计算机处理。

（6）激光全息检测法：它是20世纪60年代发展起来的一种技术，可检测各种蜂窝结构、叠层结构、高压容器等。

（7）微波检测技术：它也是近几十年来发展起来的一种新技术，对非金属的贯穿能力远大于超声波方法，其特点是快速、简便，是一种非接触式的无损检测。

（8）声发射技术：它主要对大型构件结构的完整性进行监测和评价，对缺陷的增长可实行动态、实时监测，且检测灵敏度高。目前在压力容器，核电站重点设备及放射性物质泄漏、输送管道焊接部位缺陷等方面的检测获得了广泛的应用。

2.3 设备零部件材料的磨损及腐蚀故障检测

这类故障除采用上述无损检测中的超声探伤法外尚可用下列方法：

（1）光纤内窥技术：它是利用特制的光纤内窥探测器直接观测到材料表面磨损及腐蚀情况。

（2）油液分析技术：油液分析技术可分为两大类：一类是油液本身的物理、化学性能分析，另一类是对油液污染程度的分析。

2.4 温度、压力、流量变化引起的故障检测

机器设备系统的有些故障往往反映在一些工艺参数（如温度、压力、流量）的变化中，在温度测量中除常规使用的装在机器上的热电阻、热电偶等接触式测温仪外，目前在一些特殊场合使用的非接触式测温方法有红外测温仪和红外热伤仪，它们都是依据物体的热辐射进行测量的。

3 结语

大型机床设备诊断技术的最根本的任务是通过测取设备的信息来识别设备的状态。因为只有识别了设备的有关状态，才有可能达到设备诊断的目的。

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