大型機床設備故障的信息獲取和檢測方法

夏衛鋒

（邵陽職業技術學院機電工程系，湖南 邵陽 422004）

設備的故障診斷，自有工業生產以來就已存在，早期人們依據對設備的觸摸，對聲音、振動等狀態特征的感受，憑借工匠的經驗，可以判斷某些故障的存在，并提出修復的措施。對于大型機床的診斷，一是防患于未然，早期診斷；二是診斷故障，采取措施。

1 設備故障信息的獲取方法

對設備故障進行診斷，首先應獲取有關信息。信息是提供人們判斷或識別狀態的重要依據，是指某些事實和資料的集成。信號是信息的載體，因而設備故障診斷技木在一定意義上是屬于信息技術的范疇。充分地檢測足夠量的、能反映系統狀態的信號，對診斷來說是至關重要的。下面介紹信息獲取的幾種方法。

1.1 直接觀測法

應用這種方法對機器狀態作出判斷主要靠人的經驗和感官，受限于能觀測到的或接觸到的機器零件。這種方法可以獲得第一手資料，但在觀測中有時使用了一些輔助的工具和儀器，如檢查零件內孔有無表面缺陷的光學窺鏡，探查零件表面有無裂紋的磁性涂料及著色滲透劑等，來擴大和延伸人的觀測能力。

1.2 參數測定法

根據設備運行的各種參數的變化來獲取故障信息是廣泛應用的一種方法。因為機器運行時各部件的運動必然會有各種信息，這些信息參數可以是溫度、壓力、振動或噪聲等，它們都能反映機器的工作狀態，如根據軸瓦下部油壓變化可以了解軸轉動中情況，分析油液中金屬碎削情況可以了解鈾瓦磨損程度等。在運轉的設備中，振動是最重要的信息來源，在振動信號中包含了各種豐富的故障信息。任何機器在運轉時工作狀態發生了變化，必然會從振動信號中反映出來。對旋轉機械來說，目前在國內外應用最普遍的方法是利用振動情號對機器狀態進行判別。從測試手段來看，利用振動信號進行測試也更方便、實用，要利用振動信號對故障進行判別，首先應從振動信號中提取有用的特征信號，即利用信號處理技術對振動信號進行處理。目前應用最廣泛的處理方法是進行頻譜分析，即從振動信號中的頻率成分和分布情況來判斷故障。

其他如噪聲、溫度、壓力、變形等參數也是故障信息的重要來源。

1.3 磨損殘余物的測定

機器零件，例如軸承、齒輪、活塞環、缸套等在運行過程中的磨損殘渣可以在潤滑油中找到。測定的方法分為三種：一種是直接檢查殘渣，以及測定油膜間隙內電容或電感的變化、潤滑油混濁度的變化等方法以迅速獲得零件失效的信息。第二種是殘渣的收集，例如采用磁性探頭、特殊的過濾器等收集齒輪、滾動軸承等工作表面疲勞引起的大塊剝落顆粒。第三種方法是油樣分析，可以確定機器中什么零件在磨損。

測定機器零部件如軸承、齒輪、活塞環等的磨損殘渣在潤滑抽中的含量，也是一種有效的獲取故障信息的方法。根據磨損殘渣在潤滑油中含量及顆粒分布可以掌握零件磨損情況，并可預防機器故障的發生。

1.4 設備性能指標的測定

設備性能包括整機及零部件性能，通過測量機器性能及輸入、輸出量的變化信息來判斷機器的工作狀態也是一種重要方法。

例如，柴油機耗油量與功率的變化，機床加工零件精度的變化，風機效率的變化等均包含著故障信息。

2 設備故障的檢測方法

由于機器運行的狀態千差萬別，因而出現的故障也多種多樣，采用的檢測方法各不相同。現對具體的各種故障應采用的方法及其應用范圍作一介紹。

2.1 振動和噪聲的故障檢測

機器在運行的過程中振動是診斷的重要信息，它反映了機器的狀態。根據檢測的振動和噪聲信號，可采用以下方法對機器狀態進行診斷：

（1）振動法：對機器主要部位的振動值如位移、速度、加速度、轉速等進行測定，與標準值進行比較，據此可以宏觀地對機器的運行狀況進行評定，這是最常用的方法。

（2）特征分析法：對測得的上述振動量在時域、頻域、時-頻域進行特征分析，用以確定機器各種故障的內容和性質。

（3）模態分析與參數識別法：利用測得的振動參數對機器零部件的模態參數進行識別，確定故障的原因和部位。

（4）沖擊能量與沖擊脈沖測定法：利用共振解調技術以測定滾動軸承的故障。

（5）聲學法：對機器噪聲的測量可以了解機器運行情況并尋找故障源。

2.2 材料裂紋及缺陷的故障檢測

材料裂紋包括應力腐蝕裂紋及疲勞裂紋，一般可采用下述方法進行檢測：

（1）超聲波探傷法：該方法成本低，可測厚度大，速度快，對人體無害，主要用來檢測平面型缺陷。

（2）射線探傷法：主要采用x射線。該方法主要用于展示體積型缺陷，適用于一切材料，測量成本較高，對人體有一定損害，使用時應注意。

（3）滲透探傷法：主要有熒光滲透等。該方法操作簡單，成本低，應用范圍廣，可直觀顯示，但僅適用于有表面缺陷的損傷類型。

（4）磁粉探傷法：該法使用簡便，較滲透探傷更靈敏，能探測材料表面的缺陷，但僅適用于鐵磁性材料。

（5）混流探傷法：這種方法對封閉在材料表面下的缺陷有較高的檢測靈敏度，容易實現自動化和計算機處理。

（6）激光全息檢測法：它是20世紀60年代發展起來的一種技術，可檢測各種蜂窩結構、疊層結構、高壓容器等。

（7）微波檢測技術：它也是近幾十年來發展起來的一種新技術，對非金屬的貫穿能力遠大于超聲波方法，其特點是快速、簡便，是一種非接觸式的無損檢測。

（8）聲發射技術：它主要對大型構件結構的完整性進行監測和評價，對缺陷的增長可實行動態、實時監測，且檢測靈敏度高。目前在壓力容器，核電站重點設備及放射性物質泄漏、輸送管道焊接部位缺陷等方面的檢測獲得了廣泛的應用。

2.3 設備零部件材料的磨損及腐蝕故障檢測

這類故障除采用上述無損檢測中的超聲探傷法外尚可用下列方法：

（1）光纖內窺技術：它是利用特制的光纖內窺探測器直接觀測到材料表面磨損及腐蝕情況。

（2）油液分析技術：油液分析技術可分為兩大類：一類是油液本身的物理、化學性能分析，另一類是對油液污染程度的分析。

2.4 溫度、壓力、流量變化引起的故障檢測

機器設備系統的有些故障往往反映在一些工藝參數（如溫度、壓力、流量）的變化中，在溫度測量中除常規使用的裝在機器上的熱電阻、熱電偶等接觸式測溫儀外，目前在一些特殊場合使用的非接觸式測溫方法有紅外測溫儀和紅外熱傷儀，它們都是依據物體的熱輻射進行測量的。

3 結語

大型機床設備診斷技術的最根本的任務是通過測取設備的信息來識別設備的狀態。因為只有識別了設備的有關狀態，才有可能達到設備診斷的目的。

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