风电大部件故障诊断基础知识：振动、噪声、温度、探伤

一、描述故障的特征参量

1、设备或部件的输出参数

设备的输出与输入的关系以及输出变量之间的关系都可以反映设备的运行状态。

2、设备零部件的损伤量

变形量、磨损量、裂纹以及腐蚀情况等都是判断设备技术状态的特征参量。

3、设备运转中的二次效应参数

主要是设备在运行过程中产生的振动、噪声、温度、电量等。

设备或部件的输出参数和零部件的损伤量都是故障的直接特征参量。而二次效应参数是间接特征参量。使用间接特征参量进行故障诊断的优点是，可以在设备运行中并且无需拆卸的条件下进行。不足之处是间接特征参量与故障之间的关系不是完全确定的。

二、故障诊断的实施过程

1、状态监测

通过传感器采集设备在运行中的各种信息，将其转变为电信号或其它物理量，再将获取的信号输入到信号处理系统进行处理。

2、分析诊断

根据监测到的能够反映设备运行状态的征兆或特征参数的变化情况或将征兆与模式进行比较，来判断故障的存在、性质、原因和严重程度以及发展趋势。

3、治理预防

根据分析诊断得出的结论确定治理修正和预防的办法。

状态监测是故障诊断的基础和前提;故障诊断是对监测结果的进一步分析和处理，诊断是目的。

三、振动测量

根据能否用确定的时间关系函数来描述，振动分为确定性振动和随机振动。

1、振动的基本参数

• 振幅：振动体或质点距离平衡位置的幅度。

• 频率：每秒振动的次数，用HZ表示。

• 周期：振动一次所需要的时间，频率和周期互为倒数。

• 相位：表示振动部分相对与其他振动部分或固定部分所处的位置。

2、振动位移对时间的一阶导数是速度、速度对时间的一阶导数是加速度。

加速度对时间积分得速度、速度对时间积分得位移。因此，位移、速度、加速度这三者，只要测得其中之一，即可通过微分积分的关系求出另外的两个物理量。

3、常用的测振传感器(结构和应用)

压电加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的，压电式加速度计无需外电源，属于能量转换型传感器。它由压紧弹簧、质量块、压电晶片和基座等部分组成，其中，压电晶片是加速度计的核心。压电晶体输出电荷与振动的加速度成正比。灵敏度高而且稳定。

磁电速度传感器是基于磁电感应工作的，无需外电源也属于能量转换型传感器。由磁钢 、线圈 、阻尼环、弹簧片 、芯轴 、壳体和输出线 组成。当传感器随被测系统振动时，传感器线圈与磁场之间产生相对运动，切割磁力线而产生感应电动势，从而输出与振动速度成正比的电压。

振动位移信号通常采用涡流位移传感器提取。由线圈、壳体和引线组成。它基于金属体在交变磁场中的电涡流效应工作。工作时，将传感器顶端与被测对象表面之间的距离变化转换成与之成正比的电信号。这种传感器不仅能测量一些旋转轴系的振动、轴向位移，还能测量转数。涡流位移传感器属于非接触式测量，但需要外电源，属于能量控制型传感器。

4、异常振动分析方法

• 振动总值法：通过传感器直接测量，以表格或图形表示趋向，并对照"异常振动判断基准"判别设备工作是否正常。

• 频率分析法：把测量的振动信号取出进行频率分析，再将频谱图与正常谱图比较，可以找出振源、部位和严重程度。

傅立叶变换的目的是将时域信号转变为频域信号。在时域信号中，横坐标是时间;在频域信号中，横坐标是频率或圆频率。频率分析仪是一种将时域信号转变为频域信号的仪器。

频率分析仪可以将振动信号的波形分解为各个频率的分量，获得信号的频率结构和组成信号的各个谐波的幅值、相位，从而确定信号特征。

振动脉冲测量法：主要用于滚动轴承的测量，以振动峰值作为判断依据。

四、噪声测量

噪声：不规则的机械振动在空气中引起的振动波。

声压级、声强级和声功率级，是噪声强弱的客观量度;频率或频谱表示噪声的成分。也可以用主观的感觉，例如响度进行测量。

1、噪声的物理量度

• 声压：声波传播时，空气质点随之振动所产生的压力波动出现的压强增量(Pa)。

• 声压级(dB)：声压与基准声压之比的以10为底的对数的20倍。

• 声强：单位时间内，单位面积上的声波能量--声强(W/㎡)。

• 声强级：声强与基准声强之比的以10为底的对数的10倍--声强级(dB)。

• 声功率：声源在单位时间内辐射出来的总声能--声功率(W)。

• 声功率级：声功率与基准声功率之比的以10为底的对数的10倍--声功率级(dB)。

2、噪声的主观量度

(1) 等响曲线

人耳对燥声的感觉不仅和声压级有关，还和燥声的频率有关。

响度曲线：典型听者感觉响度相同的纯音，其声压级和频率之间的关系曲线。将各个频率下相同响度的听阈声压相连而得到的曲线，即为听阈曲线，其响度规定为0 ，所以听阈曲线也称为零方响度线。

同理，不同频率时，痛阈的声压级和频率关系曲线称为痛阈曲线，也称为120方响度线。在听阈和痛阈之间，共有13个响度级，其响度分别为0、10、20、30 ┉┉ 110、120。同一条曲线上的各点，频率和声压级不同，但响度相同。

(2) 计权声级

声级计利用不同线路对不同频率声音实行不同程度的衰减，从而能够近似地表达人们对声音的感受和反映。

声级计中常常采用A、B、C三个计权网络。其中，C计权网络让所有频率的可听声音程度相同地通过，所以它代表总声级;B计权网络使低频段的声音在通过时有一定程度的衰减;A计权网络使声音的低频段有更大的衰减。噪声测量中，若：

• LC = LB = LA 时：表明噪声的声能主要集中在高频段;

• LC = LB>LA时：表明噪声的声能主要集中在中频段;

• LC > LB> LA时：表明噪声的声能主要集中在低频段。

3、噪声测量仪器

(1) 传声器

它的作用是将声能转换成电能。通常用膜片感受声压，把声压的变化成膜片的振动。

传声器分为三类：

• 压强式，膜片感受的是声压;

• 压差式，膜片振动取决于膜片两侧的压差;

• 压强和压差组合式。

电容传声器：灵敏度高，动态范围宽，输出特性稳定，对周围环境适应性强，外形尺寸小。

压电传声器：结构简单成本低，输出阻抗低，电容量大，灵敏度较高。性能受温、湿度影响较大。

(2) 声级计

声级计可以用来测量声级，进行频谱分析，记录噪声的时间特性和测量振动。被测量的声压信号通过传声器转换成电压信号，经过衰减器和放大器以及计权网络等，最后由分贝表显示。

4、故障的噪声识别方法

可以根据噪声信号的特征量制定一个限值作为有无故障的标准。

要识别故障的性质、发生的部位以及严重程度，还需要提取噪声信号作频谱分析。

对噪声判断有绝对标准、相对标准和类比标准。三种方法分别对应于将测量所得到的噪声信号的特征量值和标准特征量值、正常运行的特征量值或同类设备相同工况时的特征量值进行比较。

五、温度测量法

1、测温仪表

接触式测温装置：测温元件与被测对象直接接触，通过热交换进行测温。

• 热膨胀式(水银、双金属、液体、气体等)。

• 压力式。

• 热电阻式(铂、镍、铜、半导体等)：材料的电阻随温度的变化而变化，利用这个特性，可以将温度转换成为电量。

• 热电偶式(镍铬-考铜、镍铬-镍硅、铂铑-铂等)：基于热电效应进行测量，即两种不同材料的导体组成回路时，若两端温度不同，则产生感应电动势，其大小与材料以及两端温差有关。当材料确定时，热电动势只是被测温度的函数而与直径、长度无关。

非接触式测温装置：辐射高温计、光学高温计、比色高温计和红外测温仪器。

红外测温仪器由红外探测器、红外光学系统、信号处理系统以及显示系统等组成。

常用的红外测温仪器有：红外测温仪和红外热像仪(可测温度在物体表面或空间的分布情况)。

红外测温仪器的核心是红外探测器，它能将入射的红外辐射转变为电能或 其它能量。按照辐射响应方式的不同，分为光电探测器和热敏探测器两类。

红外光学系统有反射式、折射式和折-反射式。

常用的红外测温仪器有：红外测温仪和红外热像仪。后者可以测量温度在物体表面或空间的分布情况。被测对象的红外辐射经光学系统汇聚、滤波、聚焦到红外探测器上，再由光学--机械扫描系统将对象观测面上各点的红外辐射通量按时间顺序排列，经过红外探测器转变为电脉冲，通过视频信号处理送到显示器显示出热像。

2、通过测温测量所能发现的常见故障有轴承损坏、流体系统故障、发热异常、污染物质积聚、保温材料损坏、电器元件故障、非金属部件的故障、机件内部缺陷、裂纹探测等。

六、裂纹的无损探伤法

裂纹是机器零部件最严重的缺陷。

裂纹可能在原材料生产、零部件加工以及设备使用等各个阶段产生。可以采用的方法有目视 - 光学检测法、渗透探测法、磁粉探测法、射线探测法、超声波探测法、涡流探测法和声发射探测法。

其中，声发射探测法为动态检测、在加载或运行状态下进行;裂纹主动参与，提供裂纹活动的信息;灵敏度高、覆盖面大、不会漏检;但是，不能反应静态缺陷情况。而涡流探测法：适用于导电材料表面或近表面探伤;灵敏度高，可自动显示报警;非接触式，可用于高温测量对象典型零件故障诊断;可用于显示、记录和报警，并可估算缺陷的位置和大小。不足：深层缺陷难以探测、影响因素多、存在边界效应。