風(fēng)電大部件故障診斷基礎(chǔ)知識(shí)：振動(dòng)、噪聲、溫度、探傷

一、描述故障的特征參量

1、設(shè)備或部件的輸出參數(shù)

設(shè)備的輸出與輸入的關(guān)系以及輸出變量之間的關(guān)系都可以反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

2、設(shè)備零部件的損傷量

變形量、磨損量、裂紋以及腐蝕情況等都是判斷設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的特征參量。

3、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中的二次效應(yīng)參數(shù)

主要是設(shè)備在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲、溫度、電量等，設(shè)備或部件的輸出參數(shù)和零部件的損傷量都是故障的直接特征參量。而二次效應(yīng)參數(shù)是間接特征參量。使用間接特征參量進(jìn)行故障診斷的優(yōu)點(diǎn)是可以在設(shè)備運(yùn)行中并且無需拆卸的條件下進(jìn)行。不足之處是間接特征參量與故障之間的關(guān)系不是完全確定的。

二、故障診斷的實(shí)施過程

1、狀態(tài)監(jiān)測(cè)

通過傳感器采集設(shè)備在運(yùn)行中的各種信息，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)或其它物理量，再將獲取的信號(hào)輸入到信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

2、分析診斷

根據(jù)監(jiān)測(cè)到的能夠反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的征兆或特征參數(shù)的變化情況或?qū)⒄髡着c模式進(jìn)行比較，來判斷故障的存在、性質(zhì)、原因和嚴(yán)重程度以及發(fā)展趨勢(shì)。

3、治理預(yù)防

根據(jù)分析診斷得出的結(jié)論確定治理修正和預(yù)防的辦法，狀態(tài)監(jiān)測(cè)是故障診斷的基礎(chǔ)和前提；故障診斷是對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的進(jìn)一步分析和處理，診斷是目的。

三、振動(dòng)測(cè)量

根據(jù)能否用確定的時(shí)間關(guān)系函數(shù)來描述，振動(dòng)分為確定性振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)。

1、振動(dòng)的基本參數(shù)

振幅：振動(dòng)體或質(zhì)點(diǎn)距離平衡位置的幅度。

頻率：每秒振動(dòng)的次數(shù)，單位用Hz表示。

周期：振動(dòng)一次所需要的時(shí)間，頻率和周期互為倒數(shù)。

相位：表示振動(dòng)部分相對(duì)其他振動(dòng)部分或固定部分所處位置。

振動(dòng)位移：對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)是速度、速度對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)是加速度。

加速度：對(duì)時(shí)間積分得速度、速度對(duì)時(shí)間積分得位移。因此，位移、速度、加速度這三者，只要測(cè)得其中之一，即可通過微分積分的關(guān)系求出另外的兩個(gè)物理量。

2、常用的測(cè)振傳感器（結(jié)構(gòu)和應(yīng)用）

壓電加速度傳感器是基于壓電晶體的壓電效應(yīng)工作的，壓電式加速度計(jì)無需外電源，屬于能量轉(zhuǎn)換型傳感器。它由壓緊彈簧、質(zhì)量塊、壓電晶片和基座等部分組成，其中壓電晶片是加速度計(jì)的核心，壓電晶體輸出電荷與振動(dòng)的加速度成正比，靈敏度高且穩(wěn)定。

磁電速度傳感器是基于磁電感應(yīng)工作的，無需外電源也屬于能量轉(zhuǎn)換型傳感器。由磁鋼、線圈、阻尼環(huán)、彈簧片、芯軸、殼體和輸出線組成。當(dāng)傳感器隨被測(cè)系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)，傳感器線圈與磁場之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而輸出與振動(dòng)速度成正比的電壓。

振動(dòng)位移信號(hào)通常采用渦流位移傳感器提取。由線圈、殼體和引線組成。它基于金屬體在交變磁場中的電渦流效應(yīng)工作。工作時(shí)，將傳感器頂端與被測(cè)對(duì)象表面之間的距離變化轉(zhuǎn)換成與之成正比的電信號(hào)。這種傳感器不僅能測(cè)量一些旋轉(zhuǎn)軸系的振動(dòng)、軸向位移，還能測(cè)量轉(zhuǎn)數(shù)。渦流位移傳感器屬于非接觸式測(cè)量，但需要外電源，屬于能量控制型傳感器。

3、異常振動(dòng)分析方法

振動(dòng)總值法：通過傳感器直接測(cè)量，以表格或圖形表示趨向，并對(duì)照“異常振動(dòng)判斷基準(zhǔn)”判別設(shè)備工作是否正常。

頻率分析法：把測(cè)量的振動(dòng)信號(hào)取出進(jìn)行頻率分析，再將頻譜圖與正常譜圖比較，可以找出振源、部位和嚴(yán)重程度。

傅立葉變換的目的是將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號(hào)。在時(shí)域信號(hào)中，橫坐標(biāo)是時(shí)間；在頻域信號(hào)中，橫坐標(biāo)是頻率或圓頻率。頻率分析儀是一種將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號(hào)的儀器。

頻率分析儀可以將振動(dòng)信號(hào)的波形分解為各個(gè)頻率的分量，獲得信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)和組成信號(hào)的各個(gè)諧波的幅值、相位，從而確定信號(hào)特征。

振動(dòng)脈沖測(cè)量法：主要用于滾動(dòng)軸承的測(cè)量，以振動(dòng)峰值作為判斷依據(jù)。

四、噪聲測(cè)量

噪聲：不規(guī)則的機(jī)械振動(dòng)在空氣中引起的振動(dòng)波。

聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí)，是噪聲強(qiáng)弱的客觀量度，頻率或頻譜表示噪聲的成分，也可以用主觀的感覺，例如響度進(jìn)行測(cè)量。

1、噪聲的物理量度

聲壓：聲波傳播時(shí)，空氣質(zhì)點(diǎn)隨之振動(dòng)所產(chǎn)生的壓力波動(dòng)出現(xiàn)的壓強(qiáng)增量（Pa）。

聲壓級(jí)（dB）：聲壓與基準(zhǔn)聲壓之比的以10為底的對(duì)數(shù)的20倍。

聲強(qiáng)：單位時(shí)間內(nèi)，單位面積上的聲波能量--聲強(qiáng)（W/㎡）。

聲強(qiáng)級(jí)：聲強(qiáng)與基準(zhǔn)聲強(qiáng)之比的以10為底的對(duì)數(shù)的10倍--聲強(qiáng)級(jí)（dB）。

聲功率：聲源在單位時(shí)間內(nèi)輻射出來的總聲能--聲功率（W）。

聲功率級(jí)：聲功率與基準(zhǔn)聲功率之比的以10為底的對(duì)數(shù)的10倍--聲功率級(jí)（dB）。

2、噪聲的主觀量度

（1）等響曲線

人耳對(duì)噪聲的感覺不僅和聲壓級(jí)有關(guān)，還和燥聲的頻率有關(guān)。

響度曲線：典型聽者感覺響度相同的純音，其聲壓級(jí)和頻率之間的關(guān)系曲線。將各個(gè)頻率下相同響度的聽閾聲壓相連而得到的曲線，即為聽閾曲線，其響度規(guī)定為0 ，所以聽閾曲線也稱為零方響度線。

同理，不同頻率時(shí)，痛閾的聲壓級(jí)和頻率關(guān)系曲線稱為痛閾曲線，也稱為120方響度線。在聽閾和痛閾之間，共有13個(gè)響度級(jí)，其響度分別為0、10、20、30···110、120。同一條曲線上的各點(diǎn)，頻率和聲壓級(jí)不同，但響度相同。

（2）計(jì)權(quán)聲級(jí)

聲級(jí)計(jì)利用不同線路對(duì)不同頻率聲音實(shí)行不同程度的衰減，從而能夠近似地表達(dá)人們對(duì)聲音的感受和反映。聲級(jí)計(jì)中常常采用A、B、C三個(gè)計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。其中，C計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)讓所有頻率的可聽聲音程度相同地通過，所以它代表總聲級(jí)；B計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)使低頻段的聲音在通過時(shí)有一定程度的衰減；A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)使聲音的低頻段有更大的衰減。噪聲測(cè)量中，若：LC = LB = LA 時(shí)，表明噪聲的聲能主要集中在高頻段；若LC = LB>LA時(shí)，表明噪聲的聲能主要集中在中頻段；若LC > LB> LA時(shí)，表明噪聲的聲能主要集中在低頻段。

3、噪聲測(cè)量儀器

（1）傳聲器

它的作用是將聲能轉(zhuǎn)換成電能。通常用膜片感受聲壓，把聲壓的變化轉(zhuǎn)換成膜片的振動(dòng)。傳聲器分為三類：壓強(qiáng)式，膜片感受的是聲壓；壓差式，膜片振動(dòng)取決于膜片兩側(cè)的壓差；壓強(qiáng)和壓差組合式。

電容傳聲器：靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍寬，輸出特性穩(wěn)定，對(duì)周圍環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，外形尺寸小。

壓電傳聲器：結(jié)構(gòu)簡單成本低，輸出阻抗低，電容量大，靈敏度較高。性能受溫度、濕度影響較大。

（2）聲級(jí)計(jì)

聲級(jí)計(jì)可以用來測(cè)量聲級(jí)，進(jìn)行頻譜分析，記錄噪聲的時(shí)間特性和測(cè)量振動(dòng)。被測(cè)量的聲壓信號(hào)通過傳聲器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過衰減器和放大器以及計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)等，Z后由分貝表顯示。

4、故障的噪聲識(shí)別方法

可以根據(jù)噪聲信號(hào)的特征量制定一個(gè)限值作為有無故障的標(biāo)準(zhǔn)。要識(shí)別故障的性質(zhì)、發(fā)生的部位以及嚴(yán)重程度，還需要提取噪聲信號(hào)作頻譜分析。對(duì)噪聲的判斷標(biāo)準(zhǔn)有標(biāo)準(zhǔn)、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和類比標(biāo)準(zhǔn)。三種方法分別對(duì)應(yīng)于將測(cè)量所得到的噪聲信號(hào)的特征量值和標(biāo)準(zhǔn)特征量值、正常運(yùn)行的特征量值或同類設(shè)備相同工況時(shí)的特征量值進(jìn)行比較。

五、溫度測(cè)量法

測(cè)溫儀表

接觸式測(cè)溫裝置：測(cè)溫元件與被測(cè)對(duì)象直接接觸，通過熱交換進(jìn)行測(cè)溫。

熱膨脹式（水銀、雙金屬、液體、氣體等）。

壓力式。

熱電阻式（鉑、鎳、銅、半導(dǎo)體等）：材料的電阻隨溫度的變化而變化，利用這個(gè)特性，可以將溫度轉(zhuǎn)換成為電量。

熱電偶式（鎳鉻-考銅、鎳鉻-鎳硅、鉑銠-鉑等）：基于熱電效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，即兩種不同材料的導(dǎo)體組成回路時(shí)，若兩端溫度不同，則產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小與材料以及兩端溫差有關(guān)。當(dāng)材料確定時(shí)，熱電動(dòng)勢(shì)只是被測(cè)溫度的函數(shù)，而與直徑、長度無關(guān)。

非接觸式測(cè)溫裝置：輻射高溫計(jì)、光學(xué)高溫計(jì)、比色高溫計(jì)和紅外測(cè)溫儀器。

紅外測(cè)溫儀器由紅外探測(cè)器、紅外光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)以及顯示系統(tǒng)等組成。

常用的紅外測(cè)溫儀器有：紅外測(cè)溫儀和紅外熱像儀（可測(cè)溫度在物體表面或空間的分布情況）。

紅外測(cè)溫儀器的核心是紅外探測(cè)器，它能將入射的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑蚱渌芰?。按照輻射響?yīng)方式的不同，分為光電探測(cè)器和熱敏探測(cè)器兩類。

紅外光學(xué)系統(tǒng)有反射式、折射式和折-反射式。

常用的紅外測(cè)溫儀器有：紅外測(cè)溫儀和紅外熱像儀。后者可以測(cè)量溫度在物體表面或空間的分布情況。被測(cè)對(duì)象的紅外輻射經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)匯聚、濾波、聚焦到紅外探測(cè)器上，再由光學(xué)--機(jī)械掃描系統(tǒng)將對(duì)象觀測(cè)面上各點(diǎn)的紅外輻射通量按時(shí)間順序排列，經(jīng)過紅外探測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖，通過視頻信號(hào)處理送到顯示器顯示出熱像。通過測(cè)溫測(cè)量所能發(fā)現(xiàn)的常見故障有軸承損壞、流體系統(tǒng)故障、發(fā)熱異常、污染物質(zhì)積聚、保溫材料損壞、電器元件故障、非金屬部件的故障、機(jī)件內(nèi)部缺陷、裂紋探測(cè)等。

六、裂紋的無損探傷法

裂紋是機(jī)器零部件Z嚴(yán)重的缺陷。裂紋可能在原材料生產(chǎn)、零部件加工以及設(shè)備使用等各個(gè)階段產(chǎn)生。可以采用的方法有目視-光學(xué)檢測(cè)法、滲透探測(cè)法、磁粉探測(cè)法、射線探測(cè)法、超聲波探測(cè)法、渦流探測(cè)法和聲發(fā)射探測(cè)法。

其中，聲發(fā)射探測(cè)法為動(dòng)態(tài)檢測(cè)、在加載或運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行；裂紋主動(dòng)參與，提供裂紋活動(dòng)的信息；靈敏度高、覆蓋面大、不會(huì)漏檢；但是，不能反應(yīng)靜態(tài)缺陷情況。而渦流探測(cè)法：適用于導(dǎo)電材料表面或近表面探傷；靈敏度高，可自動(dòng)顯示報(bào)警；非接觸式，可用于高溫測(cè)量對(duì)象典型零件故障診斷；可用于顯示、記錄和報(bào)警，并可估算缺陷的位置和大小。不足之處是深層缺陷難以探測(cè)、影響因素多、存在邊界效應(yīng)。

（來源：北極星風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)）