損傷轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性及故障特征提取的研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機(jī)械在電力、能源、交通、國(guó)防和化工等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用并發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)力學(xué)特性的研究也逐漸得到了人們的重視。復(fù)雜旋轉(zhuǎn)機(jī)械，時(shí)常由于各種線性或非線性因素激發(fā)起各種故障，進(jìn)而會(huì)使機(jī)器發(fā)生嚴(yán)重事故，甚至是機(jī)毀人亡的重大事故。因此，研究轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障機(jī)理和診斷技術(shù)有著十分重要的意義，目前國(guó)內(nèi)外科技工作者在這些方面進(jìn)行了大量的研究，并取得了豐碩成果。
　　 本課題以沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集

2、團(tuán)有限公司與東北大學(xué)聯(lián)合進(jìn)行的“大型壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”項(xiàng)目為背景，以試驗(yàn)臺(tái)軸系為研究對(duì)象。首先利用聞邦椿教授提出的面向產(chǎn)品廣義質(zhì)量的1+3綜合設(shè)計(jì)法對(duì)軸系進(jìn)行了設(shè)計(jì)和校核，確定了系統(tǒng)的一些動(dòng)力參數(shù)；然后利用非線性有限元方法研究了考慮碰摩故障、裂紋故障以及裂紋-碰摩耦合故障的多盤(pán)懸臂轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，并利用小型轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)對(duì)轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的若干故障進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)所測(cè)的帶有各種故障的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了詳細(xì)的時(shí)頻故障特征提取

3、；最后對(duì)碰摩轉(zhuǎn)子響應(yīng)時(shí)間序列的混沌特性進(jìn)行了研究。本文具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　 (1)利用聞邦椿教授提出的面向產(chǎn)品廣義質(zhì)量的1+3綜合設(shè)計(jì)法對(duì)試驗(yàn)臺(tái)軸系進(jìn)行了設(shè)計(jì)，首先把試驗(yàn)臺(tái)軸系作為一個(gè)產(chǎn)品，進(jìn)行產(chǎn)品功能優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成初步的軸系設(shè)計(jì)圖紙，接著對(duì)設(shè)計(jì)的軸系進(jìn)行了動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)并對(duì)碰摩系統(tǒng)進(jìn)行了智能優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后，對(duì)軸系進(jìn)行了可視優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 (2)介紹了求解非線性問(wèn)題的非線性有限元方法，利用非線性有限元方法研究了單點(diǎn)碰

4、摩、局部弧形碰摩和整周碰摩情況下轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)特性，并考察了碰摩間隙、碰摩剛度、碰摩位置和偏心量等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)單點(diǎn)碰摩主要是沖擊碰撞，頻率成分以高倍頻成分為主，局部弧形碰摩則碰撞和摩擦都很嚴(yán)重，頻率成分低頻和高頻并存，隨著碰摩的弧形區(qū)域的加大，出現(xiàn)了更低的頻率成分，整周碰摩則以摩擦為主，幅值譜圖出現(xiàn)連續(xù)譜。
　　 (3)利用非線性有限元方法對(duì)轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)的裂紋故障進(jìn)行了研究，并考察了裂紋深度和裂紋位置對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力

5、學(xué)特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)淺裂紋對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)影響不大，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到半徑深度以后，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性有很大影響，裂紋位置在遠(yuǎn)離葉輪時(shí)，主要以2X為主，裂紋位置逐漸靠近葉輪時(shí)，主要以5X為主；但裂紋激起的主要是規(guī)則的高倍頻成分。
　　 (4)利用非線性有限元方法對(duì)裂紋-碰摩耦合故障進(jìn)行了研究，研究表明當(dāng)裂紋加深時(shí)，引發(fā)的碰摩更加嚴(yán)重，從軸心軌跡可以清楚看到碰摩引起的反進(jìn)動(dòng)。對(duì)于弧形碰摩和整周碰摩，幅值譜圖上均有連續(xù)譜出現(xiàn)，其中5X比較明

6、顯。
　　 (5)利用小型轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生的轉(zhuǎn)定子碰摩、轉(zhuǎn)軸裂紋、裂紋-碰摩和油膜失穩(wěn)-軸承碰摩耦合故障進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)，利用三維譜振圖、重排小波尺度圖、幅值譜圖、軸心軌跡進(jìn)行了故障特征提取。對(duì)單點(diǎn)碰摩研究表明，頻率成分主要以高倍頻成分為主，出現(xiàn)的頻率成分越高，表明碰摩越嚴(yán)重；局部弧形碰摩研究表明，在臨界轉(zhuǎn)速前發(fā)生的碰摩主要以低頻成分為主，產(chǎn)生的頻率系列越低，表明碰摩越嚴(yán)重，在臨界轉(zhuǎn)速附近發(fā)生的碰摩

7、低頻和高頻成分并存，且當(dāng)碰摩較輕時(shí)以高倍頻為主，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)不可公約的低頻成分和有色噪聲成分。
　　 (6)對(duì)裂紋-碰摩耦合故障的研究表明，碰摩較輕時(shí)以規(guī)則的X/2諧波系列為主，當(dāng)碰摩加重時(shí)產(chǎn)生X/4諧波系列，再加重時(shí)幅值譜圖產(chǎn)生連續(xù)譜。通過(guò)小波分解后，再利用重排小波尺度進(jìn)行故障特征提取，可以有效的提取碰摩引起的沖擊成分，研究結(jié)果表明發(fā)生輕微碰摩時(shí)，一周碰一次且碰摩程度一次輕一次重交替出現(xiàn)。
　　 (7)對(duì)發(fā)生油膜失穩(wěn)-軸

8、承碰摩故障進(jìn)行了研究，結(jié)果表明油膜失穩(wěn)前引發(fā)的碰摩主要以高倍頻成分為主；油膜失穩(wěn)后引發(fā)的輕微碰摩出現(xiàn)組合頻率成分，但成分較少；油膜失穩(wěn)后引發(fā)的嚴(yán)重碰摩時(shí)出現(xiàn)較多的組合頻率；其中出現(xiàn)較低的組合頻率時(shí)，暗示系統(tǒng)發(fā)生油膜振蕩，此時(shí)的碰摩也是最嚴(yán)重的。
　　 (8)對(duì)碰摩轉(zhuǎn)子響應(yīng)時(shí)間序列的混沌特性進(jìn)行了研究。首先利用代替數(shù)據(jù)法對(duì)實(shí)驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性識(shí)別，接著計(jì)算其最大Lyapunov指數(shù)、關(guān)聯(lián)維數(shù)、復(fù)雜度、近似熵和混沌度等非線性參數(shù)

9、。結(jié)果表明，對(duì)碰摩仿真數(shù)據(jù)而言，碰摩嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)所具有的非線性參數(shù)，均較輕微碰摩時(shí)大。利用關(guān)聯(lián)維數(shù)、復(fù)雜度和近似熵對(duì)碰摩實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明關(guān)聯(lián)維數(shù)對(duì)碰摩程度敏感度最高，近似熵次之，復(fù)雜度再次之，最大Lyapunov指數(shù)最差。
　　 (9)通過(guò)對(duì)裂紋-碰摩實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在3個(gè)不同碰摩階段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用混沌指數(shù)進(jìn)行分析表明，在14s～15s和17s～18s的碰摩具有相近的混沌指數(shù)，同屬于輕微碰摩階段；而在18s～19s的碰摩混沌指數(shù)