基于时频分析的裂纹转子碰摩故障特征研究

为研究转子系统耦合故障特性,采用有限元方法建立了含有横向裂纹、转静碰摩的非线性转子动力学模型。首先研究了不同转速下裂纹、碰摩单一故障下转子系统的振动响应,其次研究了两种故障耦合情况下系统的振动响应特征。采用波形图、FFT谱图、瞬时频率和Hilbert-Huang时频谱(HHS)相结合的方法对故障转子振动信号进行了分析。分析结果表明:运用多种时频分析相结合的方法可以较为全面地了解转子的故障特征,裂纹转子在1/5、1/3临界转速时会发生较为明显的5X、3X谐波,且裂纹的产生会导致响应幅值增大,从而引起更为严重的碰摩。      

裂纹转子系统扭转振动时频特性研究

基于简单铰链裂纹模型和局部柔度理论，建立了横向裂纹转子系统扭转振动的动力学模型，得到了裂纹转子扭转振动的数值仿真解，并有了呼吸裂纹转子系统存在着亚谐波共振特性，将小波技术引入到裂纹转子扭转振动时频特性的数值仿真研究中，结果发现裂纹转子的小波时频二维谱存在着6组大系数，小波三维谱表现为6个峰，相应的小波时频等高线表现为6组同心圆，从而表明可以利用裂纹转子扭转振动独特的时频特性作为监测转子系统横向裂纹的依据。     

分数阶阻尼裂纹转子的非线性动力学特性分析

为了有效地提高转子系统特性的分析精度,使其能够准确地进行故障诊断,以Jeffcott转子模型为基础,建立了带有分数阶阻尼和横向呼吸裂纹故障的转子系统的动力学模型.采用4阶龙格库塔法和10阶连分式欧拉法对转子系统的动力学方程进行数值仿真计算,利用轴心轨迹图、Poin-care截面映射图和分岔图等,研究了阻尼的分数阶次、转速和裂纹深度对裂纹转子动态特性的影响,并通过实验对理论分析结果进行了验证.分析结果表明:在半临界转速附近,由于裂纹的存在,转子的轴心轨迹呈现明显的双环型(或称内8字形),因此响应中的2倍频分量占主导地位.随着分数次阻尼阶次的增加,转子系统依次经历混沌、准周期和周期运动,同时裂纹深度、不平衡量以及转速对转子系统的动态特性具有明显影响.     

具有刚性支撑裂纹转子的数值分析

本文利用Matlab数值分析软件,建立了具有水平刚性支撑的含横向裂纹的转子系统的高阶微分方程并对其进行了求解。分别研究了裂纹深度和转速比等不同因素对裂纹转子系统振动特性的影响以及裂纹转子的非线性特性。通过对不同影响因素下裂纹转子系统振动特性的分析,了解故障规律,对今后现场裂纹故障的识别提供了理论依据。     

含裂纹-碰摩气浮转子系统非线性动力学研究

考虑裂纹碰摩耦合故障下的转子系统,以转子动力学和非线性动力学为理论基础,建立了含有裂纹-碰摩耦合故障气浮轴承转子系统动力学模型,运用打靶法思想和四阶龙格库塔法对含有气膜力、裂纹及局部碰摩耦合转子系统进行数值模拟,发现此故障下的转子系统存在周期、拟周期以及混沌运动现象,为转子系统安全工作提供理论依据.     

转子系统局部碰摩故障传递机制特性研究

旋转机械的高速化和高效化使系统转定子间的间隙越来越小,转子振动经常引发局部碰摩故障,进而使整个转子系统响应呈现非线性,影响系统的稳定运行,及时掌握碰摩转子系统的动力学特性为处理故障建立基础.以谐波平衡和有限元理论为基础,建立碰摩转子系统的有限元模型并利用系统振动响应各次谐波分量与频率响应矩阵之间的关系,提出转子系统局部碰摩故障传递机制,即系统某处发生故障后对其他位置产生的影响.通过数值仿真和实验验证了此机制的正确性.具有n个故障的转子系统,仅需要任意n+2个节点的响应就可以得到剩余所有节点的响应.对于不平衡、碰摩、不对中和裂纹等转子系统的常见故障,传递机制具有良好的适用性.     

具有横向裂纹转轴弯曲刚度计算的边界元法

转轴上产生横向裂纹后,局部刚度削弱,柔度增加.旋转时,裂纹截面所受合力与开口方向之间的夹角不断变化,引起裂纹的开闭效应,裂纹附近局部柔度也随之发生变化.本文采用边界元法计算不同裂纹开口方向的柔度,并得到转轴弯曲刚度增量△k 随裂纹开口方向变化的曲线及其前五次简谐分量的系数.它是裂纹转子轴承系统动力特性理论研究的基础。     

基于EMD的旋转机械裂纹松动耦合故障诊断方法研究

针对旋转机械耦合故障的诊断问题,建立了含有裂纹-松动耦合故障的转子-轴承系统动力学模型,并用龙格库塔法求出故障模型振动信号。利用EMD(Empirical Mode Decomposition)方法对振动信号进行分解,得到含有故障特征的本征模式函数(IntrinsicMode Function,简称IMF)。对IMF做希尔伯特变换得到振动信号边界谱,通过分析边界谱的倍频情况并与单一故障信号作比较,诊断出故障信号同时含有裂纹和松动故障特征,说明该故障系统存在裂纹松动耦合故障,并证明EMD方法在旋转机械耦合故障诊断方面的有效性。     

双馈异步风力发电机转子匝间短路故障振动特性分析

针对双馈异步风力发电机转子匝间短路的故障振动机理尚不明确且无法为故障诊断提供理论依据的问题,开展了双馈异步风力发电机转子匝间短路故障振动特性分析.首先,结合有限元仿真及解析推导,分析转子匝间短路下双馈异步风力发电机的气隙磁密规律,得到转子所受的不平衡磁拉力;然后,考虑转子不平衡磁拉力的情况下构建双馈异步风力发电机转子-轴承系统非线性动力学模型,利用非线性动力学仿真获取转子匝间短路故障下系统的振动仿真信号;最后,在双馈异步风力发电机故障模拟实验台上进行转子匝间短路故障实验,利用实验分析验证非线性动力学仿真结果的有效性.非线性动力学仿真及实验分析结果均表明,转子匝间短路故障下双馈异步风力发电机转子-轴承系统振动信号的频谱存在转频的谐波成分,通过检测转频的谐波分量可诊断双馈异步风力发电机转子匝间短路故障,有效揭示了双馈异步风力发电机转子匝间短路的故障振动机理.     

含横向裂纹弹性盘轴系统的振动特性研究

建立了一般情况下含横向裂纹弹性盘轴系统的动力学模型 .利用 Lagrange方程得到了系统的动力学方程 ,采用假设模态法对变量进行离散 ,求出了系统振动频率与轴的转速、裂纹深度及裂纹位置的关系 ,并与有关文献进行了比较     

浅裂纹转子特性的动态圣维南原理解释

针对转子系统中常见的浅裂纹转子,利用动态圣维南原理对其无法通过信号处理方式进行故障诊断的特性进行了原理解释.根据动态圣维南原理的2个条件:外载荷动态合力为0以及外载荷产生的应力波对系统的远端作用为0,分别对裂纹转子呼吸函数以及转子应力波柱坐标弹性动力学解进行了分析与证明,并给出了浅裂纹转子在各种条件下其动态行为符合动态圣维南原理的准则.研究结果表明,实际工况下的浅裂纹转子大多满足动态圣维南原理的条件,难以通过信号处理的方式提取其裂纹故障特征,需要采用其他手段对浅裂纹进行定期检测或在线监测.     

EMD与ICA相结合的复杂转子系统早期故障诊断

为了提取复杂转子系统微弱故障信息,对其早期故障进行预知诊断,针对某型涡桨发动机的减速器传动机构接连发生的齿轮毂裂纹故障问题,通过布置多组加速度传感器对多组正常齿轮毂和预制早期裂纹故障的齿轮毂进行正常试车下的振动信号采集。采用EMD(empirical mode decomposition)方法把测试信号分解成多个IMF分量,选取合适IMF分量利用基于非高斯性极大的ICA(independent component analysis)固定点算法进行混合再分离,得到了信息较为独立的特征分量。通过对特征分量进行解调分析得到能清晰反应故障状态的调制信号信息。结果表明基于EMD与ICA相结合的特征信号分离提取技术加包络解调法能有效地识别复杂转子系统早期故障信息。     

基于M-WDLS和PCA的转子故障诊断方法

针对不同故障特征属性交互重叠导致的故障类别辨识困难问题,提出一种基于Manhattan距离作为特征之间相似度信息测度的权值判别拉普拉斯分值特征选择方法.该方法采用Manhattan距离衡量高维特征矢量之间的相似度,并将数据样本标记信息融入权值计算中以增强权值的判别性,提升了LS算法的敏感特征筛选性能.将M-WDLS和主成分分析相结合,提出基于M-WDLS和PCA的转子故障诊断方法.首先提取原始振动信号的时域、频域、时频域特征构造混合域特征集;然后利用M-WDLS选择敏感特征组成敏感特征矩阵;最后对敏感特征矩阵进行PCA降维处理,并将结果输入到K-近邻分类器中进行模式识别.对比实验的结果表明,该方法能有效提取转子系统振动信号的状态特征,有助于提高故障辨识的准确率.     

裂纹转子弯扭耦合振动的理论研究

以水平放置Jeffcott裂纹转子为研究对象，建立了弯扭耦合振动的非线性运动微分方程，并用数值方法分析了该转子系统的动力响应。结果表明，弯扭耦合振动是通过不平衡量来实现的，不平衡偏心较大时，扭转对弯曲振动的影响主要体现在高转速部分，且随裂纹深度的增加，受影响的转速下限降低，当裂纹较深，转速较高时，扭转对弯曲振动有明显的影响，使频谱图和轴心轨迹都发生较大的变化，且对转速的变化极为敏感，因此在故障诊断时必须对扭转的耦合作用高度重视。     

斜裂纹转子刚度特性分析

在材料力学和断裂力学的基础上,运用应变能释放率的方法,得出斜裂纹的刚度矩阵.讨论在裂纹全开的状态时,裂纹倾角、轴细长比和裂纹深度对转轴刚度的影响,并对裂纹处于旋转时的开闭情况及相应轴的刚度变化规律进行研究.结果表明:当裂纹处于全开状态时,随着裂纹倾角的增大,裂纹的刚度随之减小,轴刚度的变化随着裂纹深度的增大更加显著;当裂纹处于开闭状态时,随着裂纹深度的增加,轴的刚度不再一直减小,而是有一定规律的波动,即时变特性,此时,轴的耦合振动随之增强,转子的动力特性变得愈加复杂.     

裂纹转子的振动特性与裂纹参数识别

基于Euler-Bernoulli理论和局部柔度理论，给出了停机状态单一开裂纹转子的连续模型．数值仿真研究了裂纹深度和裂纹位置对转子固有频率以及振型的影响，并提出了利用固有频率和振型识别裂纹参数的方法，仿真算例验证了该方法的有效性和可行性．     

Volterra核函数在齿轮裂纹故障识别上的应用

针对非线性条件下齿轮裂纹故障信号微弱以及受输入量变化的影响,进而给故障精准度带来的严峻考验,提出利用二阶Volterra核函数从系统整体角度分析裂纹故障与非线性因素变化之间的内在联系。利用时间序列辨识齿轮裂纹故障二阶Volterra核函数,分析谱图中反映齿轮运行状态的非线性信息。结果表明:二阶Volterra核函数考虑了输入因素对系统诊断精度的影响,对齿轮箱因工况改变而引起的非线性因素的变化反映十分敏感,从而解决了传统齿轮边频带故障诊断理论的模糊性和不确定性问题,可以将其应用于齿轮裂纹故障诊断。     

基于Timoshenko梁模型的旋转弹箭横向振动模态分析

将旋转弹箭简化为Timoshenko旋转梁,基于有限单元法研究了其在自由飞行时的横向振动模态.采用Timoshenko梁模型,考虑陀螺效应和剪切效应,运用转子动力学和有限单元法的思想,建立旋转弹箭横向振动的有限元方程和频率方程.利用该频率方程,分别采用Rayleigh梁和Timoshenko梁模型对某旋转弹箭进行模态分析,对不同梁模型下的横向振动进动频率进行对比,并讨论弹箭转速和长径比对模态频率的影响.     

经验模式分解在汽轮机局部碰摩故障信号分析中的应用

采用经验模式分解（Empirical Mode Decomposition,简称EMD）方法对汽轮机转子局部碰摩振动信号进行分解,实现碰摩、噪声和背景信号的分离,从而提取局部碰摩振动信号的故障特征．分析结果表明,对具有局部碰摩故障的汽轮机振动信号进行EMD分解得到的内蕴模态函数（IMF）具有明显的碰摩特性．EMD方法可以有效地应用于汽轮机转子局部碰摩故障诊断中．