混沌神经网络在转子碰摩故障诊断中的应用

大量研究表明，转子碰摩故障现象具有丰富的非线性特征。提出了一种新的基于模拟退火策略的混沌神经网络模型，并结合变尺度混沌优化方法，将其应用于转子碰摩故障的诊断。仿真试验表明：该模型具有较高的预测精度，可有效地识别这些相似故障模式，对于旋转机械重大事故的预防具有积极作用。     

转子碰摩波内调制特征提取及其故障诊断应用

为深入分析不同转静碰摩故障引起振动响应信号波内调制特征的变化规律,以Jeffcott转子模型为基础,采用基于变分模态分解的Hilbert变换方法对不同碰摩故障仿真信号进行波内调制特征的提取与分析,揭示了碰摩转子的动力学特性与其故障信号波内调制特性间的关联机理。仿真结果表明,周期-k碰摩故障将导致振动响应信号中低频段波内调频模态的瞬时频率以1/k倍频为中心振荡,且振荡频率依然为1/k倍频,进而造成了频谱中的1/k边频带;在概周期碰摩故障中,波内调制频率为靠近1/k倍频的无理数倍频和整数倍频,且造成振动信号频谱中的无理数边频带。离心泵转子故障诊断试验表明,波内调制特征能够有效地对转子碰摩故障进行有效的诊断。     

转子局部碰摩故障的诊断方法

本文通过对转子局部碰摩故障的规律分析，介绍了碰摩故障的模糊诊断、灰色关联诊断及神经网络模型诊断的方法，并提出了一种新的转子碰摩故障模拟试验系统，诊断验证了试验结果。     

转子轴向碰摩非线性流固耦合动力学特性全自由度分析

基于Jeffcott转子模型,用六自由度方法研究了考虑涡轮非线性流固耦合力的转子轴向碰摩动力学特性。通过响应分叉图、波形图、频谱图、轴心轨迹和Poincare图分析了在涡轮非线性流固耦合力作用下转子轴向碰摩的动力学表现。分析表明,非线性涡轮叶尖间隙流体激励力对转子轴向碰摩的非线性特性影响不很明显,只是在低转速时轴向振动碰摩响应中会出现更高阶的偶数倍频的超谐波成分。在高转速情况下,碰摩响应的波形和频谱不能明显反映具有弱非线性的涡轮叶尖间隙流体激励力对轴向碰摩非线性动力学特性的影响,而轴心轨迹和Poincare图则能反映这种影响,反映出碰摩响应中出现的轻微混沌。     

转子系统碰摩故障的仿真及模拟实验研究

对模拟转子试验台进行改进设计，并对振动故障进行模拟实验研究。通过对振动试验室现有转子实验台结构的研究，设计出了转子实验台的碰摩试验装置。经过对转子碰摩故障的分析，建立了转子碰摩故障下的数学模型，并在Windows98操作平台下利用Visual Basic6．0开发出了转子碰摩故障仿真计算软件，对仿真结果进行了分析，得出了转子碰摩故障下的运动规律。     

转子碰摩故障振动特征的数值分析与辨识方法

为一类集中参数非线性转子碰摩行为进行了数值仿真，获得了各种响应解形态，同时获得了两类混沌路径，即拟周期进入混沌路长和混沌运动突发到周期运动路径，以数值分析结果为基础开展试验研究，观测到的响应形态与仿真结果定性一致，最后，对碰摩故障的振动特征进行了总结并提出了相应的辨识方法，这些结果对工程实际具有一定的参考价值。     

EEMD方法在转子碰摩故障诊断中的研究

转子系统发生局部碰摩故障时,故障特征呈现出复杂的高倍频或分数倍频成分。为了实现多频率碰摩故障特征的有效提取,将集合经验模态分解方法(ensemble empirical mode decomposition,EEMD)应用到转子局部碰摩故障诊断中。首先利用仿真碰摩信号,验证了EEMD时频分析方法在碰摩故障诊断的有效性,其次通过对转子系统水平方向碰摩、竖直方向碰摩、水平-竖直同时碰摩和正常4种不同振动状态的EEMD分解,计算基本模态分量(IMF)的振动强度,得出不同状态的振动强度趋势分布图。实验结果表明,EEMD方法能够从强噪声背景信号中提取出微弱碰摩特征,实现转子系统的碰摩故障诊断。     

水轮发电机组转子不对中-碰摩耦合故障动力学分析

以水轮发电机组转子系统为研究对象,针对刚性联轴器综合不对中引起转子局部碰摩的问题,建立了机组转子不对中–碰摩耦合故障的动力学模型和微分方程,并利用数值积分方法研究该系统随不对中平行量和偏角参数变化的动力学行为。通过分岔图、Poincaré截面图、轴心轨迹图、时域波形图和幅值谱图系统地分析了发电机转子与水轮机转子在耦合故障下非线性动力学响应,发现机组转子系统随不对中平行量和偏角变化存在周期运动和复杂的拟周期,其碰摩过程非常复杂,机组故障特征频率除主要在1倍频外,还在0.3~0.4倍频处存在幅值较大的谐波分量。研究结果为水轮发电机组安全运行和准确识别转子不对中、碰摩故障提供有益的理论依据。     

非线性弹性转子-轴承系统的混沌响应研究

建立了短轴承模型的非线性转子-轴承系统数学模型,将非线性碰摩力加入模型。数值计算得到了系统在某些参数域中的分叉图、轴心轨迹、相图、Poincaré映射、频谱图以及时域波形,对系统发生混沌运动时的动态特征进行了直观描述,当系统发生混沌运动时的时间序列进行了分形维数计算,计算分析结果为该类系统的设计和状态分析提供理论参考依据。     

形态分量分析结合再分配尺度谱的碰摩特征提取

针对转子系统碰摩故障问题,从信号的形态结构角度出发,分析了碰摩信号组成成分的形态差异性,将用于图像处理的形态分量分析方法引入到碰摩信号组分分离中,并与小波再分配尺度谱相结合,提出了形态分量分析结合再分配尺度谱的转子碰摩故障特征提取方法。利用形态分量分析方法对原信号进行预处理,将原信号分解成光滑分量和细节分量两个部分。对细节分量做进一步再分配尺度谱分析,从而提取出与故障相关的时频特征信息。通过仿真信号及实测信号进行验证,分析结果表明该方法可有效应用于转子碰摩故障诊断,具有一定的可行性。     

永磁同步电机混沌运动控制研究

针对永磁同步电机(PMSM)混沌运动状态快速有效的摆脱问题,提出了一种控制算法:首先通过线性空间变换,将转子磁场定向坐标系下的PMSM模型,转换成一种简单的无量纲模型;其次分析了平衡点附近局部线性化后的Jacobian矩阵特征值,与PMSM的混沌行为的关系;最后基于Lypunov稳定性理论,设计混沌滑模控制器,实现了对PMSM混沌运动的抑制。数字仿真结果验证了理论分析的正确性和控制方法的有效性。     

Jeffcott转子在油膜力和气流力作用下的非线性研究

以Jeffcott转子系统模型为研究对象,结合非稳态油膜力模型,利用气流力模型对转子运动的非线性动力学特性进行研究.采用数值模拟技术,研究了转子系统的分岔和混沌特性.结果表明,随着转速变化,转子的运动呈现出分岔扣混沌现象,同时转子受油膜力影响较大,在一定转速下出现较大的半频分量,气流力对转子的影响较小.     

西门子1 000 MW汽轮机组轴系碰磨故障特性研究

某西门子1 000 MW机组停机过程中,高压转子出现振动及其偏心值异常增大故障,存在高压转子发生永久弯曲的重大风险,严重威胁了机组的安全性。基于有限元法建立了轴系的动力学模型,分析了高压转子发生动静碰磨的动态响应,获得了高压转子发生碰磨的故障特征。采用数值仿真模拟了该型机组停机过程中高压转子的异常振动。研究结果表明,该机组停机过程中,高压转子振动及其偏心值异常增大的原因是端部汽封碰磨。通过开展高压缸径向间隙碰缸试验,调整高压转子与汽缸之间的径向间隙,解决了该问题,消除了高压转子可能发生永久弯曲的重大风险。     

永磁同步电动机混沌运动的完全精确线性化控

永磁同步电动机在一定条件下或参数处于某特定区域会发生混沌现象,这影响了电动机运行的性能。根据微分几何理论,利用完全精确线性化的方法,设计出控制混沌的控制律。该方法以转子角速度为控制变量,通过电动机的非线性反馈进行解耦,转子角速度可以根据跟踪设定其稳定点。这个控制律可以使系统稳定在某一平衡点,而且这个平衡点不是唯一的,这样可以根据情况设定平衡点,满足了实际需要。实验仿真表明,利用完全精确线性化的可以使系统消除混沌,达到了新的平衡,这证实了控制律的有效性。     

微弱信号检测的3种非线性方法

阐述了随机共振法、混沌振子法及差分振子法3种方法的基本监测思想,确定了数学模型。随机共振系统(SR)是一个非线性双稳态系统,存在着在某一最佳输入噪声强度下,使系统产生最高信噪比输出,达到抑制噪声、放大微弱信号的目的。SR系统数学模型可由非线性Langevin方程定义,并进行了分析及仿真。混沌系统具有对初值敏感性及对噪声免疫的特点,数学模型选用Holmes型Duffing方程为监测器,进行了分析及仿真。差分振子法是基于差分方程构造监测器,以二维离散性系统作为数学模型,进行了分析及仿真。将3种方法应用于同步发电机转子匝间短路故障监测和异步电动机转子断条故障监测的实例中是成功的,证明了3种方法的有效性和准确性。     

永磁直流电机的混沌反控制

以永磁直流电机为例,在开环控制电压的基础上,分别叠加电机转速和电枢电流的延迟反馈电压构成电机输入电压,成功地使电机转速出现混沌运动,并且使得电机转速以及在这个转速附近产生的混沌振荡的幅值范围可控。对实施混沌反控制的电机系统,进行理论分析和推导,给出了开环控制和延迟反馈电压设计的解析表达式。进行了系统仿真,并进一步验证理论推导的结果。画出周期和混沌电机转速的波形和相空间重构相轨迹。而且还计算了李雅普诺夫指数,验证电机存在混沌运动。     

某1000MW机组动静碰摩故障诊断与特征分析

对某1 000MW超超临界机组在调试期间首次启动过程中出现的振动爬升问题进行分析,根据现场采集的Bode图、测点趋势图和间隙电压等,对振动幅值和相位的变化过程进行跟踪,诊断出转子在临界转速下发生了动静碰摩故障,并通过对动静碰摩故障机理的分析进一步验证了判断的正确性,提出扩大动静部件间隙是现场处理动静碰摩故障的关键。     

基于混沌分形理论的故障电弧诊断方法研究

引入混沌分形理论,从混沌空间域角度分析故障电弧的内在演化规律和电弧特性,提出一种基于混沌分形理论的故障电弧诊断方法。通过重构相空间和盒维数、关联维数、最大Lyapunov指数等对电弧电流的混沌分形特性进行定性、定量分析,形成电弧的空间域特征向量,构建故障电弧诊断模型。针对低压用电系统中空气压缩机、开关电源等负载线路,对故障电弧发生前后线路电流的混沌分形特性进行分析,验证方法的有效性。实验结果可见,线路电流的分形结构和混沌分形特征参数随着电气线路运行状态的变化而有所差异,且与线路负载性质有关。基于此特征建立的电弧诊断模型电弧检测的准确率超过90%,同时当线路正常运行时,诊断模型能够实现负载辨识,辨识率可达到90%。