基于Lyapunov指数能谱分布的转子-机匣系统故障诊断研究

提出了基于Lyapunov指数能谱分布的航空发动机转子-机匣系统故障诊断新方法.基于相空间重构,在优选重构参数的基础上,计算得到了某型航空发动机不同故障状态下机匣实测振动信号时间序列的Lyapunov指数谱;提出并定义了Lyapunov指数能、Lyapunov指数能谱、Lyapunov指数能谱分布的概念,获得了某型航空发动机在不同故障状态下的机匣实测振动信号时间序列的Lyapunov指数能谱及其分布,并基于此Lyapunov指数能谱分布对航空发动机转子-机匣系统进行了故障诊断和状态识别.研究结果表明:航空发动机机匣振动时间序列在不同状态下具有不同的Lyapunov指数能谱及其分布,即可以Lyapunov指数能谱及其分布作为识别其状态的特征量,为航空发动机转子-机匣系统的故障诊断和状态监控提供了新的可靠的方法.     

含碰摩故障的新型转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型

针对航空发动机整机振动,建立了一种新型转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型.该模型具有如下特点:1)考虑转子、滚动轴承及机匣之间的耦合作用;2)考虑了实际航空发动机的弹性支承及挤压油膜阻尼效应;3)将转子考虑为等截面自由欧拉梁模型,运用模态截断法进行分析;4)考虑了滚动轴承间隙、非线性赫兹接触力以及变柔性VC(Varying Compliance)振动;5)考虑了转子与机匣之间的碰摩故障.运用数值积分方法获取了系统响应,研究了航空发动机的整机振动规律.     

双转子航空发动机整机振动建模与分析

针对实际的双转子航空发动机,建立了航空发动机双转子-支承-机匣耦合动力学模型.在耦合模型中,利用有限元方法对转子和机匣系统进行建模;支承系统采用了集总参数模型,计入了滚动轴承和挤压油膜阻尼器的非线性;定义了5种支承和连接方式,以适应复杂的双转子航空发动机转子-支承-机匣耦合系统建模.运用Newmark-β法和改进的Newmark-β法(翟方法)相结合的数值积分获取系统非线性动力学响应.最后进行了航空发动机的整机振动分析,分析了系统临界转速、应变能及不平衡响应灵敏度,研究了挤压油膜阻尼器的减振特性以及系统突加不平衡的瞬态响应.     

某航空发动机整机系统非线性振动特性分析

以某型号航空发动机整机振动试验台为研究对象，建立了简化的整机动力学模型，考虑中介轴承的非线性弹性恢复力，运用 Newmark?β 与 Newton?Raphoson 法结合进行数值求解，通过对比整机系统中高低压转子处与机匣测点处的非线性振动响应，分析了中介轴承间隙对整机系统非线性振动响应的影响规律。结果表明，随着中介轴承间隙的增大，可能导致整机系统出现振动突跳、双稳态、高低压转子耦合程度降低以及组合共振等现象，其中机匣能够反映内部转子的振动特性，但机匣不同位置测点的情况不同，总体上中后测点在转子出现非线性振动特性时也能观测到相应的非线性振动特性，特别是在出现组合共振时能够表现出更为丰富的组合频率信息。研究结果有助于认识中介轴承非线性对航空发动机整机系统尤其是机匣的非线性振动特性影响规律，对航空发动机机匣上测点位置的选择能提供一定的指导。     

基于EMD和HHT的航空发动机转子—机匣振动信号分析

将EMD和HHT方法引入航空发动机转子—机匣的振动信号分析,某台发动机的台架实测机匣振动信号的分析结果表明,该方法能够比较清楚地再现转静系统碰摩故障随转速和采样周期的演变过程,能够克服傅立叶谱无法同时获得时域和频域信息的缺陷。同时边际谱与傅立叶谱相比能够比较真实客观地反映系统的频率和幅值分布情况。     

Lyapunov指数在异步电动机机械振动识别中的应用

基于非线性动力学理论,研究异步电动机振动信号的Lyapunov指数特征,并应用于故障诊断和识别。首先,搭建试验平台,并模拟异步电动机正常工作、转子不对中和底座安装不良的三种转动状态。分析电动机三种振动信号的波形,并进行去噪和预处理。然后,基于BBA算法计算振动信号在不同工作状态下的Lyapunov指数谱,选取最大Lyapunov指数作为特征用于识别异步电动机的机械振动;最后,为了对该分析方法的有效性及抗干扰性进行验证,引入了随机噪声,分析所提出算法在不同参数下的受噪声的影响水平。研究结果显示,异步电动机在正常运行时,其最大Lyapunov指数值在0.3～0.7;安装不良时其最大Lyapunov指数值在0～0.3,表明这两种工作状态下电动机振动信号序列出自于一个混沌过程;在电动机处于转子不对中状态时,其最大Lyapunov指数值近似为零,表明其振动序列中基本不存在混沌属性。在该研究结果的基础上,配合特征融合与机器学习分类算法,将有效提高异步电动机机械振动识别的准确率和效率。     

双转子系统动静碰摩动力学研究与基于振动加速度的实验验证

基于航空发动机动静碰摩故障的特点,建立双转子系统动静碰摩的动力学模型。模型中充分考虑机匣与轮盘碰撞时的弹性变形、接触渗透及弹性阻尼支撑,应用Hertz接触理论和库伦模型,建立干摩擦情况下双转子系统动静碰摩故障时的运动微分方程。运用四阶经典Runge-Kutta法进行求解,得到碰摩故障下双转子系统的动力学响应。因为实际的航空发动机转子的振动位移不易获取,多是测得轴承座或者机匣的振动加速度,为了提取碰摩状态下轴承座振动加速度特征,建立双转子系统试验台,进行动静碰摩实验,从轴承座测量振动加速度,通过频谱分析和包络谱分析方法,分析了轴承座振动加速度信号中的碰摩特征。结果表明双转子系统动静碰摩时,可将两个激励源的倍频和组合频率成分作为航空发动机动静碰摩故障的典型特征。而且当两个振源的频率值相互接近到20%的时候,双转子系统拍振信号强度较大。动力学仿真和实验取得了很好的一致性,验证了所提出的双转子系统碰摩模型的正确有效性。     

基于李雅普指数的汽车发动机故障诊断研究

研究了斯太尔汽车发动机系统非线性特性，针对其不同的状态，利用测理的振动时间序列求解了系统的最大李雅普指数。结果表明：该发动机振动的时间序列在不同状态下李雅普指数不同，因此可以李雅普指数作为识别其状态的特征量，为发动机的故障诊断和监控提供了可靠的方法。     

航空发动机转子早期裂纹故障振动特征的维谱分析

针对航空发动机转子早期裂纹故障难以检测的特点首先,根据转子裂纹扩展机理,建立早期裂纹转子振动分析理论模型,提出利用112维谱对早期裂纹振动信号进行分析。然后,利用112维谱分析法对早期裂纹转子理论模型和早期裂纹转子故障实验数据进行了具体分析。理论模型和实验数据分析结果都表明:应用112维谱对实际发动机转子早期裂纹故障信号进行分析,不仅能够得到一般频谱分析法难以获得的故障特征频率,还能对混叠噪声信号进行降噪。因此,112维谱能够有效的诊断航空发动机转子裂纹故障,在航空发动机故障诊断中具有一定的应用价值。     

机匣-双转子高维系统建模与实验验证

以机匣-双转子实验台为研究对象,基于ANSYS建立了可表征复杂结构的高精度实体有限元模型,应用Craig-Bampton模态综合方法实现了子模型维度缩减与整机动力学模型的组装。通过对比临界转速和振型验证了缩减模型的有效性,借助三维频谱图和轴心轨迹,分析了系统稳态响应特征,进行了实验验证。结果表明,发展的机匣-双转子系统建模及模型缩减方法精确、高效,为实际航空发动机机匣-双转子系统的动力学研究提供了参考。     

正向研制流程驱动的航空发动机标准体系研究

航空发动机标准体系是航空发动机研制、生产的重要依据和保障.在标准体系基本模型的基础上,借助系统工程的方法论霍尔模型和生命周期模型,提出了产品研制系统工程模型,并基于此提出了构建正向研制流程驱动的航空发动机标准体系基本方法,有利于我国建立健全基于系统工程的航空发动机研发体系,提高航空发动机研制能力.     

基于非线性几何不变量的轴承故障诊断方法研究

针对轴承传动本身具有非线性而在传统故障诊断中又被忽略掉的问题,提出了基于分形和混沌等非线性几何不变量的轴承故障诊断方法。该方法对测得的轴承振动时间序列去噪以后进行相空间重构,然后计算重构信号的分形维数、Lypunove指数、K熵、关联距离熵等多个几何不变量,并以此作为轴承故障诊断特征量,输入到径向基神经网络,对轴承故障进行模式识别。实验结果表明该方法能有效区别轴承各种故障状态,且为旋转机械的故障诊断提供了一种新方法。     

A Fast Method to Calculate the Oil Droplet Velocity in Aero Engine Bearing Chambers

The oil droplet velocity in an aero engine bearing chamber can determine the initial film state which is the fundament for lubrication design and heat analysis. This paper studied the droplet motion in a respective aero engine bearing chamber and obtained a fast method to calculate the droplet velocity by an analytical method. Comparing the velocity results calculated by the fast method with those from the literatures by the numerical method under different operating conditions, the method proposed in this paper is confirmed to be fast and reliable. The effects of operating conditions on droplet velocity are obtained at the same time. This study contribute to follow-up research work on droplet deposition properties in aero engine bearing chambers     

Analysis and Study of Modern Fault Diagnosis Methods of Mechanical Equipments

Fast Fourier Transform（FFT） frequency spectrum analysis, signal decomposing and reconstraction by wavelet analysis, fractal theory and chaos theory are hot research topics for fault diagnosis and prediction of complex machinery so far. In this paper, the characteristics of the FFT method, wavelet method, fractal method, and largest Lyapunov exponent method are studied and analyzed in detail. The advantages and shortcomings of these methods are pointed out respectively. Some unsolved problems are presented here.     

多自由度裂纹转子系统非线性动力学特性分析

大型旋转机械转轴裂纹具有复杂的高维非线性特征, 由此产生的机械故障时有发生。本文根据某航空发动机低压转子系统,利用拉格朗日原理建立了具有26个自由度的含有裂纹故障的高维非线性动力学模型。引进改进的POD方法成功将该系统降为具有两个自由度含有特征的低维非线性系统。数值模拟结果显示降维系统具有与原系统一致的非线性动力学特征,表明本方法对解决高维非线性问题具有较好的有效性。此外,本文还利用C-L方法对其进行分岔分析,讨论了系统参数与系统动态行为之间的关系,得到了裂纹转子各种不同分岔模式,得到了裂纹二分之一亚谐共振条件下的非线性动力学特性, 准确反映了裂纹转子的动力学特征。     

Asymptotic Lyapunov stability with probability one of Duffing oscillator subject to time-delayed feedback control and bounded noise excitation

The asymptotic Lyapunov stability with probability one of a Duffing system with time-delayed feedback control under bounded noise parametric excitation is studied. First, the time-delayed feedback control force is expressed approximately in terms of the system state variables without time delay. Then, the averaged Itô stochastic differential equations for the system are derived by using the stochastic averaging method and the expression for the Lyapunov exponent of the linearized averaged Itô equations is derived. It is inferred that the Lyapunov exponent so obtained is the first approximation of the largest Lyapunov exponent of the original system, and the asymptotic Lyapunov stability with probability one of the original system can be determined approximately by using the Lyapunov exponent. Finally, the effects of time delay in feedback control on the Lyapunov exponent and the stability of the system are analyzed. The theoretical results are well verified through digital simulation.     

《发动机故障诊断系统设计》

设计出一套适合实车不解体的发动机故障诊断新系统，它利用PC声卡配合LabVIEW采集排气噪声，然后对发动机不同状态下排气噪声信号进行矢量量化分析，从而完成系统的设计。实验结果表明该系统方案切实可行，诊断准确,为发动机故障诊断系统设计提供了一条新途径。     

柴油机振动信号的分形特征及故障诊断

把小波包降噪与关联维数相结合用在柴油机故障诊断中,讨论了关联维数计算中相关参数的选取。首先对柴油机缸盖振动信号进行小波包降噪处理,通过自相关函数法求延迟时间,用饱和关联维数法确定最小嵌入维数,并用改进的G-P算法求关联维数。分析发现,小波包可以有效降低噪声干扰,柴油机在不同工况下具有不同的关联维数,该方法可有效应用于柴油机的故障诊断中。