基于信息熵的转子动力特征分析与诊断方法研究

针对转子系统运行过程中的非线性、耦合性、非平稳突变性等复杂特征,提出基于信息熵特征提取方法,将转子系统动力分析与参数识别方法有机结合,分析转子典型故障——裂纹、碰摩及裂纹碰摩耦合等不同状态下响应参量的信息熵特征及变化规律,并构建小波神经网络模型实现转子系统故障状态诊断。通过对转子系统实测信号的分析诊断,验证理论方法的有效性。     

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。      

双跨转子-轴承系统裂纹-碰摩故障的非线性响应研究

分析了带有裂纹-碰摩故障的具有三轴承支承的双跨弹性转子系统的复杂非线性运动。在同时考虑轴承油膜力和碰摩发生时转静件间的相对速度对非线性摩擦力的影响基础上,构造了双跨裂纹-碰摩弹性转子-轴承系统动力学模型,并对系统裂纹、碰摩及其耦合故障对系统非线性动力学响应的影响进行了数值仿真研究。单一裂纹故障时系统响应在超临界转速区有短暂的混沌运动;单一碰摩故障时系统响应在亚临界转速区有拟周期运动出现;裂纹-碰摩耦合故障时在超临界转速区有较大范围的周期4运动区间,小裂纹对系统非线性特性的影响不明显。研究结果为转子-轴承系统故障诊断、动态设计和安全运行提供了一定的理论依据和参考。     

双圆盘立式悬臂转子-轴承系统碰摩-裂纹耦合故障分析

在考虑了非线性油膜力的基础上,建立了具有碰摩-裂纹耦合故障的双圆盘立式悬臂转子-轴承系统的动力学模型,在此基础上用数值仿真方法研究了该模型在四种不同工况下的动力学行为,即无故障、单一碰摩故障、单一裂纹故障、碰摩-裂纹耦合故障,通过对该转子-轴承系统在不同工况下位移响应随旋转角速度变化的分叉图分析,发现在各种不同工况下该转子轴承系统响应表现出不同的特点,并给出了一些典型的Poincare截面图、轴心轨迹图和幅值谱图,分析了该转子系统在不同角转速下的运动状态.该研究结果为转子-轴承系统特别是立式悬臂转子-轴承系统的故障诊断提供了理论参考.     

多跨转子系统耦合故障定量诊断方法

随着空分设备的大型化和复杂化,其多跨转子系统的故障呈现严重化和耦合化。及时诊断并处理故障对于系统的稳定运行具有重要意义。以有限元理论和谐波平衡理论为基础分析多跨转子系统的动态特性并提出多跨转子系统耦合故障定量诊断方法。利用故障前后转子系统的振动响应各次谐波分量与系统剩余量方程的频率响应矩阵之间的关系推导诊断理论并获得诊断方程,以转-定子碰摩和联轴器不对中耦合故障为例建立多跨转子系统和实验台转子系统的有限元模型,通过数值仿真和转子实验台实验准确地诊断出故障位置,验证方法的有效性和稳健性。通过同一转速下故障前后转子系统至少n 1个测点的振动响应数据可以在线确定具有n个耦合故障转子系统的故障位置。对于转子系统的主要振动故障,如碰摩、不对中、裂纹等,诊断方法具有良好的适用性。     

转子复合碰摩故障特征提取实验研究

对旋转机械中的一些典型碰摩故障及复合碰摩故障进行了试验模拟,对故障发生过程中的加速度信号进行了采集.在此基础上,对转子故障加速度信号的三维谱特性进行了分析,提取和总结出由故障造成的加速度信号突变和对应的谱特征.分析结果表明采用加速度信号对转子的碰摩故障进行诊断是有效的.加速度信号三维谱图可以丰富旋转机械碰摩故障诊断系统知识库中的特征信息,对于更准确地诊断转子中的碰摩故障具有重要的意义.     

基于声信号三维谱分析的转子复合碰摩故障特征提取

转子在运行过程中的声音包含了大量的转子运行状态信号,变速过程中故障声信号特征的提取及其识别对于旋转机械故障诊断是极其必要的,目前基于声信号三维谱分析的转子故障特征提取还不多,在对转子旋转机械中的一些典型产生的碰摩故障及复合碰摩故障进行了试验模拟,对故障发生过程中的声信号进行采集的基础上,对转子故障声信号的三维谱特性进行了分析。提取和总结出由故障造成的声信号突变和对应的声谱特征。分析结果表明:采用声信号对转子的碰摩故障进行诊断是有效的。声信号三维谱图丰富旋转机械碰摩故障诊断系统知识库中的特征信息,可以用于更准确地诊断转子中的碰摩故障。     

谐波小波变换在转子-轴承系统多故障监测中的应用

以谐波小波变换为工具,分析了转子—轴承系统出现裂纹与碰摩耦合故障时的振动特征,并分别讨论了油膜力、裂纹与碰摩的影响,为工程实际中转子系统的多非线性故障监测和诊断提供一种方案。结果表明,支承滑动轴承的非线性油膜力对转子系统的影响比较大,且裂纹与碰摩引起的耦合故障不是单裂纹和单碰摩故障的线性叠加。因此,转子系统多故障监测和诊断过程中,各个非线性因素应该得到充分考虑,并应从时域和频域同时进行分析,才能取得更为合理的结果。     

基于加速度信号全谱分析的转子碰摩故障特征提取实验研究

转子在运行过程中的振动加速度信号包含了转子运行状态大量信号，瞬态过程中故障加速度信号特征的提取及其识别对于旋转机械故障诊断是十分重要的。旋转机械振动的全谱分析是一种使一些典型故障尤萁是碰摩故障能被很清楚检测出来的有效方法，本文在对旋转机械转子中的一些典型碰摩故障进行了模拟试验，以及对故障发生过程中的加速度信号进行采集的基础上，对转子故障加速度信号的全谱特性进行了分析，提取和总结出由故障造成的加速度信号突变和对应的谱特征。分析结果表明：采用转子振动加速度信号对转子的碰摩故障进行诊断是有效的。加速度信号全谱图可以丰富旋转机械碰摩故障诊断系统知识库中的特征信息，对于更准确地诊断转子中的碰摩故障具有重要意义。     

转子-滑动轴承系统松动-碰摩耦合故障分析

针对转子-滑动轴承系统发生松动故障进而引发松动-碰摩耦合故障的诊断问题,基于非线性有限元方法 ,应用非线性短轴承油膜力模型、松动刚度模型及Hertz接触理论建立双盘松动-碰摩耦合故障转子-滑动轴承系统的动力学模型。首先,研究并分析了滑动轴承(油膜力)支撑下的健康转子系统的动力学特性;进而,通过对不同转速下耦合故障转子系统动力学特性的研究发现,滑动轴承支撑下的松动-碰摩耦合故障常常以碰摩故障特征为主,时域波形呈现下密上疏的波动形状,轴心轨迹表现为多个嵌套的"半椭圆形",这些故障特征可以作为诊断滑动轴承(油膜力)支撑下松动-碰摩耦合故障的一个理论依据。     

具有弹性静子的碰摩转子轴承系统非线性动力特性研究

建立了非线性油膜力作用下具有弹性静子的转子-轴承系统碰摩故障模型。采用Rugge-Kutta数值积分方法对碰摩故障进行动力学求解,得到系统响应的分岔图。对比研究了有、无碰摩故障情况下系统动力特性,分析了静子质量及碰摩刚度对转子响应的影响。分析结果表明：静子质量越大、碰摩刚度越大,转静子的耦合作用越明显;碰摩刚度较小时,产生的碰摩力较小,即使发生碰摩,对系统的动力特性影响也很小。     

基于EMD和分形盒维数的旋转机械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,提出一种基于EMD（Empirical Mode Decomposition）和分形盒维数的诊断方法。该方法结合EMD对非线性信号处理的自适应性和分形盒维数能对非线性行为定量描述的特点,先对故障信号进行EMD处理,得到含有故障特征的本征模式函数(Intrinsic Mode Function,简称IMF),然后求出各IMF的盒维数,通过盒维数的比较分析进行故障诊断。构造了含有裂纹-碰摩-松动耦合故障的转子-轴承系统动力学模型,用龙格库塔法求出故障模型振动信号。通过对耦合故障信号进行分析,得到耦合故障特征向量,并与传统的边界谱诊断方法比较,证明该方法对旋转机械耦合故障诊断的有效性和优越性。     

转子系统耦合故障研究进展与展望

对近年来转子系统耦合(多)故障的研究现状、进展进行了综述,包括裂纹-碰摩、松动-碰摩、不对中-碰摩、油膜失稳-碰摩等耦合故障形式,结合国内外有关耦合故障的研究成果,从动力学模型、非线性动力学特性、故障诊断和试验研究等方面来介绍该领域的研究现状,并阐述了对该领域相关发展方向的一些看法,最后对转子系统耦合故障今后的研究方向进行了展望。     

滚动轴承转子系统不对中-碰摩耦合故障非线性动力学分析

为了获取转子系统不对中-碰摩耦合故障下的动力学特性,通过拉格朗日待定乘子法建立了在完整约束下滚动轴承转子系统非线性动力学微分方程,采用龙格库塔数值法研究了不对中-碰摩耦合故障下系统的动力学响应,采用时域图、轴心轨迹图、分叉图、Poincare截面图和FFT谱图分析了不对中度、碰摩刚度和碰摩间隙对转子振动响应的影响。分析结果表明:不对中度的增大会使系统1倍频振动响应增大,也会产生2倍、4倍等偶数倍频,同时出现与VC(Varying Compliance)频率之间的组合频率响应。在低转速下,碰摩刚度和碰摩间隙对转子系统的影响较小;在高转速下,较小的碰摩刚度和较大的碰摩间隙会缓解系统的非线性行为。     

双盘转子系统轴向－径向碰摩非线性动力学特性分析

动静碰摩是透平机械常见的故障之一,其动力学行为较为复杂,表现为在机器运行的过程中碰摩故障产生的故障征兆丰富多样。建立了双盘转子-轴承系统在轴向碰摩、径向碰摩以及两种碰摩共同冲击下的有限元法连续模型,采用计及了回转效应和剪切效应的梁单元,对转子系统在不同碰摩情况下的非线性动力学行为进行了数值模拟,研究了转子转速、转子系统上的不平衡量的分布以及碰摩刚度对系统的影响。研究结果表明：相对于径向碰摩故障的动力学特征,轴向碰摩产生的非线性特征不明显,与工程中观察的现象基本一致的;但当两种碰摩均考虑时,系统的非线性动力学特征与仅考虑径向碰摩时有显著的不同。所得计算结果可为大型高速旋转机械系统的故障诊断和碰摩故障的振动控制提供理论指导,从而保证系统的安全运行。     

基于二分法-PSO的碰摩转子有限元模型修正

根据模型修正理论,基于有限元模型模态分析结果与试验结果,采用二分法–PSO优化算法,进行模型修正。该方法提高了有限元模型修正的速度与精度,且避免了在PSO迭代寻优过程中陷入局部最优的问题。结果表明,采用基于二分法–PSO的模型修正方法得到的有限元模型的精度有了大幅度的提高,且更为准确地反映了试验模型的结构特征。将修正后的模型用于碰摩故障的研究,研究转速变化对转子碰摩动力学特性的影响,研究结果表明：仿真结果与试验结果一致性较高,为实际工程中转子系统的安全稳定运行提供一定的实际参考价值。     

Jeffcott转子碰摩的弯扭耦合振动特性分析

针对两端刚性支承的Jeffcott转子，采用库仑摩擦模型描述了碰摩力和力矩，建立了碰摩转子的非线性弯扭耦合振动微分方程。从扭振对碰摩特性的影响和扭振碰摩特征响应两个角度，进行了碰摩特性的数值分析。通过以转速比变化为参数的分岔图发现：弯振分岔图大致可分为四个复杂运动区，有无考虑扭振的分岔图都具有周期运动、拟周期运动和复杂的混沌运动形式，但它们进入和离开这些复杂运动区的路径和在复杂区内的运动形式却有所不同；而扭振分岔图与考虑弯扭耦合的弯振分岔图存在对应关系，它也可分为四个复杂运动区，也具有周期运动、拟周期运动和复杂的混沌运动等形式。文中揭示的振动特征为转子系统的状态识别与诊断提供了一条新思路。