基于短时傅里叶变换的汽车零部件耐久性载荷信号编辑方法

为了保证汽车零部件耐久性试验能够真实复现零件的服役载荷,并将试验场所测得的实际载荷-时间历程信号编辑成有效的缩减载荷信号,提出基于短时傅里叶变换的汽车零部件载荷信号编辑方法。对零件载荷信号进行短时傅里叶变换,得到该载荷信号的累积功率谱密度。利用累积功率谱密度来识别并提取损伤贡献大的片段,得到零件的缩减载荷信号。以汽车动力总成后拉杆悬置载荷-时间历程信号为例,采用基于短时傅里叶变换和基于损伤保留两种方法来编辑载荷信号。结果表明,在伪损伤保持一致的前提下,相比基于损伤保留方法,基于短时傅里叶变换方法得到的缩减载荷信号时间长度更短,且在统计参数(均值、方均根与峰度系数)和信号幅值域等方面均与原始载荷信号一致性更高。应用该缩减载荷信号建立汽车动力总成后拉杆悬置的耐久性台架试验,验证该套方法的有效性。     

高速列车转向架区气动噪声分离研究

提出了一种基于快速路径优化的自适应短时傅里叶变换时频分析方法,并将该方法用于行星齿轮箱的故障诊断。该时频分析方法通过使用快速路径优化获得瞬时频率变化规律,在短时傅里叶变换过程中自适应的改变时窗长度,从而获得更恰当的时频分辨率。针对行星齿轮箱运行状态不稳定的特点,通过使用笔者提出的时频分析方法可以有效地提取出行星齿轮箱的转速信息,利用参考转速对故障信号角度域重采样和阶次分析,从而实现变转速情况下的行星齿轮箱故障诊断。仿真分析表明,与传统短时傅里叶变换相比基于快速路径优化的自适应短时傅里叶变换得到的时频分布能量更加集中;试验分析证明了基于快速路径优化的自适应短时傅里叶变换方法在行星齿轮箱故障诊断中的有效性。     

参数化的短时傅里叶变换及齿轮箱故障诊断

提出了一种基于快速路径优化的自适应短时傅里叶变换时频分析方法,并将该方法用于行星齿轮箱的故障诊断。该时频分析方法通过使用快速路径优化获得瞬时频率变化规律,在短时傅里叶变换过程中自适应的改变时窗长度,从而获得更恰当的时频分辨率。针对行星齿轮箱运行状态不稳定的特点,通过使用笔者提出的时频分析方法可以有效地提取出行星齿轮箱的转速信息,利用参考转速对故障信号角度域重采样和阶次分析,从而实现变转速情况下的行星齿轮箱故障诊断。仿真分析表明,与传统短时傅里叶变换相比基于快速路径优化的自适应短时傅里叶变换得到的时频分布能量更加集中;试验分析证明了基于快速路径优化的自适应短时傅里叶变换方法在行星齿轮箱故障诊断中的有效性。     

基于短时傅里叶变换的风机叶片裂纹损伤检测

风机叶片由于材料复杂性和结构不对称性,其振动信号表现出时变特点.将短时傅里叶变换(STFT)应用于风机叶片裂纹检测中,基于仿真信号以验证短时傅里叶变换处理时变信号的可行性,然后运用短时傅里叶变换分析叶片在健康状态及不同裂纹损伤状态下自由衰减振动信号及其变化规律,为叶片裂纹检测提供一种合理方法.     

基于NLSTFT与TSA相结合的风电齿轮箱故障诊断

针对变工况风电齿轮箱振动信号存在频谱频率模糊问题,以及传统时域同步平均方法需要键相信号及转速稳定要求.提出了一种不需要键相信号可跟踪变转速振动信号瞬时频率的时域同步平均方法.该方法通过非线性短时傅里叶变换(Non-linear short-time fourier transform,NLSTFT)获取变转速齿轮箱振动信号瞬时频率曲线,积分得到瞬时相位曲线;根据瞬时相位对原始信号进行角域重采样,获得阶次信号;最后对阶次信号进行TSA处理进行齿轮故障诊断.以某机组的齿轮箱实测数据,有效地验证了所提方法在风电齿轮箱故障诊断中的有效性及工程实用性.     

广义参数化同步压缩变换及其在旋转机械振动信号中的应用

广义参数化时频分析通过构造匹配的参数化变换核,能够有效提高强调频信号的时频能量聚集性。然而,受短时傅里叶变换中窗函数结构的影响,利用该方法获得的时频能量分布在真实瞬时频率附近始终存在能量扩散现象。同步压缩变换利用同步压缩操作可将短时傅里叶变换处理后的时频能量压缩至真实瞬时频率位置,然而,同步压缩变换仅适用于分析频率成分恒定的纯谐波信号。以短时傅里叶变换为纽带,将两种时频分析方法相结合,提出了广义参数化同步压缩变换。考虑到旋转机械振动信号多为多分量信号,通过迭代处理的方式,依次获取各单分量信号的时频能量分布,对其进行叠加得到最终的时频能量分布。通过数值仿真以及变转速下转子不对中、滚动轴承外圈故障模拟试验验证了所提方法的有效性。     

轨道交通扣件系统时频特性测试与分析

为了得到安装在不同扣件系统下钢轨的振动特性,室内以WJ 7型扣件为样品,采用力锤激振法对其进行动力测试。基于MATLAB软件信号分析处理平台,利用线性短时傅里叶变换,非线性Page变换和Zhao Atlas Marks变换对振动信号的时频特性进行对比分析。研究结果表明：钢轨轨脚振动主要集中在中高频,其中在2 250 Hz振动能量最大,且持续时间最长;短时傅里叶变换(Short-time Fourier transform,简称STFT)具有较高的时间和频率分辨率,可以将轨脚的时域、频域和时频域的固有属性一一对应起来;非线性Page时频分析在能量较高的高频段具有较好的分辨率,而在低频段显得无能为力;非线性Zhao-Atlas-Marks分布时频分析在低频段效果较好,在高频段不是很理想。该分析结果可为轨道结构的振动噪声控制提供依据。     

基于S变换的热连轧机耦合振动特征提取

提出一种基于短时傅里叶变换的自适应频域滤波方法,将噪声信号与振动特征成功地分离。根据短时傅里叶变换和功率法设定的阀值,自动捕捉了振动信号在不同时间段的优势频率。对振动信号、压下液压缸压力信号和伺服阀给定信号做短时傅里叶变换后,热连轧机振动被诊断为液机耦合振动。利用离散小波变换和S变换相结合的方法对轧机振动信号进行分析,确定轧机起振的时间为液压压下系统的投入时间,证明了热连轧机存在液机耦合振动现象。     

基于ITD和短时傅里叶变换的故障诊断方法

根据固有时间尺度分解和短时傅里叶变换方法的优点,提出固有时间尺度分解和短时傅里叶变换相结合的故障诊断方法。采用ITD方法故障信号分解为若干个固有旋转分量和一个单调趋势项,提取特征信号并确定故障;运用短时傅里叶变换方法对分解的PR分量进行时频分析得到特性频率并进行相关预判断。以齿轮箱为试验对象进行诊断,结果表明,该方法可以有效地提取故障特征信号,并对隐藏的信号进行提取,实现有效诊断故障和预防故障发生。     

基于非线性超声调制的疲劳裂纹识别方法

由于应力作用、撞击以及周期载荷等因素的影响,金属结构中不可避免地产生疲劳裂纹损伤。若结构存在边界非线性,传统的非线性调制方法将无法有效识别疲劳裂纹损伤。针对该问题,提出一种能够避免边界非线性干扰的非线性超声调制方法。该方法采用正弦脉冲信号和持续正弦信号作为激励,通过识别信号之间的非线性调制现象来进行损伤检测。分别以铝制裂纹梁和完整梁为实验对象,粘贴两个压电片作为作动器和传感器,利用短时傅里叶变换对响应信号进行时频分析,提取非线性调制信号成分,对疲劳裂纹损伤进行有效的识别。     

机械密封焊接金属波纹管随机振动响应及优化分析*

针对焊接式金属波纹管在工作中出现的随机振动问题,运用虚拟激励法理论,采用MATLAB编程得到波纹管在随机激励下轴向和径向时域下的信号;将时域信号利用快速傅里叶变换得到频域信号,并导入Workbench软件中进行随机振动分析;同时对波纹管的危险结构尺寸(波片厚度、焊箍半径和最小弯曲半径)进行响应面优化分析。结果表明:波纹管在受外界随机激励下的频率介于固有频率一阶和三阶之间;波纹管轴向最大响应变形发生在镶嵌静环的一端即自由端,径向最大响应变形发生在靠近波纹管的固定端的波片弧度较大处,随机激励时等效应力集中在靠近焊箍侧,这些位置在工作过程中最容易损坏,与实际工作中的破坏位置相吻合。通过响应面优化分析和自适应多目标优化,得到一组优化关键材料参数,使得波纹管的振动性能得到较大改善,降低了波纹管的损坏率,为焊接金属波纹管的结构参数设计提供理论参考。     

基于构件S-N曲线的波纹管速度外压耦合加载下疲劳寿命研究

真空灭弧室用波纹管服役工况复杂,采用传统的理论计算方法和试验手段难以准确预测其疲劳寿命,一定程度上制约波纹管的设计与选用。本文利用数字图像相关技术,基于拉伸试验、疲劳试验,精细化获得了波纹管构件的S-N曲线,基于ANSYS有限元分析软件,建立波纹管弹塑性变形有限元模型,通过XTDIC验证了模型的准确性,结合nCode DesignLife对波纹管疲劳寿命进行了预测,并验证其准确性。研究了关键工艺参数(压力、位移、速度)对波纹管波峰、波谷等关键特征区域应力、应变和疲劳寿命的分布演变规律。研究表明：波纹管在只施加外压的工况下,波峰内壁处更容易产生疲劳损伤,位移载荷对波纹管应力应变分布影响更为显著,位移越大,波纹管更容易产生应力集中。在加载位移不变时,速度越大,波纹管等效应力越大,此时耦合0.2 MPa外压,抵消部分应力集中。在0.2 MPa外压下,当压缩速度由0.5 m/s增加到4 m/s,最大等效应力由378.89 MPa增加到424.27 MPa,疲劳寿命由49 540次减小到3 064次。     

考虑平均应力效应的Tovo-Benasciutti疲劳寿命预测模型

为了考虑平均应力对循环载荷作用下结构振动疲劳寿命的影响,对Tovo-Benasciutti疲劳损伤模型进行了平均应力修正。采用径向基函数法构造平均应力修正系数与随机应力带宽系数之间的近似模型,建立了考虑平均应力的Tovo-Benasciutti疲劳损伤模型。利用所建立的模型对某简单梁进行了疲劳寿命估计。结果表明：考虑平均应力效应的Tovo-Benasciutti模型能得到与试验更一致的结果。     

位移载荷作用下U形波纹管的疲劳寿命研究

金属波纹管膨胀节是受热管网和设备进行热补偿的关键部件之一,具有一定的使用寿命,位移载荷会使波纹管产生超过屈服强度的应力,出现疲劳损伤,当累积损伤达到一定程度,波纹管就发生失效.对波纹管在内压及位移共同作用下进行疲劳寿命试验研究,结果表明,对称循环位移下波纹管的疲劳寿命最高,单侧压缩位移下波纹管的疲劳寿命最低,建议对膨胀...     

温度影响下汽车波纹管疲劳分析

从汽车波纹管的工作环境出发,充分考虑温度影响下材料的非线性特性,对波纹管进行了疲劳特性分析。首先,根据波纹管疲劳试验要求设置模型中的边界条件;然后从考虑屈服强度变化和不考虑屈服强度变化两种情况对波纹管危险位置的应力进行研究,找出温度变化对波纹管应力影响的特点;最后,在应力分析结果的基础上,采用局部应力应变法对波纹管进行疲劳寿命分析,得到不同温度阶段下的波纹管的疲劳寿命,并从中得出温度变化对波纹管疲劳的影响特点。     

随机应力循环下结构疲劳寿命和可靠性的计算

将以往对应力循环二维分布特性的研究转化为对一次应力损伤一维分布特性的研究,基于应力损伤的Ｍａｒｋｏｖ性,研究了一次应力损伤服从指数分布时就总损伤的分布规律,给了了结构疲劳寿命和可靠性的计算方法,文末给出了本文方法在３００ｔ转炉倾动机构疲劳设计中的应用。     

基于红外和声发射的复合材料疲劳损伤实时监测

采用红外热像和声发射技术,实时同步监测2D C/SiC复合材料带孔板的拉-拉疲劳损伤过程,并利用疲劳过程中模量的变化、声发射信号和试样表面温度变化,讨论了带孔板疲劳损伤演变情况.结果表明:当外加应力低于疲劳极限时,疲劳损伤在循环初始阶段产生,损伤随循环数增加逐渐增大,最后趋于稳定;当外加应力超过疲劳极限时,疲劳损伤在短...     

Determination of fragments of multiaxial service loading strongly influencing the fatigue of machine components

The paper presents a method for determination of multiaxial load segments from original service histories, where the loaded machine part is meaningfully subjected to fatigue damage. These load segments are directly separated from a service-loading history, which can be of a random character. Typical procedures used for fatigue life assessment under multiaxial random loading are implemented to perform this task. While reduction from the multiaxial stress state to the equivalent uniaxial one, application of the linear multiaxial fatigue failure criteria was proposed. The equivalent stress history is subjected to the rainflow cycle-counting method, which allows to determine the amplitudes and mean values of counted cycles, their occurrence moment and time of duration. Influence of the stress mean value was taken into consideration with the Morrow's model. On the assumption of the linear Palmgren–Miner hypothesis of damage accumulation and the stress–life fatigue characteristics of the material, the damage-time function was determined. The load segments, where the influence on the material fatigue was significant, were determined on the basis of the fixed damage-intensity level and the proposed damage-intensity function. The presented method was studied on a hook loaded with two independent forces. FEM program which has the possibility to perform fatigue analysis was used during the computation for determining the expected place of crack initiation. The service-loading course was compressed to shorter one, so that only a small decrease of the fatigue damage in comparison with full length of the original service loading was observed. The proposed method seems to be right for preparing multiaxial loading histories in order to cut down the fatigue tests, especially in the case when the correlation between particular loading channels is very important.     

基于改进经验小波变换的行星齿轮箱故障诊断

行星齿轮箱振动信号具有复杂多分量和调幅-调频的特点。幅值解调和频率解调方法能够避免传统Fourier频谱中的复杂边带分析,有效识别故障特征频率。经验小波变换通过对信号Fourier频谱的分割构造一组正交滤波器组,能提取具有紧支撑Fourier频谱的单分量成分,再对单分量成分运用Hilbert变换即可实现信号的解调分析。经验小波变换能够有效分离出调幅-调频成分,不存在模态混叠现象,具有完备的理论基础,自适应性好、算法简单、计算速度快。将改进的经验小波变换应用于行星齿轮箱振动信号的解调分析;提出了一种单分量个数的估算方法,解决了经验小波变换中的Fourier频谱划分问题;给出了对故障敏感的信号分量的选取方法,提高了分析的针对性。将改进方法应用于行星齿轮箱振动仿真信号和实验信号分析,验证了该方法的有效性。     

Vibration analysis of rotating machinery using time-frequency analysis and wavelet techniques

Time-frequency analysis, including the wavelet transform, is one of the new and powerful tools in the important field of structural health monitoring, using vibration analysis. Commonly-used signal analysis techniques, based on spectral approaches such as the fast Fourier transform, are powerful in diagnosing a variety of vibration-related problems in rotating machinery. Although these techniques provide powerful diagnostic tools in stationary conditions, they fail to do so in several practical cases involving non-stationary data, which could result either from fast operational conditions, such as the fast start-up of an electrical motor, or from the presence of a fault causing a discontinuity in the vibration signal being monitored. Although the short-time Fourier transform compensates well for the loss of time information incurred by the fast Fourier transform, it fails to successfully resolve fast-changing signals (such as transient signals) resulting from non-stationary environments. To mitigate this situation, wavelet transform tools are considered in this paper as they are superior to both the fast and short-time Fourier transforms in effectively analyzing non-stationary signals. These wavelet tools are applied here, with a suitable choice of a mother wavelet function, to a vibration monitoring system to accurately detect and localize faults occurring in this system. Two cases producing non-stationary signals are considered: stator-to-blade rubbing, and fast start-up and coast-down of a rotor. Two powerful wavelet techniques, namely the continuous wavelet and wavelet packet transforms, are used for the analysis of the monitored vibration signals. In addition, a novel algorithm is proposed and implemented here, which combines these two techniques and the idea of windowing a signal into a number of shaft revolutions to localize faults.