基于转子试验台的典型故障信号分析含开题报告及文献综述、任务书
基于转子试验台的典型故障信号分析含开题报告及文献综述、任务书,基于,转子,试验台,典型,故障,信号,分析,开题,报告,讲演,呈文,文献,综述,任务书
任务书论文(设计)题目:基于转子试验台的典型故障信号分析工作日期:2016年12月12日 2017年05月26日1.选题依据:旋转机械在机械、化工、冶金、石油、电力等工业领域内应用广泛,转子是旋转机械 的核心部件。整个设备能否正常工作主要取决于转子能否正常运转,尽管转子的运动与其 它回转件及非回转件都有密切联系,但总体上,旋转机械的绝大多数机械故障都与转子直接 相关,大约占到70%左右,因此对于大型旋转设备而言可以通过检测转子的振动发现和排除 故障。所以,认识转子的典型故障机理及检测方法具有一定的理论研究价值及工程应用意义。2.论文要求(设计参数):1、认识转子试验台的构造、工作原理2、掌握转子故障的原因及表现3、掌握故障信号的信号分析方法 4、掌握matlab编程技术 5、对故障信号的分析方法进行matlab编程实现3.个人工作重点:1、转子试验台的构造2、转子的运行机理3、转子的典型故障表现及原因4、转子故障信号的分析及诊断 5、matlab的简单应用4.时间安排及应完成的工作:第1周:查阅文献,了解毕业设计题目的研究意义第2周:查阅文献,了解毕业设计题中相关内容的国内外发展现状 第3周:阅读文献,掌握毕业设计的研究内容及技术路线第4周:撰写毕业设计开题报告,准备开题报告答辩 第5周:掌握转子试验台的组成及工作原理第6周:掌握转子试验台的典型故障信号的原因及表现 第7周:掌握转子试验台典型故障信号的采集第8周:学习matlab的编程技术第9周:掌握转子基座松动的信号分析方法及matlab实现第10周:掌握转子不平衡的信号分析方法及matlab实现 第11周:掌握转子不对中的信号分析方法及matlab实现 第12周:撰写毕业设计论文第13周:撰写毕业设计论文第14周:撰写毕业设计论文第15周:完成毕业设计论文修改及答辩ppt 第16周:毕业设计答辩5.应阅读的基本文献:1、田静, 许宝杰. 基于转子实验台的典型故障信号模拟与分析J. 北京信息科技大学学报(自然科学版), 2005, 20(3):1-4.2、周扬. 基于振动信号分析的转子故障诊断方法研究D. 南京航空航天大学, 2014.3、周丽芹, 刘建丽, 王立红. 基于转子实验台的典型故障信号模拟与分析J. 振动、测试与诊断, 2004, 24(2):131-134.4、杨文瑛. 基于经验模态分解的转子故障信号熵特征提取研究D. 兰州理工大学, 2012.5、马文朋. 基于振动分析的民航发动机转子系统故障诊断研究D. 天津大学, 2015.6、霍天龙. 基于支持向量机的转子系统故障诊断方法研究D. 兰州理工大学, 2011.7、欧阳运芳. 旋转机械状态监测与故障诊断中信号分析方法及应用研究D. 哈尔滨工业大学, 2001.8、陈书凯. 转子系统振动故障分析与诊断D. 南京航空航天大学, 2005.9、刘文彬, 郭瑜, 郑华文. 基于短时傅里叶变换的油膜振荡故障识别J. 中国测试, 2008,34(2):105-107.10、陈培磊. 航空发动机转子故障振动特征的试验研究D. 沈阳航空工业学院, 2009.指导教师签字:XX教研室主任意见:同意签字:XX 2016年12月08日教学指导分委会意见:同意签字:XX 2016年12月08日 学院公章进度检查表第-3周工作进展情况查阅了近35篇相关文献,了解了转子的几种典型故障的研究意义。2017年01月05日指导教师意见工作量较为充分,阅读文献较多。但是要对重点文献进行精读,充分了解国内外发展的研究现状。指导教师(签字):XX 2017年03月10日第-2周工作进展情况查阅文献并且了解了转子的典型故障信号分析中相关内容国内外发展的现状。2017年01月05日指导教师意见要对于论文中的相关研究内容的国内外研究现状有充足的认识和掌握,并对主要学者的研究内容有清晰认识。指导教师(签字):XX 2017年03月10日第-1周工作进展情况认真阅读了35篇国内外文献,初步对三种典型故障原因、机理、现象及 信号采集有所了解。2017年01月05日指导教师意见对转子三种典型故障的原因,机理,及表现进行全面掌握而不是了解。指导教师(签字):XX 2017年03月10日第 0周工作进展情况撰写毕业设计开题报告,准备了开题报告答辩,对转子三种典型故障不对中、不平衡、支架松动有了更深入的了解2017年01月05日指导教师意见对转子三种典型故障不对中、不平衡、支架松动的信号处理方法进行掌握。指导教师(签字):XX 2017年03月10日第 1周工作进展情况下载并安装了matlab,初步对matlab进行了学习,掌握了一些基本的应用。2017年03月29日指导教师意见对matlab软件的基本操作要有深入研究,利用matlab相关书籍的例程进行深入学习。对以后的matlab编程打好基础。指导教师(签字):XX 2017年04月07日第 2周工作进展情况查阅相关matlab的书籍,对matlab的具体编程与实际应用进行了更进一步的学习。2017年03月29日指导教师意见主要联合论文中研究的内容进行查找matlab资料,实现技术方法的matlab代码编写。指导教师(签字):XX 2017年04月07日第 3周工作进展情况对不对中、不平衡、基座松动的信号采集有了明确性的掌握。2017年04月26日指导教师意见重点掌握转子不对中、不平衡、基座松动的故障的主要体现及信号表现。指导教师(签字):XX 2017年05月09日第 4周工作进展情况在matlab中用轴心轨迹发对转子不平衡的信号进行分析。2017年04月26日指导教师意见要在掌握matlab编程的基础上,对轴心轨迹的理论实现方法进行编程转化。指导教师(签字):XX 2017年05月09日第 5周工作进展情况在matlab中用轴心轨迹发对转子不对中的信号进行分析。2017年04月26日指导教师意见不对中、不平衡、基座松动的信号的轴心轨迹matlab实现不需要那么长 时间,进度慢。指导教师(签字):XX 2017年05月09日第 6周工作进展情况在matlab中用轴心轨迹发对转子基座松动的信号进行分析。2017年04月26日指导教师意见应该对不对中、不平衡、基座松动的信号的频域特征进行分析。指导教师(签字):XX 2017年05月09日第 7周工作进展情况对转子不对中、不平衡、基座松动信号进行仿真编程以及处理。2017年04月26日指导教师意见要注意不对中、不平衡、基座松动的信号的编程中出现的问题及时的沟通。指导教师(签字):XX 2017年05月09日第 8周工作进展情况对不对中、不平衡、基座松动的信号的频域时域轴心轨迹特征进行分析,并进行结果对比2017年05月17日指导教师意见不对中、不平衡、基座松动的信号的频域时域轴心轨迹特征进行分析的时候对于结果对比要尽量有量化指标。指导教师(签字):XX 2017年05月23日第 9周工作进展情况了解复合故障并对不对中、基座松动进行复合故障仿真实验。2017年05月17日指导教师意见了解复合故障并对不对中、基座松动进行复合故障仿真实验如何产生,如何进行的信号采集。指导教师(签字):XX 2017年05月23日第 10周工作进展情况对ICA信号分离进行深入研究,并在matlab上实现对复合故障信号进行 分离。2017年05月17日指导教师意见重点对ICA信号分离的原理进行了解,并要用仿真信号和matlab代码实 现对混合信号分离指导教师(签字):XX 2017年05月23日第 11周工作进展情况对毕业论文有大概的了解,并设计好主要模块,进行毕业论文的撰写。2017年05月17日指导教师意见对于毕业论文注意写作格式,并且不要复制粘贴,避免查重率。指导教师(签字):XX 2017年05月23日第 12周工作进展情况对毕业论文进行最后修改,进行查重及细节处修改,完善并上传毕业论文。2017年05月17日指导教师意见对于答辩要有充分的准备,对于ppt的制作要尽量减少文字,多用图表 说明问题。指导教师(签字):XX 2017年05月23日过程管理评价表评价内容具体要求总分评分工作态度态度认真,刻苦努力,作风严谨32遵守纪律自觉遵守学校有关规定,主动联系指导教师,接受指导31开题报告内容详实,符合规范要求53任务完成按时、圆满完成各项工作任务42过程管理评分合计8 过程管 理评语 该同学对于毕业设计过程中相关专业知识的学习态度较为认真,但是在毕业设计过程中刻苦努力程度不够,作风欠严谨,在老师指导过程中缺乏主动性,不能按照学校相关规定主动联系指导老师说明研究进度及研究中发现的问题,并且在接受老师指导后不能及时完成老师布置的工作任务。在毕业设计管理系统中过程节点的填写需要老师进行督促,使得毕业设计研究进度较慢。该同学开题报告内容较为详实,基本符合规范要求。毕业设计过程中,进度计划较为迟缓,勉强完成了毕业设计的工作任务。指导教师签字:XX日期:2017-05-23指导教师评价表评价内容具体要求总分评分选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满54能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力53完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确;论文结构、撰写格式、图表等符合基本规107指导教师评分合计14 指导教 师评语 该同学选题为基于转子试验台的典型故障信号分析,该题目针对于转子试验台的经典故障和复合故障进行分析研究,具有一定的理论研究意义及工程应用价值,该选题具有一定程度的创新性,深度难度适宜,工作量较为饱满。通过毕业设计的锻炼,该同学具有了一定的综合运用知识能力,科研运用方法能力,中英文翻译表达能力,文献查阅能力,matlab计算机编程能力。该论文文题相符,概念较为准确,信号分析,仿真实验较为准确,论文结构较为合理,图表基本符合写作要求,基于此,建议该同学毕业设计答辩。指导教师签字:XX日期:2017-05-23评阅人评价表评价内容具体要求总分评分选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满53能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力53完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确;论文结构、撰写格式、图表等符合基本规106评阅人评分合计12 评阅人 评语 基于转子试验台的典型故障信号分析主要是培养学生对转子设备故障诊断能力,让学生了解信号分析的相关方法,故选题基本符合培养目标要求,且具有一定的实践意义,难度偏大。该生在论文利用MATLAB语言对转子试验台上测试的相关振动信号进行分析,获取了不同故障类型的特征,分析能力一般,中文表达能力一般。这表明该生运用综合知识能力还有待提高。论文从整体结构来说并不理想,内容和题目之间需要进行调整。从内容来看,题目修正为:基于MATLAB的转子试验台转子典型故障信号分析更为确切。 第三章标题转子试验台结构和机理不严谨,转子试验台没有什么机理,而是转子故障才能说机理。论文分析结果基本正确,撰写格式基本符合规范要求,同意答辩。评阅人签字:XX评阅人工作单位:XX日期:2017-05-31答辩纪录 学生姓名:XX专业班级:XX 毕业论文(设计)题目: 基于转子试验台的典型故障信号分析答辩时间:2017年05月26日 时 分 时 分答辩委员会(答 主任委员(组长): XX辩小组)成员委员(组员): XXXX答辩委员会(答辩小组)提出的问题和答辩情况问题1:转子试验台的主要故障有哪些?回 答: 转子不对中,转子不平衡,转子基座松动问题2:转子不平衡的原因是什么?回 答: 转子质量不均匀,造成偏心。问题3:论文中撰写的时候有转子也有装子,是什么原因? 回 答: 应该都是转子,可能拼写的时候误写为装子了。问题4:ICA的中文全称是什么?回 答: 独立分量分析问题5:ICA的原理是什么?回 答: ICA的原理是对混合信号进行独立分量分离。获得单独的信号源。问题6:转子不对中的轴心轨迹有什么特征? 回 答: 转子不对中的轴心轨迹为椭圆形状。记录人: 2017年05月26日答辩委员会评价表评价内容具体要求总分评分自述总结思路清晰,语言表达准确,概念清楚,论点正确,分析归纳合理106答辩过程能够正确回答所提出的问题,基本概念清楚,有理论根据106选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满54完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确;论文结构、撰写格式、图表等符合基本规107能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语应用能力、文献资料检索能力、计算机应用能力106答辩委员会评分合计29 答辩委员会评语 XX同学在毕业设计工作期间,基本遵守各项纪律,表现一般。 能按时完成毕业设计有关任务。 论文立论正确,立论分析无原则性的错误,解决问题方案有一定的参考价值,结论基本正确。 论文使用的概念基本正确,语句通顺,条理比较清楚。 论文中使用的图表,设计中的图纸在书写和制作时,能够执行国家相关标准,基本规范。 能够查阅文献资料,原始数据搜集得当,实验或计算结论基本准确。 答辩过程中,能够阐述出论文的主要内容,主要问题经答辩教师启发后能够回答出来。答辩成绩: 29答辩委员会主任:XX2017年05月28日成绩评定 项目分类成绩评定过程管理评分8指导教师评分14评阅人评分12答辩委员会评分29总分63成绩等级D成绩等级按“A、B、C、D、F”记载成绩审核人签章: XX审核人签章: XX一、选题依据1论文(设计)题目基于转子试验台的典型故障信号分析2研究领域转子试验台故障的研究方法,它要运用到测控技术,信号分析,研究常见的转子故障机理3. 论文(设计)工作的理论意义和应用价值机械含着大量的作旋转运动的零部件,例如各种传动轴、主轴、电动机和汽轮机的转子等,统称为旋转体。在理想的情况下旋转体旋转时与不旋转时,对轴承产生的压力是一样的,这样的旋转体是平衡的旋转体1。但工程中的各种旋转体,由于材质不均匀或毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差,甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素,使得旋转体在旋转时,其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消,离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上,引起振动,产生了噪音,加速轴承磨损,缩短了机械寿命,严重时能造成破坏性事故。为此,必须对转子进行平衡,使其达到允许的平衡精度等级,因此产生的机械振动幅度降在允许的范围内2。因此了解测量动平衡信号,并对信号进行处理才能更好的学习、理解何为转子不对中、何为动平衡,才能对各领域中动平衡在生产生活中有一个新的认识。旋转机械被广泛地应用于包括燃气轮机,航空发动机,工业压缩机及各种电动机等机械装置中。在电力、航空、机械、化工、纺织等国民经济领域中起着非常重要的作用,而对其动力学特性的研究也形成了一门专门的学科转子动力学3。转子动力学在国内外都是一门非常活跃的学科,每年都有大量的文章发表。转子动力学是研究所有与旋转机械转子及其部件和结构有关的动力学特性,包括动态响应、振动、强度、疲劳、稳定性、可靠性、状态监测、故障诊断和控制的学科。这门学科研究的主要范围包括:转子系统的动力学建模与分析计算方法;转子系统的临界转速、振型与不平衡响应;支承转子的各类轴承的动力学特性;转子系统的稳定性分析;转子平衡技术;转子系统的故障机理、动态特性、监测方法和诊断技术;密封动力学;转子系统的非线性振动、分叉与混沌;转子系统的电磁激励与机电祸联振动; 转子系统动态响应测试与分析技术;转子系统振动与稳定性控制技术;转子系统的线性与非线性设计技术与方法。转子动力学研究的目的和任务是为旋转机械转子的优化设计、提高效率、保证安全、减少故障和延长寿命提供理论和技术上的支持与保障。随着工业技术和科学水平的进一步发展,特别是计算机技术的迅速发展,现代机械设备正向着自动化、大型化、高速化和智能化方向发展,其功能越来越多、结构越来越复杂,这也使得其在正常运行过程中容易出现了大量的强度、结构、振动、噪声、可靠性,以及材料与工艺等方面的问题。对于大型回转机械来讲,振动监测的重点是转子系统。因为在回转机械中,转子是设备的核心部件,整个设备能否正常工作主要取决于转子能否正常运转,而且在旋转机械故障诊断中经常碰到的且影响最大的就是振动故障4。设备损坏事件时有发生,美国石油企业由于设备故障问题导致每年石油产量减少 3%8 %,引起约 200 亿的经济损失.确保旋转机械设备的安全运行,进一步降低维修费用和延长设备寿命己成为企业提高经济效益和社会效益的重要手段 。转子工作时往往伴随着高转速和复杂工况,容易产生各种故障,一旦故障发生,将带来重大安全隐患和经济损失,因此,加强对转子故障诊断的研究,防患于未然,具有十分重要的意义5。4目前研究的概况和发展趋势发展。随着科学技术的进步与飞速发展,工业设备与系统不断向着大型,高效率,高性能和高自动化方向的发展。作为工厂的关键设备,大型旋转机械如汽轮机,发电机,涡轮机和离心式压缩机等,都价值不菲,在社会经济中占有很重要的地位。虽然这些设备的安全系数不断提高,但由于工作环境等其他条件,使得它的一些部件可能出现故障,一旦出现故障,轻则会有经济损失,而重则会酿成机毁人亡的大事故,为了解机械设备的情况,减少或避免事故的发生,及时了解设备的工作情况,预防事故的发生,发挥出设备的潜在能量。这就对设备工况监测和研究提出了较高要求6。在旋转机械故障诊断中,最经常碰到的且影响最大的就是振动故障。旋转机械中的振动主要有两种形式:一是强迫振动,它是由于转子不平衡,联轴节不对中,安装偏差造成的,其振动频率为转子的回转频率及其倍频。在转子临界速度前,其振幅随转速增大而增大,超过临界速度,振幅减小。在临界速度处有一共振峰;二是自激振动, 其振动频率低于转子的回转频率。由于这种差异,在转子与定子中产生交变应力。自激振动常常在某个转速下(大于临界转速)突然发生,往往构成突发性故障7。在国内常用的信号分析和处理方法有:时域分析,如相关分析,幅值分析,统计特征参数分析,波形分析;频域分析,如功率谱分析,倒谱分析,细化谱分析;回顾国内外专家和学者在旋转机械故障特征提取和故障诊断方面的研究, 可以将故障特征提取技术的发展历史分为如下四个阶段8:第一阶段 ,20 世纪 60 7 0 年代 ,长期恶劣的运行环境导致旋转机械出 现的各类故障,利用简单的信号分析仪器再加上人类有限的经验知识对常见的故 障信号进行分析诊断,解决了部分旋转机械失效的问题。第二阶段 ,20 世纪 70 8 0 年代 ,随着数字电路 、计算机技术以及信号 处理技术的发展,同时 ,随着 FFT 算法的提出 ,使得频谱分析的运算速度成倍提高。因此就出现了简单频谱分析仪,进一步提高了故障信息采集与分析的准确性。第三阶段,20 世纪 80 9 0 年代 ,随着一些相关技术的发展,特别是嵌入式技术、现代检测技术、信号处理技术、模式识别技术与信号特征估计技术等 相关的现代科学技术的迅速发展,许多发达国家投入巨大的人力和物力研究旋转 机械故障特征提取与分析技术;因此,旋转机械设备故障特征提取与分析技术研究进入了系统化的阶段。第四阶段,自 20 世纪 90 年代以来,计算机价格不断下降,数据处理速度不断提升,为工业上应用状态预测创造了有利的条件。同时,随着计算机网络技 术的快速发展,使得基于因特网的远程监测与分析系统越来越多的出现在工业领域 。在我国,设备故障诊断与预维修技术研究工作起步较晚8。国内的一些民用工业,尤其是冶金、石化和电力等流程工业,在开发和应用设备诊断技术方面走在了前面,因为这些工业的关键设备一旦发生事故就会造成很大的损失9。80 年代末,中国民航学院和北京航空航天大学研制了民航发动机转子系统故障诊断实施的一般过程 ,主要包括数据获取、信号处理与特征提取、故障识别、诊断决策等步骤,其中数据获取是故障诊断的前提,故障特征提取是关键,故障识别是整个过程的核心。转子故障诊断的研究工作便围绕这几个环节开展开来10。二、论文(设计)研究的内容1.重点解决的问题认识转子试验台的构造、转子台的典型故障故障原因2.拟开展研究的几个主要方面(论文写作大纲或设计思路)(1)认识转子试验台构造底座、主轴、飞轮、直流电机、主轴支座、主轴支座、含油轴承及油杯、 电机支座、联轴器及护罩、电涡流传感器、磁电转速传感器支架、测速齿轮、保护挡 板支架(2)转子典型故障原因:转子不对中:旋转机械一般是由多根转子所组成的多转子系统,转子间一般采用刚性或半挠性联轴节联接。由于制造、安装及运行中支承轴架不均匀膨胀、管道力作用、机壳膨胀、地基不均匀下沉等多种原因影响,造成转子不对中故障,从而引起机组的振动11。转子不平衡:转子不平衡是旋转机械最常见的故障之一。由于设计、制造、安装中转子材质不均匀、结构不对称、加工和装配误差等原因和由于机器运行时结垢、热弯曲、零部件脱落、电磁干扰等原因而产生质量偏心12。基座松动:转子支座松动是指系统结合面存在间隙或联接刚度不足,造成机械阻尼偏低,机组运行振动过大的一种故障,也是机械系统中常见的一种故障。3.本论文(设计)预期取得的成果了解旋转机械故障分析技术以及重要性。能用 Matlab 对旋转机械故障信号进行简单的处理仿真。三、论文(设计)工作安排1.拟采用的主要研究方法(技术路线或设计参数);(1) 转子不对中研究方法进行故障诊断时,在熟知其故障振动机理的基础上,辨清各故障之间的区别与联系,以求在众多的信号分析谱图中,寻找与不对中故障对应的特征信息。诊断不对中故障,可用时域波形图、幅值(功率)谱有如下一些表现形式13。时域波形为 1X、2X 叠加的 M 形波形。幅值、功率谱上 2X 分量大,常伴有 1X 及高次谐波;当不对中比较严重时,会出现准确的分频 X12、X13 及调制和差频成分 1X、3X14。(2)转子不平衡研究方法转子轴心轨迹的形状是判断转子运行状态和故障征兆的重要根据。转子轴心轨迹是指转子上轴心一点相对于轴承座运动而形成的轨迹。在汽轮机运行过程中,从以往的经验看,不同的轴心轨迹对应着不同的故障类型。例如:椭圆形对应的是不平衡故障;八字型对应的是不对中故障;内环型对应着油膜涡动故障;花瓣型对应着油膜振荡故障。因此如果能够得到转子运行的轴心轨迹,我们就可以判断出转子处于何种故障。转子的轴心轨迹为椭圆形,我们可以判定转子处于不平衡状态。(3)基座松动研究方法部件松动故障分为两大类,一类是非转动部件的配合松动故障;另一类是转动部件的配合松动故障,其中前者较为常见。非转动部件配合松动的典型情况是轴承外壳与轴承座配合间隙过大、轴承座的松动、支座松动、地脚螺栓松动和基础灌浆不实等。松动也可以使任何已有的不平衡、不对中所引起的振动问题更加严重,从而可能导致旋转机械设备的剧烈振动15。2.论文(设计)进度计划第 1 周:查阅文献,了解毕业设计题目的研究意义第 2 周:查阅文献,了解毕业设计题中相关内容的国内外发展现状第 3 周:阅读文献,掌握毕业设计的研究内容及技术路线第 4 周:撰写毕业设计开题报告,准备开题报告答辩第 5 周:掌握转子试验台的组成及工作原理第 6 周:掌握转子试验台的典型故障信号的原因及表现第 7 周:掌握转子试验台典型故障信号的采集第 8 周:学习 matlab 的编程技术第 9 周:中期审核第 10 周:掌握转子基座松动的信号分析方法及 matlab 实现第 11 周:掌握转子不平衡的信号分析方法及 matlab 实现第 12 周:掌握转子不对中的信号分析方法及 matlab 实现第 13 周:撰写毕业设计论文第 14 周:撰写毕业设计论文第 15 周:完成毕业设计论文修改及答辩 ppt第 16 周:毕业答辩四、需要阅读的参考文献1、田静,许宝杰.基于转子实验台的典型故障信号模拟与分析J.北京信息科技大学学报(自 然科学版),2005,20(3):1-4.2、周扬.基于振动信号分析的转子故障诊断方法研究D.南京航空航天大学,20143、周丽芹,刘建丽,王立红.基于转子实验台的典型故障信号模拟与分析J.振动、测试与诊 断,2004,24(2):131-134.4、杨文瑛.基于经验模态分解的转子故障信号熵特征提取研究D.兰州理工大学,2012.5、马文朋.基于振动分析的民航发动机转子系统故障诊断研究D. 天津大学,2015.6、Analysis of the Reliability of a Jet Engine Compressor Rotor BladeCompressor Rotor Blade Containing a Fatigue Crack7、霍天龙.基于支持向量机的转子系统故障诊断方法研究D.兰州理工大学,2011.8、欧阳运芳.旋转机械状态监测与故障诊断中信号分析方法及应用研究D.哈尔滨工业大学, 2001.9、陈书凯.转子系统振动故障分析与诊断D.南京航空航天大学,2005.10、Thermoelastic Modeling of Rotor Response With Shaft Rub11、刘文彬,郭瑜,郑华文.基于短时傅里叶变换的油膜振荡故障识别J.中国测试,2008,3 4(2):105-107.12、陈培磊.航空发动机转子故障振动特征的试验研究D.沈阳航空工业学院,2009.13、EI-Shafei,A.S.EI-Kabbany,A.A.Younan,Rotor Balnacing Without Trial WeightsJ.Eng.Gas Turbines Power14、于昊.基于 LMD 和 HMM 的转子故障诊断方法D.兰州理工大学,201215、侯捷.基于电机电流转子轴承系统故障诊断方法研究D.太原理工大学,2015附:文献综述或报告文献综述基于转子试验台的典型故障信号分析综述摘要近年来,转子故障诊断技术是发展较为迅速的新技术,而在故障诊断技术中最为重要的是对故障特征信息的提取与分析。由于转子在机械中经常用到, 在工作中经常会产生各种故障,如果不能及时发现和处理,会使机械设备丧失可靠性及其正常的生产功能,带来巨大的经济损失,更为严重的甚至会导致重大的人员安全事故。这使得人们认识到对旋转机械的监测与故障诊断的重要性,并对旋转机械关键部件故障的分析技术也提出了更高要求。国内外很多学者把转子分为几种典型故障,在用信号进行分析研究关键词:转子,故障诊断,分析,信号引言随着科学技术的进步与飞速发展,工业设备与系统不断向着大型化、高效率、高性能和高自动化方向的发展。作为工厂的关键设备,大型旋转机械如汽轮机,发电机, 涡轮机和离心式压缩机等,都价值不菲,在社会经济中占有很重要的地位1。虽然这些设备的安全系数不断提高,但由于工作环境等其他条件,使得它的一些部件可能出现故障,一旦出现了故障,轻则会有经济损失,而重了则会酿成机毁人亡的大事故2。为了解机械设备的情况,减少或避免事故的发生,及时了解设备的工作状况,预防事故发生,发挥出设备的潜在能量。这就对设备工况监测和研究提出了较高要求3。一、机械故障诊断目前,信号处理是故障诊断的主流方法,通过采用合适的信号处理方法,选择适当的特征参数,提取出所需的故障特征信息,从而为故障识别和状态预测服务4。在信号处理方面,机械故障诊断的主要内容可以简单概括为四点(1)采集状态信号采集状态信号是指通过对运转中的旋转机械的状态实行完整的测试,通过测试获取有价值的信号状态信号。状态信号的正确采集具有非常重要的作用,这是因为在这些信号当中承载着设备异常或故障的所有信息。准确的充分的采集一定数量的状态信号可以充分的反映旋转机械的运行情况,它是故障诊断成功的首要条件;如果不能准确真实的采集到设备的状态信号,那么将导致以后的环节是不准确的甚至是完全错误的。所以保证采集信号的正确性和真实性是采集状态信号的关键5。(2)通过采集的信号提取故障特征虽然采集到了正确的信号,但是如果不加以提取故障信息。也将无法完成检测的工作,这是因为采集到的信号仅仅只是机械在运转的过程中所变现出来的原始状态信号。而这些原始的状态信号往往包含着大量背景噪声、干扰当中,是难以提取出有利用价值的信号的。只有利用信号处理的技术,消除干扰与噪声所带来的影响,从原始信号当中提取出有利用价值的故障信息,才能做到突出故障特征,提高故障诊断的准确性和可靠性。(3)对提取到的故障特征进行模式识别和分析在成功提取出有利用价值的故障信息后,对该信息所反映旋转机械实行分析、比较、识别来据此判断机械运行中是否有异常的情况,做到防患于未然6。一旦机械出现了故障,可以立即判断出出现故障的具体的位置以及造成故障的原因7。(4)状态预测如果机械发生了故障,则通过模式识别和分析后,为了保证人们可以方便的采取解决办法,必须更加完善的对旋转机械出现异常或故障发生在机械的哪个部位、造成这种故障的原因已尽会带来的危险的程度实行评估8。根据所得信息,来判断旋转机械运行状态和发展趋势。二、典型故障原因及特征(1)转子不对中原因:1)基础受热不均。2)机组各部件的热膨胀变形和扭曲变形9。3)机组热膨胀时由于滑动表面的摩擦力及导向键磨损引起轴承座倾斜和侧行10。4)由于转子的挠性和重量分配不均匀,转子在安装之后产生原始弯曲,进而影响对中。5)地基下沉不均。特征:1)二倍频分量明显突出,以一倍频和二倍频分量为主,不对中越严重,二倍频的分量越大;2)轴心轨迹一般表现为香蕉形;3)轴向振动幅值较大时是联轴器的不对中,振动频率为基频;4)联轴器同一方向相互垂直的两个方向,二倍频的相位差是基频相位差的两倍5)径向振动幅值较大的是轴承不对中,会出现高倍频分量,幅值不够稳定11。(2)转子不平衡原因:1)转动件本身形状不对称2)加工制造上的公差3)组装安装不当4) 转动件运转时的变形5) 转动件破损磨耗6) 转动件附着异物特征:1)转子的稳态振动是一个与转速同频的强迫振动,振动幅值随转速按振动理论中的共振曲线规律变化,在临界转速处达到最大值12。因此转子不平衡故障的突出表现为一倍频振动幅值大;2)转子的轴心轨迹为圆形或椭圆形;3)当转子工作转速一定时,相位稳定;4)转子的进动方向为同步正进动;5)转子振幅对转速变化很敏感,转速下降,振幅将明显下降13。(3)支座松动原因:1)安装质量不高2)长期的振动特征:1)松动故障会引起转子的(1/2)等分数次谐波频率;2)振动的方向性尤其是松动方向上的振动会发生变化。由于支座的约束力减小,振动的幅值会加大14。松动使转子系统在水平和垂直两个方向的临界转速会有所不同;3)振动形态会发生突变的情况。当转速改变时,振动会的幅值会发生突变突;4)除包含低频振动成分以外,支座松动还是以基频为主,同时可能有倍频的成分15。三、总结随着机械行业的发展,转子在机械中的地位越来越重要,针对转子在日常工作中的三种典型故障进行分析与研究。至今为止依然不断的有人进行探索并对其中的不足加以修正和改进使其应用范围越来越广。随着对转子工作要求的不断提高,保证转子的工作时间也需要提高。参 考 文 献1、陈书凯.转子系统振动故障分析与诊断D.南京航空航天大学,2005.2、杨文瑛.基于经验模态分解的转子故障信号熵特征提取研究D.兰州理工大学,2012.3、Thermoelastic Modeling of Rotor Response With Shaft Rub4、周扬.基于振动信号分析的转子故障诊断方法研究D.南京航空航天大学,20145、马文朋.基于振动分析的民航发动机转子系统故障诊断研究D. 天津大学,2015.6、Analysis of the Reliability of a Jet Engine Compressor Rotor BladeCompressor Rotor Blade Containing a Fatigue Crack7、霍天龙.基于支持向量机的转子系统故障诊断方法研究D.兰州理工大学,2011.8、欧阳运芳.旋转机械状态监测与故障诊断中信号分析方法及应用研究D.哈尔滨工业大学, 2001.9、田静,许宝杰.基于转子实验台的典型故障信号模拟与分析J.北京信息科技大学学报(自 然科学版),2005,20(3):1-4.10、周丽芹,刘建丽,王立红.基于转子实验台的典型故障信号模拟与分析J.振动、测试与 诊断,2004,24(2):131-134.11、刘文彬,郭瑜,郑华文.基于短时傅里叶变换的油膜振荡故障识别J.中国测试,2008,3 4(2):105-107.12、陈培磊.航空发动机转子故障振动特征的试验研究D.沈阳航空工业学院,2009.13、EI-Shafei,A.S.EI-Kabbany,A.A.Younan,Rotor Balnacing Without Trial WeightsJ.Eng.Gas Turbines Power14、于昊.基于 LMD 和 HMM 的转子故障诊断方法D.兰州理工大学,2012 15、侯捷.基于电机电流转子轴承系统故障诊断方法研究D.太原理工大学,2015基于转子试验台的典型故障信号分析Analysis of Typical Fault Signals Based on Rotor Test Bench摘要随着现代工业飞速发展,旋转机械被越来越广的应用到企业生产之中,旋转机械被广泛地应用于企业生产的各种机械装置中,对机械的生产过程的顺利完成起到了关键性作用。由于旋转机械的复杂性, 在工作中经常会产生各种故障,如果不能及时发现和处理,会使机械设备丧失可靠性及其正常的生产功能,带来难以估量的的经济损失。这使得人们认识到对旋转机械的监测与故障诊断的重要性,并对旋转机械关键部件故障的分析技术也提出了更高要求。本文以实验台的模式对转子的几种故障做了深入研究:(1)研究转子实验台的构造,以及转子不对中、不平衡、基座松动三种故障的机理,为轴心轨迹的识别打下基础。(2)频域时域、轴心轨迹等方法对故障信号分析并进行对比。针对轴心轨迹的图像特征,利用轴心轨迹方法对转子不平衡、不对中、基座松动现象进行了深入研究,并在转子试验台上仿真了三种常见的轴心轨迹图形。(3)在转子试验中进行复合故障信号分析,发现主要是不对中、基座松动两种故障的复合故障,用 ICA 分离故障信号,从而可以获得各自的故障信号。关键字:旋转机械;MATLAB;故障分析;复合故障IAbstractWith the rapid development of modern industry, rotating machinery is more and more widely used in the production of enterprises, rotating machinery is widely used in enterprises to produce a variety of mechanical devices, the mechanical production process has played a key success effect.Due to the complexity of rotating machinery, often in the work of a variety of failures, if not timely detection and processing, mechanical equipment will lose the reliability and its normal production function, bring huge economic losses, more serious even Will lead to major personnel safety incidents. This makes the recognition of the importance of monitoring and fault diagnosis of rotating machinery and the higher requirements for the analysis of key components of rotating machinery.In this paper, several faults of the rotor are studied in detail:(1) The structure of the rotor test bed and the mechanism of the three faults of the rotor misalignment, the imbalance and the base loosening are studied, and the identification of the axis(2) the use of frequency domain time domain, axis trajectory analysis of fault signals and compared. According to the image features of the axial trajectory, the axial unmotor, the misalignment and the loosening of the base are studied deeply by using the axial trajectory method, and three common axial trajectories are simulated on the rotor test bed.(3) In the rotor test for complex fault signal analysis, found that the main is not on the base loose two kinds of fault complex fault, with ICA separation fault signal, which can get their own fault signal.Key words: rotating machine;MATLAB;fault analysis;complex fault- II -目录- I -摘要IAbstractII1 绪论11.1 论文工作的理论意义和应用价值11.2 目前研究的概况和发展趋势11.3 论文的主要内容32 MATLAB 的应用42.1 MATLAB 简介42.2 MATLAB 应用42.3 matlab 工具介绍73 转子实验台构造及机理分析93.1 转子实验台的构造93.2 转子故障机理103.2.1 转子不平衡的原因及机理103.2.2 转子不对中的原因及机理103.2.3 转子基座松动的原因及机理114 转子故障分析及仿真134.1 转子信号分析方法134.1.1 频域分析方法134.1.2 轴心轨迹分析方法134.2 转子故障仿真信号分析134.2.1 频域及轴心轨迹应用134.2.3 小结215.基于 ICA 分离信号及复合故障225.1 ICA 信号分离概念225.2 ICA 分离信号仿真及应用225.2.1 小结286结论29参考文献30附录 1外文翻译32附录 2外文原文39致谢44基于转子试验台典型故障信号分析1 绪论1.1 论文工作的理论意义和应用价值机械类型中包含着作旋转运动的零部件,此类部件统称为旋转体。在理想条件下、轴承在旋转与不旋转的情况下受到的压力相同,此类旋转体称为平衡旋转体1。此类工程中应用的旋转体由于很多原因会产生误差,容易导致旋转体产生噪音,造成严重的后果。因此,对基于转子试验台典型故障信号分析具有非常重大的研究意义2。随着计算机的稳步发展,以及科学水平和工业技术对机械行业的进一步深化,机械设备正有效地将自动化、大型化、高速化和智能化等多方面优势进行结合,伴随着各种功能的强大化,其机械结构复杂趋势再所难免,同时在振动强度等方面的问题的思考也越发重要3。在旋转机械制造过程中,故障特征提取与分析技术显得尤为重要,其重要性不亚于其他现代先进制造技术,例如常见的计算机辅助设计与制造技术、计算机集成技术和柔性制造技术等。随着与故障特征提取与分析相关理论的不断完善,以及各学科间融合程度的不断加深,特别是自动控制技术、嵌入式技术、信号处理技术、系统工程技术、计算机辅助设计技术以及人工智能等相关技术发展,也使得故障特征提取与 分析技术的研究内容逐渐延伸开来,主要涉及到的相关领域包括电子计算机技术、信号采集与信号处理技术、传感器与检测技术、故障机理研究以及自动控制与分析技术等4。1.2 目前研究的概况和发展趋势随着科学技术的进步与飞速发展,工业设备与系统不断向着大型,高效率,高性能和高自动化方向的发展。作为工厂的关键设备,大型旋转机械如汽轮机,发电机,涡轮机和离心式压缩机等,都价值不菲,在社会经济中占有很重要的地位5。虽然这些设备的安全系数不断提高,但由于工作环境等其他条件,使得它的一些部件可能出现故障, 一旦出现故障,轻则会有经济损失,而重则会酿成机毁人亡的大事故,为了解机械设备的情况,减少或避免事故的发生,及时了解设备的工作情况,预防事故的发生,发挥出设备的潜在能量。这就对设备工况监测和研究提出了较高要求。在旋转机械故障诊断中,最经常碰到的且影响最大的就是振动故障。旋转机械中的振动主要有两种形式:一是强迫振动,它是由于转子不平衡,联轴节不对中,安装偏差造成的,其振动频率为转子的回转频率及其倍频。在转子临界速度前,其振幅随转速增大而增大,超过临界速度,振幅减小。在临界速度处有一共振峰;二是自激振动,其振- 9 -动频率低于转子的回转频率。由于这种差异,在转子与定子中产生交变应力。自激振动常常在某个转速下(大于临界转速)突然发生,往往构成突发性故障。在国内常用的信号分析和处理方法有:时域分析,如相关分析,幅值分析,统计特征参数分析,波形分析; 频域分析,如功率谱分析,倒谱分析,细化谱分析;回顾国内外专家和学者在旋转机械故障特征提取和故障诊断方面的研究6,可以将故障特征提取技术的发展历史分为如下四个阶段:第一阶段 ,20 世纪 60 至 70 年代 ,长期恶劣的运行环境导致旋转机械出现的各类故障,利用简单的信号分析仪器再加上人类有限的经验知识对常见的故障信号进行分析诊断,解决了部分旋转机械失效的问题。第二阶段,20 世纪 70 至 80 年代,随着数字电路、计算机技术以及信号处理技术的发展,同时,随着 FFT 算法的提出,使得频谱分析的运算速度成倍提高。因此就出现了简单频谱分析仪,进一步提高了故障信息采集与分析的准确性。第三阶段,20 世纪 80 至 90 年代 ,随着一些相关技术的发展,特别是嵌入式技术、现代检测技术、信号处理技术、模式识别技术与信号特征估计技术等相关的现代科学技术的迅速发展,许多发达国家投入巨大的人力和物力研究旋转机械故障特征提取与分析技术;因此,旋转机械设备故障特征提取与分析技术研究进入了系统化的阶段。第四阶段,自 20 世纪 90 年代以来,计算机价格不断下降,数据处理速度不断提升, 为工业上应用状态预测创造了有利的条件。同时,随着计算机网络技术的快速发展,使得基于因特网的远程监测与分析系统越来越多的出现在工业领域7。在我国,国内外的很多专家学者对转子轴承系统出现故障时的特性都做了一定程度的研究。李全坤等建立了带有中介支承的双转子不对中故障系统动力学模型,利用解析分析、数值分析和实验验证,揭示了双转子系统存在平行、角度不对中故障时,高、低压转子的振动特性。张娅等教授用了计及回转效应、剪切效应及横向扭转的梁单元建立了实验装置转子的有限元分析模型,研究了不同类型轴承支撑下的转子碰摩故障振动特征。钟志贤采用 Rayleigh 方法计算横向裂纹轴单元的刚度模型,基于有限元法建立具有横向裂纹的多盘柔性转子-轴承系统的数学模型.分析裂纹对多盘柔性转子-轴承系统的动力特性的影响,研究由于裂纹的存在而产生的超谐波共振和亚谐波共振。加拿大科学家 king,g 等提出了一种利用快速正交搜索检测的感应电动机转子故障方法(FOS)。李振平等人在 2004 年,对旋转机械的不对中和不平衡进行了研究,得到了发生这两种故障时候的动力学关系,并且得到了故障与扭矩之间的一些特征关系,不仅建立了仿真模型,还对故障进行了真实实验模拟,实验的结果基本与理论分析保持一致8。顾卫东等人按照实际情况和模型的状况,建立了真实的试验台,对转子不平衡时候的特征进行了研究,发现适当增大转子不平衡量、减小轴承长径比、降低润滑油黏度、减小轴承间隙会提高转子轴承系统的稳定性9。1.3 论文的主要内容(1)认识转子实验台的构造与典型故障原因。(2)在转子故障分析中,应用轴心轨迹法、时域法、频谱法等方法,对于一些实例中的方程做简单的 Matlab 仿真。(3)使用 matlab 对不对中、不平衡、基座松动等故障信号进行信号分析。(4)用 ICA 分离信号对复合故障信号进行分离。2 MATLAB 的应用2.1 MATLAB 简介MATLAB(Matrix Laboratory),是一种以矩阵的模式处理数据的科学计算软件。很多领域都在大量的使用仿真、分析、设计等 matlab 处理方式,可以对问题得到有效的结果。 Matlab 应用领域。1 数值分析2 数值和符号计算3 工程与科学绘图4 控制系统的设计与仿真5 数字图像处理6 数字信号处理7 通讯系统设计与仿真8 财务与金融工程matlab 它在应用数学以及相关学科的计算分析软件中独树一帜,不光是在数值计算方面尤其突出,更是在人机交流能力上十分强大。在业内的计算软件中,matlab 已经逐渐成为了行业的领头羊。matlab 的实用领域很多,大概包含矩阵的分析运算、二维以及三维函数图像的绘制、算法的编辑与实现、人机界面的交互、与其它通领域的编程语言进行换算交流等等。除此之外,还可以应用在机械制造领域与工业工程计算、控制工程自动化控制系统、各种声波信号与超声波信号的处理和通讯、数字图像处理、未知信号检测、经济层面上的金融计算设计与分析等相关技术研究上面10。2.2 MATLAB 应用% 仿真信号轴心轨迹sf=800;%采样频率;N=512;%采样点数t=0:1/sf:1;x=6*sin(60*pi*t)+8*sin(120*pi*t+pi/6);% 信号 Ay=8*sin(60*pi*t+pi/2)+3*sin(120*pi*t+pi/4);% 信号 B figuresubplot(2,1,1);plot(t,x);xlabel(时间 t (s);ylabel(幅值 x(cm);title(A 的波形图); grid on; subplot(2,1,2);plot(t, y, g);xlabel(时间 t (s);ylabel(幅值 y(cm) );title(B 的波形图); grid on;%轴心轨迹图figure plot(x,y,b)title(轴心轨迹); % 图形标题grid on; clc;fs=800;%设定采样频率N=512;%采样点数n=0:N-1;t=n/fs; y=8*sin(60*pi*t+pi/2)+3*sin(120*pi*t+pi/4);%进行 FFT 变换并做幅频谱yy=fft(y,N);%进行 fft 变换py1=yy/512;py2=py1*2;%单边谱乘以 2 mag= abs(py2) ;%求幅值f=(0:256)*800/512;figure subplot(2,1,1);plot(f,mag(1:257);%做幅频谱图xlabel(频率(Hz);ylabel(幅值);title(B 的幅频谱); grid;图 1.1时域图图 1.2频域图图 1.3轴心轨迹图2.3 matlab 工具介绍Plot(X,Y) 画出以向量 X 为横坐标,向量 Y 为纵坐标的图形loglog双对数曲线clear清除内存中所有变量与函数Fplot(fun,xmin xmax)画出函数 fun 在区间xmin xmax内的图像Fplot(fun,xmin xmax ymin ymax) 对 Y 也有限制,fun 必须是函数 M(文件名) subplot 子图分割命令 调用格式:subplot(m,n,p) 按从左至右, 从上至下排列figure(n) 创建窗口函数,n 为窗 口顺序号title 给图形加标题xlable 给 x 轴加标注ylable 给 y 轴加标注text 在图形指定位置加标注gtext 将标注加到图形任意位置legend 添加图例axis 控制坐标轴的刻度axis(xmin xmax ymin ymax) 用行向量中 给出的值设定坐标轴的最大和最小值。lot 绘制函数图函数fplot 的调用格式: fplot(fun,lims) 绘制函数 fun 在 x 区间 lims=xmin xmax的函数图。ezplot 符号函数的简易绘图函数 ezplot 的调用格3 转子实验台构造及机理分析3.1 转子实验台的构造图 2.1小型转子实验台照片1)底座2)主轴3)飞轮4)直流电机5)主轴支座6)含油轴承及油杯7)电机支座8)联轴器及护罩9)RS9008 电涡流传感器支架10)磁电转速传感器支架11)测速齿轮12)保护挡板支架不平衡、不对中。基座松动故障。这三个转子故障状态的振动数据是在小型转子实验台上仿真得到的。采样频率为 1000Hz ,转子的工作转速为 2550r/min,对应工频为42.5Hz。信号由靠近转子水平方向的涡流传感器测取。分析点数为 512 点11。转子试验台分别仿真三种转子故障信号,分别为转子不对中,转子早期碰磨,转子基座松动三类信号。分别对每种故障转子仿真信号作其时域波形与频域波形,寻找三种不同种类的故障在时域和频域波形中是否有明显的区别,从而可以辨识出它们的不同转子故障种类,达到分析转子不平衡、不对中、基座松动等现象的发生。3.2 转子故障机理3.2.1 转子不平衡的原因及机理造成转子不平衡的主要原因,部件存在质量偏心(生产造成)或工作损坏。由不平衡所造成的机械故障较为常见,以下具体分析及不平衡的各种原因。第一类为转子生产材料存在的制造误差导致转子不平衡或与其他部件进行装配时产生的装配误差,此类误差导致的不平衡统称为原始不平衡。第二类由于转子上存在不均匀结垢,以及不均匀沉积在转子上的粉尘等颗粒,会导致转子磨损加快,此类型统称为渐发性不平衡。第三类由于转子上零部件发生脱落或存在难去除异物,其运转过程中会造成卡塞, 其振值会突然增大,此类型统称为突发性不平衡。图 2.2转子不平衡原理影响离心力大小的因素有;偏心质量 m 转角速度偏心质量 m 以及偏心距 e。导致不平衡产生振动的主要原因是在转子运动过程中有大小和方向都呈周期变化的交变力存在,其产生的振动频率与转速相同。3.2.2 转子不对中的原因及机理图 2.3转子不对中形式- 19 -在机械中转子与转子间连接是用联轴节,如果转子与转子间不在同一直线上,就简称此类故障为轴系不对中。通常在一些大型机械中,都是由很多个转子所组成的,在各个转子间都是用联轴器连接,构成轴系,传递各个部件之间的运动和转矩。转子不对中有可能由热膨胀、安装误差、机器的不均匀沉降等导致。不对中方式有轴承不对中、轴系不对中,其中轴承不对中会产生工频震动,其表现形式如图所示12。齿面的法向力为 FN= M k d1=cosaM Kd cosa由齿面啮合摩擦力矩为M= mF d = m M Kd = m M KFNd cosacosa中间齿套倾斜的力矩M 为 M= F b =bM KcosjTT =Nd cosa设M 与M 在同一平面内且相互垂直,其产生的径向分力为 F = M F 及 F = M TFTFLTL轴承所受的附加径向力为 Fx =F 2 + F 2 =(M F2 + M2 / L2TFT最大附加轴向力为 Fy max= mFN= m M k maxd cosa根据以上公式可知,当机械轴系转子与转子连接超差时,这时会出现转子的振动以及轴承的损坏。3.2.3 转子基座松动的原因及机理造成转子基座松动的主要原因是紧力不足以及当温度升高作用下产生较大间隙。其导致系统出现连接刚度不足和振动过大等一系列问题。可以通过适当的加强螺栓的强度或添加防松部件有效控制13。图 2.4转子基座松动原理如图 2.4 所示,当有较大间隙存在与轴承套与壳体间,由离心力作用轴承套会产生周期变形,整体会发生不连续位移,其主要会影响油膜稳定性。xO图 2.5庄子支承系统图 2.5 为一典型的庄子支承系统,设其右端轴承配合松动,间隙量为D 。若不考虑转轴质量,可将间隙D 折算到圆盘处记为 Co。转子的运动方程为mx + kx = F (x) + QxkCo(x Co) F (x) = kx(-Co x Co)- kCo(x 第三峰值能量第一峰值能量;故障频率主要为二倍频 100Hz。(二)转子不平衡故障的频谱能量集中在第一个峰值,倍频的能量很小,故障频率为一倍频 100Hz。(三)基座松动故障的频谱能量集中在前三个峰值,但第一峰值能量第三峰值能量;并且高频也具有能量分布。故障频率表现为二倍频100Hz 最大,其余高倍频能量也成递减分布,能量带较宽15。所以从转子不同故障频谱的频谱特征来看,可以分辨出三种故障的不同之处,能够区分三种故障,但是区分度不明显,特别是不平衡和不对中故障的区分度相对偏小,容易造成故障误判。4.2.2 轴心轨迹分析下面分别对三种故障信号做轴心轨迹,查看轴心轨迹对三种转子故障信号区分度。图 3.7转子不对中的轴心轨迹图 3.7 为转子不对中故障信号的轴心轨迹,其图形为双椭圆的环形相扣叠加而成比较密集。图 3.8转子不平衡的轴心轨迹图图 3.8 是转子不平衡故障信号的轴心轨迹图,轴心轨迹呈不规则形状。- 29 -图 3.9 转子基座松动的轴心轨迹图图 3.9 是基座松动故障信号的轴心轨迹,呈现不规则的多个椭圆的重合。从转子不对中故障,基座松动故障,碰磨故障的轴心轨迹可以看出每种故障的轴心轨迹具有各自的形状特征,并且轴心轨迹图的区分度十分明显,所以可以利用轴心轨迹简单准确的辨识转子发生了哪一种故障。4.2.3 小结根据仿真试验及 Matlab 信号分析发现,转子经常发生的不对中故障、不平衡故障、基座松动故障在时域信号图上没有明显的差异,无法从时域图形中辨识三种故障。在转子不对中故障、不平衡故障、基座松动故障频谱上,具有不明显的区分度,区分效果不理想,容易造成故障误判现象。从转子不对中故障、不平衡故障、基座松动故障的轴心轨迹来看,不同的轴心轨迹对应着不同的故障类型,并且三种轴心轨迹都能很好的得到区分。5.基于 ICA 分离信号及复合故障5.1 ICA 信号分离概念在很多机械状态监测与故障诊断中,需要去获取大量监测与诊断设备的各种信息, 这样能快速发现机器出现故障的关键因素。为了找到许多故障信息,这样需要很多测量的到的结果,机械在运行中会出现许多信号的瞬时叠加,这种顺势信号会给监测与故障分析带来很多困难,讲这种信号加以分析与处理是非常必要,而解决这种信号分离问题必须用到 ICA16。独立分量分析(independent component analysis,ICA)是一种盲源分离技术,其基本目标在于寻求某种变换,使变换后哥分量间尽可能统计独立。从概念上,ICA 可视作是主分量分析 PCA 的高阶扩展 PCA 在正交约束下利用信号二阶统计信息对高斯型数据的描述,不适用于强烈的非高斯特性数据的分析。ICA 则是一个强有力的非高斯数据分析工具,具有独特优势,它可以在无正交限制条件下抽取信号的统计独立分量,对数据进行深层次分析。ICA 模型标准 ICA 的数学模型为: x = As这里 x 为 N 维观测信号, A R N 实常数混合矩阵,s 为由M ( N M )维统计独立的型号分量构成的信号向量。ICA 的目的是在只知道观测信号的情况下,获得解混矩阵。5.2 ICA 分离信号仿真及应用信号时域频域图clear; close allt=0.005:0.005:1;x1=sin(2*pi*30*t); x2=sin(2*pi*80*t); x(1,:)=2*x1+1*x2; x(2,:)=1*x1+3.5*x2; dt=0.005;xhplot(x1,dt); xhplot(x2,dt); xhplot(x,dt);nonlinearity = pow3;%nonlinearity = tanh;ss,Aa, W = fastica(x,numOfIC, 2, approach, defl, g, nonlinearity, displayMode, off);% plot(fuheguzhang1-ss)% ss(2,:)=fuheguzhang1-ss;xhplot(ss(1,:),dt); subplot(1,2,1)title(不对中故障 x 方向时域图);图 4.1频谱图图 4.2频域图图 4.3时域频域图对转子不对中与转子基座松动的复合故障,用 matlab 做出时域频域图,并用 ICA 的分离方法进行信号分离,可以更加清楚地观察出是哪一种故障。%独立分量分析-复合转子故障分析clear; close all clc;load(fuheguzhang.mat); dt=0.000384;fuheguzhang1=fuheguzhang(1,:);fuheguzhang2=fuheguzhang(2,:); xhplot(fuheguzhang1,dt);subplot(1,2,1)title(复合故障 x 方向时域图); subplot(1,2,2) title(复合故障 x 方向频域图);% T=wpdec(fuheguzhang1,2,db40);% %对信号 y 进行小波包分解,层数为 5,得到的 T 为小波树,plot 一下就可看到% a(1,:)=wprcoef(T,2,0);% a(2,:)=wprcoef(T,2,1);% a(3,:)=wprcoef(T,2,2);% a(4,:)=wprcoef(T,2,3);% 复合故障分离nonlinearity = pow3;%nonlinearity = tanh;ss,Aa, W = fastica(fuheguzhang,numOfIC, 2, approach, defl, g, nonlinearity, displayMode, off);% plot(fuheguzhang1-ss)% ss(2,:)=fuheguzhang1-ss; dt=0.000385;xhplot(ss(1,:),dt); subplot(1,2,1)title(不对中故障 x 方向时域图); subplot(1,2,2) title(基座松动 x 方向频域图); xhplot(ss(2,:),dt);subplot(1,2,1)title(分离第二故障 x 方向时域图); subplot(1,2,2) title(分离第二故障 x 方向频域图);% 复合故障轴心轨迹fs=8000;speed=3000;%这里插入转速工况naxis=2;% 轴 数 , dim=3;%设定局部区域参数npeak=5;%频谱图上提取峰值个数% %图片幅值设置fheight=0,200;fwidth=0,100; theight=-200,200;twidth=0,16;xyheight=-200,200;xywidth=-200,200; wx=0,200;wy=20,300;wz=0,30; hx=0,300;hy=0,30;data=fuheguzhang; txet= 复 合 故 障 轴 心 轨 迹 图 ; fc=2.5*speed/60;%轴心轨迹截断频率,%生成轴心轨迹图axisxy2(data,fs,fc); title(txet);在实际转子系统工作时,往往并不是只存在单一的故障,而是多种故障同时存在, 图 4.4 是转子不对中+松动的复合故障的时域图和频域图,在时域图中,不能够分别信号存在什么故障。在频域图中,主要变现为二倍频 100Hz,很容易误判为不对中故障。图 4.4转子复合故障时域图和频域图转子复合故障信号经过 ICA 分离之后,能够将两种复合的故障分别分离来,从而可以用单一故障诊断的理论来进行转子复合故障的诊断。图 4.5 分离的第一故障信号时域图和频域图图 4.5 是分离的第一故障信号时域频域图,在频域图中可以看出分离出了 100Hz 的二倍频能量最大,同时高频也有能量分布,大致呈现依次递减,判定为松动故障。图 4.6 基座松动时域频域波形图图 4.6 是分离的第二故障信号时域频域图,在频域图中可以看出分离出了 100Hz 的二倍频能量最大,其余倍频能量较小,判定为转子不对中故障。从 ICA 分离的结果可以看出,经过 ICA 分离之后,再频域能够分辨出两种复合的故障,是一种有效的分离复合故障的方法。图 4.7分离的第二故障信号时域频域图图 4.7 是转子分离的复合故障的轴心轨迹图,是转子复合故障的轴心轨迹图,可以看出转子轴心轨迹并不是完整的一个椭圆,大致有四分之三是不规则的,出现明显的振动摆动。但并不能完全判断是哪一种故障。在小型转子实验台上仿真得到基座松动和不对中复合故障,分析频率为 1000Hz,转速 3000r/min,工作频率为 50Hz,采用加速度传感器测量信号。两个测点分别布置在远离电机和靠近电机的两端。对于复合故障信号,只能得到不对中的特征频率,而经过 ICA 分解以后各自频谱图17。5.2.1 小结根据仿真试验及 Matlab 信号分析发现,转子经常发生的不对中故障、不平衡故障、基座松动故障在时域信号图上没有明显的差异,无法从时域图形中辨识三种故障。在转子不对中故障、不平衡故障、基座松动故障频谱上,具有不明显的区分度,区分效果不理想,容易造成故障误判现象。转子轴心轨迹的形状是判断转子运行状态和故障征兆的重要根据。转子轴心轨迹是指转子上轴心一点相对于轴承座运动而形成的轨迹。从转子不对中故障、不平衡故障、基座松动故障的轴心轨迹来看,不同的轴心轨迹对应着不同的故障类型,并且三种轴心轨迹都能很好的得到区分。转子复合故障在实际中是多见的,通过 ICA 分离复合故障信号,在频域能够分辨出是哪种单一故障。结论机械行业正在蓬勃发展,在高速发展的过程中转子的工作环境越来越困难,因此对机械转子的故障诊断变得越来越重要。转子在发生故障时会出现机器的振动以及噪声, 这是非常重要的故障特征,振动信号从频域,频域及轴心轨迹等都能有效的反映故障信息。本文对转子故障分析方法进行介绍及研究,现将本文的工作总结如下:(1)在分析故障转子中需要先进行 matlab 的学习,在分析转子故障中,时域法、频谱法、轴心轨迹法都需要用 matlab 进行实现,从最初只能识别简单的函数到现在可以独立完成一些代码编写。到用 matlab 的软件可以跟仪器实际做一些与转子有关的实验,同时也对开始时提出的转子不对中、不平衡、基座松动等故障原因进行了实验的验证。我也对转子的三种典型故障进行深入的研究,分析机理更加掌握三种故障的原因及现象。(2)在一些机械诊断中监测的过程中,我么需要去获取大量监测与诊断设备的各种信息,为了能快速的发现机器出现的故障是关键因素,为了找到很多故障,我们需要大量检测结果运用时域频域、轴心轨迹等方法对故障信号进行对比,可以更加方便有效的对三种故障进行深入研究,也可以方便更快的了解机器是哪一种故障,进行维修预处理。而这种方法至适合出现一种故障信号时,当出现许多故障信号的瞬时叠加时,这种信号分析和处理是非常长困难的,解决这种信号需要 ICA 独立分量分析,这样可以轻松的分离复合故障信号再进行单独分析。其中虽然研究了时域、频域、轴心轨迹三种故障分析方法,但都是经典的故障诊断分析技术,对线性系统的故障诊断较为有用。但在实际生活中都会含有不同的非线性因素,目前的这些方法对这些特征的分析还不是很清晰。现在除了时域分析以及频域分析法外,还有很多新兴的故障分析技术,如自适应 AR 模型法、分段平稳 AR 法等,但这都还处于不断的完善中,也是我以后将要深入研究的课题。参考文献1、陈书凯.转子系统振动故障分析与诊断D.南京航空航天大学,2005. 2、杨文瑛.基于经验模态分解的转子故障信号熵特征提取研究D.兰州理工大学,2012. 3、Thermoelastic Modeling of Rotor Response With Shaft Rub4、周扬.基于振动信号分析的转子故障诊断方法研究D.南京航空航天大学,20145、马文朋.基于振动分析的民航发动机转子系统故障诊断研究D. 天津大学,2015.6、Analysis of the Reliability of a Jet Engine Compressor Rotor BladeCompressor Ro tor Blade Containing a Fatigue Crack 7、霍天龙.基于支持向量机的转子系统故障诊断方法研究D.兰州理工大学,2011. 8、欧阳运芳.旋转机械状态监测与故障诊断中信号分析方法及应用研究D.哈尔滨工业大学, 2001.9、田静,许宝杰.基于转子实验台的典型故障信号模拟与分析J.北京信息科技大学学报(自然科 学版),2005,20(3):1-4.10、周丽芹,刘建丽,王立红.基于转子实验台的典型故障信号模拟与分析J.振动、测试与诊断, 2004,24(2):131-134.11、刘文彬,郭瑜,郑华文.基于短时傅里叶变换的油膜振荡故障识别J.中国测试,2008,34(2): 105-107.12、陈培磊.航空发动机转子故障振动特征的试验研究D.沈阳航空工业学院,2009. 13、EI-Shafei,A.S.EI-Kabbany,A.A.Younan,Rotor Balnacing Without Trial WeightsJ. 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