【畢業(yè)學(xué)位論文】(Word原稿) 轉(zhuǎn)子耦合故障振動信號的盲分離技術(shù)研究-載運工具運用工程航空器運行監(jiān)測與故障診斷

中圖分類號 : 論文編號 1028707 11科分類號 : 082304 碩士學(xué)位論文 轉(zhuǎn)子 耦合故障 振動信號的 盲分離技術(shù)研究 研究生姓名 曲秀秀 學(xué)科、專業(yè) 載運工具運用工程 研究方向 航空器運行監(jiān)測與故障診斷 指導(dǎo)教師 陳 果 教授 南京航空航天大學(xué) 研究生院 民航 學(xué)院 二 一 一 年 三 月 A u of 2011 承諾書 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含任何他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 本人授權(quán)南京航空航天大學(xué)可以有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱 ,可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。 (保密的學(xué)位論文在解密后適用本承諾書 ) 作者簽名： 日 期： 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 I 摘 要 現(xiàn)代航空發(fā)動機為了追求高的性能和高的推重比，結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，工作環(huán)境也越 發(fā) 苛刻，造成 發(fā)動機在高速運 轉(zhuǎn) 過程中，振動 異常 而出現(xiàn)故障 ，特別是其 核心部件 轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 。 然而，龐大復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使得發(fā)動機運行時產(chǎn)生的振動信號往往不是一個單獨的振動信號，而是包含多個 故障 源 的 振動信號。于是， 如何 分離并 提取 各 故障 信號，成為航空發(fā)動機實時狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的前提和關(guān)鍵。 本文針對轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 耦合故障 的振動特性， 首先建立了動力學(xué)模型進行非線性特性分析，然后，將 現(xiàn)有的盲源分離算法應(yīng)用 到轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 耦合故障 診斷。 本文 具體 研究工作 如下 ： （ 1）系統(tǒng)地介紹了盲源分離（ 基本理論及其典型算法 法，重點突出了它在機械設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用性能 ； （ 2）建立了 耦合故障 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)模型， 模型中將轉(zhuǎn)子考慮為兩端無約束的等截面自由歐拉梁模型，并考慮 不平衡、碰摩、裂紋及基礎(chǔ)松動四種主要故障 ，建立系統(tǒng)運動微分方程，運用模態(tài)截斷法， 結(jié)合 數(shù)值積分法獲取轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的響應(yīng) ； 同時運用 多功能轉(zhuǎn)子實驗 臺 進行了 模型 驗證 ； 最后， 利用分 岔 圖等 對 耦合故障 轉(zhuǎn)子 系統(tǒng)的 動力學(xué)行為 特征 進行了詳細的研究 ； （ 3）研究了盲源分離（ 論在轉(zhuǎn)子故障診斷中的應(yīng)用。 文中 利用所建系統(tǒng)模型 和 模擬轉(zhuǎn)子 不平衡、碰摩、裂紋及基礎(chǔ)松動四種 耦合故障， 分別 獲取 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動響應(yīng)；最后對仿真和實測兩類 轉(zhuǎn)子 振動數(shù)據(jù)進行了分離試驗研究 。 關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)子 系統(tǒng) ，耦合故障，振動信號，盲源分離，故障診斷 轉(zhuǎn) 子耦合故障振動信號的盲分離 技術(shù)研究 n of of is at to of of by s is a f it is of of an in a to of of a of of to of is as (1)is in (2) A of In s is to to of (3) is in of by 京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 錄 摘 要 . I . 錄 . 、表清單 . V 注釋表 . 一章 緒論 . 1 題研究的背景及意 義 . 1 究現(xiàn)狀 . 2 子系統(tǒng)耦合故障研究現(xiàn)狀 . 2 源分離技術(shù)的研究現(xiàn)狀 . 3 文的主要研究內(nèi)容 . 5 第二章 盲源分離基本理論與算法 . 6 源分離數(shù)學(xué)模型 . 6 立分量分析 （ . 7 立分量分析的基本假設(shè) . 7 于非高斯化的獨立分量分析方法 . 8 法 . 9 法的數(shù)據(jù)預(yù)處理 . 9 法理論 . 10 源分離問題的兩個不確定性 . 11 分離技術(shù)的應(yīng)用 . 12 章小結(jié) . 13 第三章 轉(zhuǎn)子故障耦合系統(tǒng)動力學(xué)分析 . 14 耦合故障的連續(xù)梁轉(zhuǎn)子 . 14 平衡故障模型 . 17 摩故障模型 . 17 動故障模型 . 18 紋故障模型 . 18 承力模型 . 20 型驗證 . 21 合故障非線性動力學(xué)行為分析 . 22 碰摩與裂紋的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動力學(xué)分析 . 23 松動與裂紋的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動力學(xué)分析 . 25 章小結(jié) . 28 第四章 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)耦合故障信號盲分析 . 29 子故障實驗 . 29 子信號 采集 實驗臺介紹 . 29 轉(zhuǎn) 子耦合故障振動信號的盲分離 技術(shù)研究 不平衡故障實驗 . 32 摩故障實驗 . 32 礎(chǔ)松動故障實驗 . 34 紋故障實驗 . 34 子系統(tǒng)故障的仿真信號盲分離 . 35 平衡 . 35 平衡 . 36 平衡 基礎(chǔ)松動耦合故障分離 . 37 平衡 裂紋耦合故障分離 . 38 子系統(tǒng)故障的實驗數(shù)據(jù)盲分離 . 40 平衡 . 40 平衡 . 41 平衡 基礎(chǔ)松動耦合故障分離 . 41 平衡 裂紋耦合故障分離 . 42 章小結(jié) . 43 第五章 總結(jié)與展望 . 44 文工作總結(jié) . 44 作展望 . 44 參考文獻 . 45 致 謝 . 50 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 . 51 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 V 圖、表清單 圖 性 瞬時混合模型 原理圖 6 圖 法計算流程 圖 11 圖 耦合故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 動力學(xué)模型 14 圖 續(xù)梁轉(zhuǎn)子受力示意圖 15 圖 子碰摩故障動力學(xué)模型示意圖 17 圖 礎(chǔ)松動故障動力學(xué)模型示意圖 18 圖 軸裂紋故障動力學(xué)模型示意圖 19 圖 紋轉(zhuǎn)子模型 19 圖 子實驗臺實物圖 21 圖 子實驗臺示意圖 21 圖 子響應(yīng)瀑布圖 22 圖 同裂紋深度下系統(tǒng)響應(yīng)隨轉(zhuǎn)速變化的 分岔圖 23 圖 同裂紋深度下系統(tǒng)響應(yīng)隨轉(zhuǎn)速變化的 分岔圖 (含碰摩 ) 24 圖 同 裂紋深度下系統(tǒng)響應(yīng)隨轉(zhuǎn)速變化的 分岔圖 (含松動 ) 25 圖 松動端轉(zhuǎn)軸軸心軌跡 26 圖 松動端轉(zhuǎn)軸軸心軌跡 26 圖 s/ 時轉(zhuǎn)子系統(tǒng)響應(yīng) 27 圖 s/ 時轉(zhuǎn)子系統(tǒng)響應(yīng) 27 圖 s/ 時轉(zhuǎn)子系統(tǒng)響應(yīng) 28 圖 3紋時 s/ 時轉(zhuǎn)子系統(tǒng)響應(yīng) 28 圖 子實驗臺及傳感器安裝 29 圖 驗裝置信號采集原理圖 30 圖 電傳感器組成示意圖 30 圖 渦流工作原理 圖 31 圖 驗裝置信號采集器實物圖 31 圖 子 不平衡實驗 32 圖 子碰摩裝置示意圖 32 圖 子 基座松動實驗 34 圖 子 裂紋實驗 34 轉(zhuǎn) 子耦合故障振動信號的盲分離 技術(shù)研究 平衡 35 圖 平衡 36 圖 平衡 36 圖 平衡 37 圖 平衡 松動耦合故障時轉(zhuǎn)子系統(tǒng)響應(yīng)混合信號 38 圖 平衡 松動耦合故障時轉(zhuǎn)子系統(tǒng)響應(yīng)分離信號 38 圖 平衡 裂紋 故障 時轉(zhuǎn)子系統(tǒng)響 應(yīng)混合信號 39 圖 平衡 裂紋 故障 時轉(zhuǎn)子系統(tǒng)響應(yīng)分離信號 39 圖 平衡 40 圖 平衡 40 圖 平衡 41 圖 平衡 41 圖 平衡 基礎(chǔ)松動耦合故障實測混合信號階次譜圖 41 圖 平衡 基礎(chǔ)松動耦合故障實測分離信號階次譜圖 42 圖 平衡 裂紋耦合故障實測混合信號階次譜圖 42 圖 平衡 裂紋耦合故障實測分離信號階次譜圖 42 表 由梁函數(shù)系數(shù) 16 表 子實驗臺主要計算參數(shù) 21 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 釋表 E, I, L, , A 轉(zhuǎn)軸的彈性模量、截面慣性矩、轉(zhuǎn)軸長度、轉(zhuǎn)軸密度、轉(zhuǎn)軸截面積 pp,碰摩接觸剛度 端軸承的支承反力 端軸承的支承反力 盤對轉(zhuǎn)軸的 x 和 y 向作用力 承幾何中心、轉(zhuǎn)子幾何中心、轉(zhuǎn)子質(zhì)心 轉(zhuǎn)子圓盤和靜子的間隙 e 質(zhì)量偏心量 R 轉(zhuǎn)軸半徑 a 轉(zhuǎn)軸裂紋深度 摩力在切向和法向的分量 ),( 轉(zhuǎn)軸在 面的的振動位移動變量 ),2/( 轉(zhuǎn)軸在 L/2 處 t 時刻的 x 向的振動位移 ),2/( 在轉(zhuǎn)軸的 L/2 處 t 時刻的振動速度 ),( 轉(zhuǎn)軸在 面的振動位移變量 ),2/( 轉(zhuǎn)軸在 L/2 處 t 時刻的 y 向的振動位移 ),2/( 轉(zhuǎn)軸在 L/2 處 t 時刻的 y 向的振動速度 ),( 轉(zhuǎn)軸在 L 處 t 時刻的 x 向的振動位移 ),( 在轉(zhuǎn)軸的 L 處 t 時刻的振動速度 ),( 轉(zhuǎn)軸在 L 處 t 時刻的 y 向的振動位移 ),( 轉(zhuǎn)軸在 L 處 t 時刻的 y 向的振動速度 轉(zhuǎn) 子耦合故障振動信號的盲分離 技術(shù)研究 L ，左端軸承座的垂向位移、速度 RR ，右端軸承座的垂向位移、速度 )( )(， 圓盤在 t 時刻的 x 方向的振動位 移，速度，加速度 )( )(， 圓盤在 t 時刻的 y 方向的振動位移，速度，加速度 )( )(在 面， 面的自由梁正交函數(shù)系 )( )(x， y 方向第 n 階模態(tài) )( ， )( )( )(二階導(dǎo)數(shù) 源分離 (立分量分析 (速獨立分量分析 （ 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 第一章 緒論 題研究的背景及意義 旋轉(zhuǎn)機械是一類被廣泛使用的機械設(shè)備 ，在許多行業(yè) （航空、 電力、石化、冶金、采礦等 )中，旋轉(zhuǎn)機械 都成為最關(guān)鍵和最核心的設(shè)備并起著舉足輕重的作用。而航空發(fā)動機作為一種最典型的高速旋轉(zhuǎn)機械，它是飛機的心臟。同時 隨著科學(xué)技術(shù)的 進步 ， 航空發(fā)動機的性能要求越來越高，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，這不僅促進了機械制造技術(shù)及設(shè)計技術(shù)的提高，同時 對設(shè)備的運行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)提出了更高的要求 。近年來，由于 航空發(fā)動機失去工作能力 引發(fā)的災(zāi)難性 飛行事故 發(fā)生過多起， 給國家造成極大的損失 。因此， 對 航空發(fā)動機 的運行實施有效地監(jiān)測和診斷是非常必要的，這已經(jīng)引起國家和有關(guān)專家的高度重 視。 當(dāng)然， 航空發(fā)動機 作為 典型的高速復(fù)雜旋轉(zhuǎn)機械，其核心部件是轉(zhuǎn)子和其支承系統(tǒng) 。 據(jù)統(tǒng)計，航空發(fā)動機 常見 故障中有 80%是 來自于轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 的 1； 只要 轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 異常振動 過大 ，就會造成 航空發(fā)動機能力 的 喪失 ， 從而 引發(fā)災(zāi)難性的 飛行事故。因此，必須加強對航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān) 測 和故障診斷研究 。目前 主要 的診斷方法 就 是振動分析法， 此方法是設(shè)備故障診斷方法中最有效、最常用的方 法 ； 如果測試結(jié)果 振動量過大，說明發(fā)動機制造、裝配質(zhì)量不高；也可能是發(fā)動機已 發(fā)生 故障的表現(xiàn)。 然而， 由于現(xiàn)代的航空發(fā)動機為了追求高的性能和高的推重比，在高 溫、高壓條件下高負荷、高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)也是日趨復(fù)雜，這就使得航空發(fā)動機在高速運行過程中，必然會導(dǎo)致各零部件的振動，使得 發(fā)動機在運行時產(chǎn)生的振動信號往往不是一個單獨的振動信號，而是 由 多個振動源信號 (包括各種噪聲 )混合 而成 ； 因此 說 ， 濾 除所有干擾， 將 有用 的 信息 正確提取 出來 并以此 作為故障診斷的依據(jù)，是發(fā)動機 運行 狀態(tài) 監(jiān)測與故障診斷的前提 2。 同時需要考慮的是，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障 種類繁多，形式多樣 ，在發(fā)生單一故障的同時還有可能出現(xiàn)多種類型故障的耦合情況，此時系統(tǒng)振動會急劇增加。當(dāng)然這時候的振動信號就包含著多個故障源信 號，還有噪聲。于是，引入盲源分離技術(shù)從觀測到的 混合 信號中將單一故障信號分離開來，已成為耦合故障診斷的必由之路。 所以 說，對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的耦合故障進行診斷具有極其重要的現(xiàn)實意義。 由此可見，利用 先進的 信號 處理 和 故障診斷 技術(shù)，對發(fā)動機振動信號進行特征提取， 能夠準確 獲取與轉(zhuǎn)子故障相關(guān)的信息 。這對于 正確識別轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 的 故障，提高航空發(fā)動機的運行安全性和可靠性，具有 非常 重要 的實際 意義。 轉(zhuǎn) 子耦合故障振動信號的盲分離 技術(shù)研究 2 究現(xiàn)狀 現(xiàn)代航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子故障診斷技術(shù)，主要涉及兩個方面：一是故障分析，二是故障識別 3。具體的就是說：首先根據(jù)轉(zhuǎn)子動力學(xué)原理分析 發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件工作以及出現(xiàn)故障時的振動機理，作為知識儲備；其次通過計算或者試驗獲取轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在故障激勵下的振動響應(yīng)，作為 待檢 樣本集；然后借助先進的信號處理和分析技術(shù)，對發(fā)動機 轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 振動信號進行特征提取，作為故障識別判據(jù)；最后將提取特征與儲備知識庫進行對比，完成故障的診斷工作。旋轉(zhuǎn)機械故障種類繁多，形式多樣，最常見的故障有以下幾種： 不平衡、碰摩、不對中、轉(zhuǎn)軸裂紋、基 座 松動、油膜振蕩、 滾動軸承故障等 ； 除了單一故障以外，還 會 出現(xiàn)各種類型的耦合故障。本文主要是針對 不平衡、碰摩、 基礎(chǔ)松動 及 裂紋 四種主要故障，進行轉(zhuǎn)子耦 合故障的盲辨識。 子系統(tǒng)耦合故障研究現(xiàn)狀 從 20 世紀 90 年代中期 ，就 開始了對耦合故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動力學(xué)理論的研究，國內(nèi)外的學(xué)者取得了許多 重大的 成果。 國外，文獻 4中 1984 年針對 子局部碰摩 的現(xiàn)象 提出了一個描述碰摩的力學(xué)模型， 文章中提出 碰摩過程 會 增加 轉(zhuǎn)子 系統(tǒng)的支撐 剛度 ； 文獻 5中 B 等研究了裂紋轉(zhuǎn)子的 穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，并全面討論了 裂紋位置、裂紋角等參數(shù)對 系統(tǒng)響應(yīng) 的影響規(guī)律 ； 文獻 6中 先研究了帶有松動和碰摩故障的轉(zhuǎn)子 系統(tǒng)的非線性動力學(xué)問題 ； 文獻 7中 等人建立了 考慮轉(zhuǎn)靜 碰摩的 裂紋 轉(zhuǎn)子 探討 了呼吸裂紋對系統(tǒng)振動特性的影響并通過了實驗驗證 ，指出在裂紋狀態(tài)下系統(tǒng)響應(yīng)的 2 倍頻分量變得明顯 。 在國內(nèi) ， 文獻 8中 羅躍綱、張松鶴 等人 建立 了 含有裂紋 軸承系統(tǒng)動力學(xué)模型，運用數(shù)值積分法對系統(tǒng)響應(yīng)進行了仿真研究， 并 探討了系統(tǒng) 運動 的非線性特 證 ； 文獻 9中宿蘇英等人研究了含裂紋 借助小波 變換 分析了同過程中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的時頻特性，取得良好的效果；文 獻 10中 對含 有裂紋 動穩(wěn)定性進行了研究 ， 發(fā)現(xiàn)了雙跨裂紋轉(zhuǎn)子 系統(tǒng)周期運動的失穩(wěn)規(guī)律 ，指出了 系統(tǒng)以倍周期分岔 的 失穩(wěn) 形式； 文獻 11中 劉長利 、 鄭建榮 等人對松動、裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的 周期性運動的穩(wěn)定性進行了分析研究，指出裂紋和基礎(chǔ)松動都會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性 ； 文獻 12中劉元峰，趙玫等人研究了 子 在出現(xiàn)裂紋和基礎(chǔ)松動情況下的振動特性，并探討了松動以及裂紋深度對轉(zhuǎn)子振動剛度的影響； 文獻 13中 羅躍綱， 曾海泉 等人 建立了含支座松動 用分岔圖和 最大 數(shù)圖對轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 非線性行為進行了分析，最后運用某風(fēng)機對模型進行了正確的試驗驗證 ； 文獻 14中利用分 岔 圖研究了基礎(chǔ)松動和碰摩故障下系統(tǒng)的運動特性，找出了系統(tǒng)的分叉規(guī)律； 文獻 15,16中 陳果等建立了滾動軸承支承下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡 基礎(chǔ)松動耦合故障動力學(xué)模型 ， 運用數(shù)值積分方南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 法 詳細 分析了轉(zhuǎn)速 等參數(shù) 對系統(tǒng)響應(yīng)的影響 ， 發(fā)現(xiàn)了含耦合故障的轉(zhuǎn)子 動 響應(yīng)的非線性規(guī)律。 在對轉(zhuǎn)子耦合故障機理和轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)行為研究的同時，國內(nèi)外學(xué)者也對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)耦合故障診斷的方法、技術(shù)與診斷設(shè)備 進行了研究， 同樣取得了 驚人 的成果。 文獻 17中 S. 人對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中裂紋故障進行檢測，并研究了裂紋位置及深度對系統(tǒng)響應(yīng)特性的影響 ， 取得了令人滿意的結(jié)果 ； 文獻 18結(jié)合廣義維數(shù)序列和數(shù)學(xué)方法，提出分形診斷分類方法，并通過實例診斷、識別故障及其故障程度，取得良好的效果； 文獻 19中萬方義等人指出耦合故障不是單故障的線性疊加 ，在 故障監(jiān)測和診斷過程中， 為充分考慮到 各個非線性因素， 必須進行 時域和頻域 綜合 分析，才能取得更為合理的結(jié)果 ； 文獻 20中譚真臻等綜合運用 成分分析以及野點檢測 ，提出了一種基于 的轉(zhuǎn)子故障診斷新方法，具有良好的識別率 。 近年來，不少學(xué)者嘗試著 將 盲源分離、 算法應(yīng)用到轉(zhuǎn)子和滾動軸承故障診斷 中 。 文獻 21中將獨立分量分析方法應(yīng)用于某臺發(fā)動機，有效地從發(fā)電機的振動信號中提取出噪聲源 ；文獻 22中認為振動信號 往往具有 較低 的信噪比 ，為更好的分析振動情況，必須將噪聲剔除 ，因此將盲源分離思想運用到機器振動信號的提取中 ； 文獻 23中通過對傅里葉變換和 盲源分離算法的比較，指出盲源分離算法能夠更好的分離航空發(fā)動機高、低壓轉(zhuǎn)子的混疊信號， 驗證了該算法的正確有效 性 ； 文獻 24中 張金玉、黃先祥等將盲源分離算法應(yīng)用機械信號處理當(dāng)中，文中使用了一個轉(zhuǎn)子試驗臺來產(chǎn)生所需的振動，使用 3 個傳感器和對應(yīng)的 3