论文题目: 虚拟式旋转机械特征分析仪系统的研究与应用
论文类型: 博士论文
论文专业: 机械电子工程
作者: 杨炯明
导师: 秦树人
关键词: 旋转机械,特征分析,阶比分析,虚拟仪器,振动测试
文献来源: 重庆大学
发表年度: 2005
论文摘要: 阶比分析技术是旋转机械振动信号分析和故障诊断的重要技术之一，阶比分析是旋转机械特征分析中必不可少的重要分析方法。阶比分析技术主要包括阶比跟踪技术和阶比跟踪滤波技术。目前，国外专用的旋转机械特征分析仪的特点是精度高、价格昂贵、安装不便。由于它需要诸如转速计，跟踪滤波器，角度编码盘等特定的硬件设备，限制了阶比分析在旋转机械振动测试中的广泛应用。因此，如何解除或者降低这些硬件设备的限制就成为了研究的重点。正是在这种情况下，重庆大学测试中心提出了基于瞬时频率估计(Instantaneous Frequency Estimation—IFE)的阶比跟踪技术。在国内外首次实现了无需鉴相装置的阶比跟踪，在安装和实现上大大简化，降低了阶比分析的使用成本和复杂性，开辟了阶比分析技术的新途径。但是，由于该技术目前只做了一些开创性的研究，还不成熟，离工程实际应用还有一段距离。另外，虽然该技术具有传统和现有阶比跟踪技术无法比拟的优点，但是它也有不可避免的缺点：首先，它只能用于离线分析；其次，各阶(谐波)分量在时频谱图上必须能够明显地分开；最后，它不能满足整周期采样。 正是为了解决基于IFE的阶比跟踪技术中存在的问题，提出了本课题。一方面对该技术进行了深入研究，对其中的两个关键技术(瞬时频率的估计和阶比重采样时刻的计算)进行了改进，改进后的算法通过一系列措施提高了计算精度。另一方面，为了弥补基于IFE的阶比跟踪技术的缺陷，充分研究了现有阶比跟踪技术的优缺点，提出了可变曲线拟合的计算阶比跟踪(Computed Order Tracking—COT)技术。可以根据计算精度、运行效率等实际测试中的分析要求，灵活选择不同的曲线拟合方式来实现阶比跟踪。 转速计算是阶比分析的关键技术之一。对于提供了转速脉冲的情况，通常都需要对转速脉冲序列一步一步进行多项式曲线拟合来计算转速，计算量大，计算复杂。因此，提出了基于一阶数字微分、脉冲平均和数字平均的转速计算方法，大大减少了计算量和计算复杂度。 对于旋转机械而言，时间谱阵很难清楚地揭示频率峰值同转速之间的关系，因此，有必要计算转速谱阵。在深入研究了短时傅立叶变换实现原理的基础上，分析总结并提出了一种新的算法——变窗移傅立叶变换(Variable Window MoveFourier Transformation，VWMFT)，为计算旋转机械转速谱阵提供了理论依据。 国内外对阶比分析的另一个重要技术——阶比跟踪滤波技术作了大量研究。目前主要有两种方式，一种是Vold-Kalman阶比跟踪滤波，另一种是Gabor时频滤波。由于后者更适合于虚拟仪器的开发，故采用了Gabor时频滤波。为了减少或消除转
论文目录:
中文摘要
英文摘要
1 绪论
1.1 课题背景介绍
1.1.1 课题来源
1.1.2 课题的任务及目标
1.2 国内外研究现状
1.2.1 旋转机械常见特征分析仪简介
1.2.2 阶比跟踪技术的研究
1.2.3 旋转机械非平稳振动信号的分析现状
1.3 课题研究的目的和意义
1.4 本文研究的主要内容和创新
1.4.1 本文的主要工作和内容
1.4.2 本文工作的主要创新点
2 阶比跟踪技术的研究
2.1 引言
2.2 采用鉴相装置的硬件式阶比跟踪技术
2.2.1 采用光电脉冲角度编码盘的阶比跟踪
2.2.2 采用转速脉冲的阶比跟踪
2.3 计算阶比跟踪(COT)技术
2.3.1 经典的COT技术
2.3.2 采用软硬件方式实现的组合COT技术
2.3.3 基于DSP方式实现的COT技术
2.3.4 采用可变曲线拟合的COT技术
2.4 基于瞬时频率估计的阶比跟踪技术
2.4.1 基本概念
2.4.2 瞬时频率估计方法
2.4.3 基于STFT的瞬时频率估计
2.4.4 基于IFE的阶比重采样时刻的计算
2.5 阶比重采样
2.6 实例分析
2.6.1 采用曲线拟合的计算阶比跟踪的应用实例
2.6.2 基于IFE的阶比跟踪的应用实例
2.7 本章小结
3 旋转机械转速曲线的算法研究
3.1 引言
3.2 采用三次样条插值计算转速
3.3 基于数字微分、脉冲平均和数字平均的转速计算原理
3.3.1 插值型求导公式计算一阶数字微分
3.3.2 一阶数字微分计算转速
3.3.3 使用脉冲平均平滑转速
3.3.4 使用数字平均减少误差
3.3.5 算法实时性分析
3.3.6 基于数字微分、脉冲平均和数字平均计算转速的流程图
3.4 基于IFE的转速曲线
3.5 测试试验
3.5.1 基于数字微分、脉冲平均和数字平均计算的转速
3.5.2 基于瞬时频率估计的转速
3.6 本章小结
4 旋转机械振动信号转速谱阵的算法研究
4.1 引言
4.2 STFT算法原理及其具体实现
4.2.1 STFF的定义
4.2.2 STFT的谱图及其计算
4.2.3 STFT的进一步发展
4.3 VWMFT的理论推导
4.3.1 转速单调性
4.3.2 VWMFF算法原理及其具体实现
4.3.3 转速谱阵的特点
4.4 实例分析
4.4.1 仿真试验
4.4.2 测试试验
4.5 本章小结
5 基于Gabor阶比跟踪滤波技术的研究
5.1 引言
5.2 Gabor变换与展开的相关理论
5.2.1 连续Gabor变换对
5.2.2 离散Gabor变换对
5.2.3 似正交Gabor变换与展开
5.3 基于Gabor时频滤波的阶比分量提取技术的研究
5.3.1 转速曲线平滑
5.3.2 滤波带宽的确定
5.3.3 遮掩运算
5.3.4 基于离散Gabor展开的时变滤波
5.3.5 基于Gabor时频滤波的阶比分量提取的具体实现
5.4 Vold-kalman和Gabor阶比跟踪滤波的比较
5.5 测试试验
5.6 本章小结
6 两用多功能虚拟式旋转机械特征分析仪的开发与应用
6.1 引言
6.2 旋转机械典型故障机理及其振动特征
6.2.1 旋转机械常见异常振动概述
6.2.2 转子不平衡
6.2.3 转子不对中
6.2.4 转子裂纹
6.2.5 油膜涡动与油膜振荡
6.2.6 摩擦
6.2.7 机械性松动
6.2.8 旋转失速与喘振
6.3 两用多功能虚拟式旋转机械特征分析仪的功能模块
6.4 仪器操作面板介绍
6.5 两用多功能虚拟式旋转机械特征分析仪应用实例
6.5.1 偏心电机升降速测试试验
6.5.2 直流电机驱动的涡轮减速箱振动测试试验
6.5.3 齿轮箱振动测试试验
6.5.4 风扇升速振动测试试验
6.5.5 汽车加速换档振动测试试验
6.6 本章小结
7 结论与展望
7.1 主要结论
7.2 后续研究工作的展望
致谢
参考文献
附：1.作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
2.作者在攻读博士学位期间参加的科研项目
独创性声明
学位论文版权使用授权书
发布时间: 2006-12-05
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