转子系统振动故障的诊断方法及时频分析技术研究

论文摘要

在现代工业生产中,旋转机械的应用占有重要的地位。旋转机械工作环境恶劣,工作时间长,易出现各种故障。转子-轴承系统作为旋转机械的核心部件,对其进行有效的状态监测及故障诊断,及时发现并排除故障,能够有效地保证生产安全性,并且在很大程度上提高机械的使用效率。因此,对旋转机械转子系统进行故障诊断研究有着重要意义。经过多年发展,转子系统故障诊断技术有了长足的进步。但是,目前研究的诊断技术和设备绝大多数以经验积累和数据库为基础,转子系统故障发生的机理还未被充分揭示,因而其准确性和精度尚未达到理想的地步。由此可见,深入透彻的研究转子系统故障机理和有效精确的诊断方法成为当务之急。本课题对转子系统振动故障分析与诊断技术进行了探讨研究,主要包括以下几方面内容：一,对转子系统故障的机理进行研究,介绍了转子系统的故障分类,详细归纳总结了几种典型故障情况下振动信号的特征,包括不平衡、不对中、动静碰摩、轴承松动、油膜涡动与油膜振荡,为进行故障诊断提供了理论依据。二,研究了常用的振动信号分析处理方法以及时-频分析技术,包括时域统计特征参数、相关分析；频域上的频谱分析、功率谱密度分析和相干分析；时-频域内的短时Fourier变换、小波分析和HHT变化方法。分别探讨了各种分析方法的有效性及局限性,选择其中较常用且高效率的几种,应用Matlab语言编程实现。三,进行实验研究,建立转子系统实验台,并对其进行转子系统振动仿真建模。为了使仿真结果更接近实际,对实验系统的初始不平衡质量进行辨识,将辨识结果返回模型,以达到模型修正的目的。应用此模型进行数值仿真,并将结果与实验测得信号对比,实现模型的确认。四,应用轴心轨迹图、功率谱图、三维谱图、小波分解及HHT变换等常用的诊断算法对实验转子系统测得振动信号进行诊断处理,将分析结果与理论特征进行对比,实现转子系统的故障诊断。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本文研究背景及意义
• 1.2 转子系统故障诊断概述
• 1.2.1 转子系统故障诊断的内容
• 1.2.2 转子系统故障诊断的基本环节
• 1.3 故障诊断技术发展趋势
• 1.4 时-频分析技术现状
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 转子系统典型振动故障机理及特征
• 2.1 转子系统的振动类型
• 2.2 转子系统典型的故障机理及特征
• 2.2.1 转子不平衡
• 2.2.2 转子不对中
• 2.2.3 转-定子动静碰摩
• 2.2.4 轴承松动
• 2.2.5 油膜涡动与油膜振荡
• 2.3 本章小结
• 第3章 振动信号分析处理方法
• 3.1 时域分析方法
• 3.1.1 信号波形图
• 3.1.2 信号统计特征参数
• 3.1.3 相关分析
• 3.2 频域分析方法
• 3.2.1 傅立叶（Fourier）变换和快速傅立叶变换（FFT）
• 3.2.2 频谱分析
• 3.2.3 功率谱密度
• 3.2.4 相干分析
• 3.3 时-频域分析方法
• 3.3.1 短时傅立叶变换（STFT）
• 3.3.2 小波（wavelet）变换
• 3.3.3 Hilbert-Huang变换
• 3.3.4 几种时频分析方法比较
• 3.4 本章小结
• 第4章 转子系统振动仿真建模及模型确认
• 4.1 实验系统构成
• 4.1.1 实验装置
• 4.1.2 采集系统
• 4.2 转子系统有限元模型建立
• 4.2.1 转-定子局部碰摩有限元模型
• 4.2.2 碰摩力形式
• 4.3 不平衡质量辨识
• 4.3.1 故障辨识原理
• 4.3.2 最小二乘法
• 4.3.3 不平衡质量辨识程序
• 4.3.4 辨识程序应用验证
• 4.3.5 实验系统不平衡质量辨识结果
• 4.4 有限元模型确认
• 4.4.1 不平衡仿真结果验证
• 4.4.2 碰摩仿真结果验证
• 4.5 本章小结
• 第5章 振动信号诊断算法的应用
• 5.1 信号轴心轨迹分析
• 5.2 信号功率谱密度估计
• 5.3 信号三维谱图
• 5.4 信号小波分解与重构
• 5.5 HHT变换
• 5.5.1 转子不平衡振动信号的HHT变换
• 5.5.2 转子碰摩振动信号的HHT变换
• 5.6 小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢