基于振动和声发射的滚动轴承故障诊断技术

针对舰船燃气轮机动力涡轮转子系统中滚动轴承故障频发的问题,搭建了滚动轴承故障模拟试验台,利用激光加工设备在前支承位置预制了3种滚动轴承故障（外圈、内圈和滚子）,分别结合4种滚动轴承状态,在800~3 000 r/min转速范围内开展了定转速试验并同步采集了振动信号和声发射信号,在此基础上先后利用阶次分析、小波包分解实现了信号预处理。研究结果表明：动力涡轮转子系统临界转速试验值与仿真值相对误差约为3.8%,同时该系统平衡精度等级较高,可支持开展后续故障试验;较低转速（800~1 000 r/min）下加速度信号中滚动轴承故障特征较为明显,可进行故障源定位,更高转速下可借助明显增大的变柔度振动特征进行故障监测;滚动轴承故障对应的声发射信号主要频率范围集中在0~375 kHz。     

基于全谱分析的转子非线性动力学研究

为研究刚性支承下故障转子系统的进动问题,建立了转子系统非线性动力学模型,通过数值仿真得到裂纹故障、碰摩故障以及裂纹-碰摩故障的进动信号,并基于全谱图分析了其变化规律和特点,最后利用Bently转子实验台对裂纹-碰摩故障下转子系统的全谱图进行了实验验证。结果表明:全谱图不仅反映了转子振动幅值的变化,而且包含了转子进动方向的信息;碰摩故障和裂纹-碰摩故障下转子的响应中出现-nX高倍频成分,转速比为0.55时-2X成分幅值高于2X成分幅值,呈现2阶反进动特征;碰摩故障和裂纹-碰摩故障时转子系统在高转速下的非线性特征更复杂,全谱图中出现±1/2X成分,此时转子系统处于周期2运动状态。     

直喷式柴油机燃烧压力高频振荡与燃烧噪声的关系

应用声响应法和Sysnoise声学软件进行模态实验和模态分析,研究燃烧噪声高频激励机理．通过有限元方法计算燃烧室空腔在点声源激励下的声压响应,确定了燃烧室空腔在激励力作用下产生较强烈的压力振荡的频率．通过测量发动机缸内压力和噪声,研究燃烧压力高频振荡频率和幅值与时间窗获取的燃烧噪声的关系．燃烧压力高频振荡频率与燃烧噪声高频成分具有很好的对应关系,较高的振荡幅值对应的燃烧噪声值较高．研究结果表明,燃烧压力振荡频率和幅值是影响燃烧噪声高频成分的主要因素．     

基于贝叶斯网络的转子系统故障诊断研究

通过分析传统故障诊断方法在处理实际系统不确定性问题时存在的困难,研究了基于贝叶斯网络的转子故障诊断方法。依据转子系统存在的故障类型和对应的故障征兆,本文建立了转子系统的贝叶斯网络模型,并开发了基于贝叶斯网络模型的转子故障诊断系统。通过对实际转子系统故障的检测,证实了该方法在处理信息不确定条件下,进行故障诊断的有效性。     

基于土-结构耦合作用的风力机塔架地震动力学响应分析

风力机塔架在地震激励下的动力学响应研究对保证风力机安全运行具有重要意义。基于有限元软件ANSYS和Wolf土-构耦合理论对Vestas1.65 MW风力机建立较高精度有限元模型,对是否考虑土-结构耦合(Soil-Structure Interaction,SSI)效应两种条件下进行瞬态动力学分析。选用摩根希尔(Morgan Hill)地震运动,土体选用软土物性参数。结果表明:考虑SSI效应会降低风力机塔架自振频率,塔架在地震激励下的塔顶位移响应、塔顶加速度响应、塔架Mises等效应力响应和塔架剪应力响应频率有较明显下降,塔顶加速度峰值减小6.7%,塔基承受剪应力增加73.5 MPa,增幅98.9%。因此,研究风力机结构抗震设计应考虑SSI效应。     

曲拐弯扭耦合振动影响规律研究

基于圆盘非对称转子简化模型和达朗贝尔原理,建立了曲轴单拐弯-扭耦合非线性振动数学模型,并利用解析推导法和四阶龙格库塔的迭代数值求解方法研究了弯曲振动和扭转振动间的相互影响规律。研究结果表明,弯曲振动(或扭转振动)会耦合产生多种频率成分的扭转振动(或弯曲振动),耦合振动幅值随着激励频率和偏心距的增加而加大,且弯曲振动对扭转振动的耦合影响相对较大。     

基于高精度模型的热气机振动响应计算分析研究

主要介绍了基于高精度模型的某型热气机振动响应计算分析研究。对比分析了热气机曲轴箱不同网格尺寸、不同连接方式对模态频率计算的影响,通过模态试验确定了其网格尺寸和连接方式。建立了该型热气机的有限元模型,将多体动力学计算的激励力施加至有限元模型,计算得到关键节点的振动加速度值,并基于时域和频域对比了关键节点振动响应的计算值与实测值,验证了计算结果的准确性,为进一步优化热气机的结构提供了依据。     

带冠叶片碰撞减振机理研究

通过对带冠叶片边界非线性条件的研究,建立了全新的带有碰撞阻尼的叶片三维实体单元有限元模型.对计算分析与试验结果进行了对比,验证了叶片的计算模型的计算精度,进而对两只平板叶片在不同间隙、激振力幅值和频率条件下的特性进行分析,结果表明:随着叶冠间隙、激振力幅值和激振力频率的增加,叶片出现明显的频谱分量;具有碰撞条件的叶片可以抑制外力做功,叶片动应力可以通过叶冠参数的调整进行控制.     

基于工况辨识和变分模态分解的风电机组滚动轴承故障诊断

针对风电机组运行工况变化导致滚动轴承故障分类性能降低的问题,采用模糊C均值聚类进行运行工况识别,在子工况下进行相应的滚动轴承故障诊断.提出了基于变分模态分解(VMD)、AR模型以及奇异值分解的特征提取方法,将滚动轴承振动信号分解成若干个模态,采用每个模态AR模型参数、模型方差以及模态矩阵的奇异值作为特征向量,建立欧氏距离判别函数,来识别滚动轴承状态和故障类型.结果表明:该方法可以成功提取滚动轴承故障特征信息并正确判断出滚动轴承故障类型,对工况变化有更强的适应能力.     

滚动轴承-转子系统非线性动力响应分析

采用有限元法建立了含转子不平衡-碰摩耦合故障的滚动轴承-转子系统的连续模型,考虑了转子的剪切效应、回转效应、转子几何参数等影响因素,对滚动轴承模型考虑了非线性赫兹接触及由滚动轴承支承刚度变化而产生的VC(Varying Compliance)振动。运用Newmark-β法获得了连续转子的系统响应,利用时域波形、分岔图、Poincare映射图和频谱图分析了该转子系统的非线性动力学行为。结果表明:由于不同参数的影响,转子碰摩系统具有丰富的非线性现象。本模型考虑了更多的影响因素,可为复杂转子的非线性设计、故障诊断提供更为准确合理的理论参考。     

一台50MW汽轮机转子多重振动故障的诊断及处理

在定速空载工况下汽轮机转子振幅处于报警水平、在带负荷过程中汽轮机转子振动幅值大幅度攀升,超过保护动作值;诊断汽轮机转子存在中心孔进油、套装部件紧力不足故障,分别予以检修处理以后,在定速空载及负荷工况下机组振动稳定在优良水平范围以内,振动故障得以成功消除。     

燃气轮机拉杆转子的轮盘结合面接触模型研究

为建立更加准确的燃气轮机拉杆转子的有限元模型,对拉杆转子轮盘结合面接触的力学模型进行研究。采用弹簧单元来模拟轮盘结合面的接触,基于结合面改进接触模型,获取结合面法向接触刚度-预紧力关系拟合曲线:随着结合面法向载荷的增大,其接触刚度也在逐渐变大,但是法向载荷超过一定值后,继续增大,接触刚度的增长趋势放缓。根据拟合曲线,得到设计预紧力下对应的接触刚度值,建立了考虑轮盘接触效应的某型燃气轮机拉杆转子有限元模型。结合传统有限元模型,比较临界转速计算结果:两种模型的前2阶临界转速基本相当,相对误差都小于1%;两者的第3阶临界转速相对误差相对较大,为1.66%;改进的有限元模型更真实的反映了某型燃气轮机拉杆转子的轮盘接触状态。     

风电机组滚动轴承复合故障诊断研究

针对在强风电机组背景噪声下进行滚动轴承复合故障诊断时,由于故障之间的相互联系、交叉影响使得多种故障特征混叠在一起,易造成漏诊、误判等问题,提出一种基于多点最优调整的最小熵解卷积(multipoint optimal minimum entropy deconvolution adjusted,MOMEDA)与1.5维能量谱相结合的风电机组滚动轴承复合故障诊断方法;首先利用MOMEDA算法对原始滚动轴承振动信号进行解卷积预处理;然后对解卷积信号进行1.5维能量谱分析;最后通过分析谱图中幅值突出的频率成分来判断故障类型。仿真信号和应用实例分析结果表明,该方法能够有效提取出在强背景噪声下的复合故障特征,实现风电机组轴承复合故障的准确诊断。     

碰摩转子轴心运动加速度信号的仿真分析

针对早期碰摩时转子振动特征与其它旋转机械常见故障特征相重复的问题,研究转子轴心运动加速度信号中蕴含的早期碰摩故障特征。建立了转子动力学模型并求解得到仿真转子振动信号,从中计算出转子轴心运动加速度信号并进行了分析。结果表明发生早期碰摩时,转子轴心加速度信号会在碰摩点处发生瞬间剧烈波动,可用来指示碰摩故障及部位,故障特征远比轴心振动位移信号和轴心轨迹图明显,可望用于早期碰摩故障的诊断。     

汽轮发电机组轴系扭振的时频特征分析

针对电网动态模拟系统和汽轮发电机组轴系扭振模拟机,开展了典型工况及故障扰动下的汽轮发电机组轴系扭振试验研究,并利用非平稳信号的时频分析方法Hilbert-Huang变换（HHT）对轴系的扭振信号进行了分析．结果表明：在短路故障的冲击下,机组有机电互作用的扭振发生时,扭转振动的幅值大幅增加,扭振频率也发生了变化;三维时频图显示了扭振幅值开始增大然后逐渐减小,形成一个瓶颈状的峰谷对应曲线;三相短路故障引起的机电互作用的扭振时间大于两相短路故障引起的机电互作用的扭振时间;Hilbert谱图能获得时间、频率和幅值对应的关系,定量刻画了频率和幅值随时间的变化过程．     

具有弹性支承的裂纹转子的动力特性分析

推导了具有弹性支承偏置裂纹转子的运动微分方程.通过数值求解,得到了具有弹性支承偏置裂纹转子的盘心位移响应、支承处加速度响应.研究结果表明:具有弹性支承的裂纹转子系统在支承处加速度响应中也包含1X、2X、3X…频率成分,并且出现分数次共振现象;当裂纹转子以超临界转速运行时,支承处加速度响应的幅频图上2X以上各谐波分量仍明显存在.因而,转子以超临界转速或亚临界转速运行时,2倍频分量均可作为裂纹故障的重要特征.这对利用轴承座处的振动信号进行裂纹故障检测有一定的实用价值.     

基于小波变换的风电机组滚动轴承故障KPI计算及故障诊断

风电机组一般采用滚动轴承支撑结构,滚动轴承不同故障模式对应的振动冲击间隔频率存在差异。为了准确地从振动信号中提取滚动轴承故障征兆,在分析风电机组滚动轴承故障机理、信号特征的基础上,提出了基于小波变换的风电机组滚动轴承故障KPI计算方法,首先对风电机组的振动信号进行小波变换及阈值去噪,并计算振动信号的小波能量谱分布图,然后以小波能量谱分布图的统计参数作为滚动轴承故障诊断的KPI,采用椭圆型判决函数法实现滚动轴承的故障诊断,现场实测信号的诊断结果验证了该方法的有效性。     

基于小波变换的风电机组滚动轴承故障KPI计算及故障诊断

风电机组一般采用滚动轴承支撑结构,滚动轴承不同故障模式对应的振动冲击间隔频率存在差异。为了准确地从振动信号中提取滚动轴承故障征兆,在分析风电机组滚动轴承故障机理、信号特征的基础上,提出了基于小波变换的风电机组滚动轴承故障KPI计算方法,首先对风电机组的振动信号进行小波变换及阈值去噪,并计算振动信号的小波能量谱分布图,然后以小波能量谱分布图的统计参数作为滚动轴承故障诊断的KPI,采用椭圆型判决函数法实现滚动轴承的故障诊断,现场实测信号的诊断结果验证了该方法的有效性。     

压气机启动过程动态压力分析

采用基于短时傅里叶变换(STFT)的方法对实测的压气机非稳态的动态压力信号进行了时频分析,发现压气机在启动过程中发生失速,失速团频率成分呈倍频关系,幅值较大。达到额定转速后,动态压力信号为稳定的周期信号,幅值较大的频率成分为上下游转子叶片的通过频率及其倍频。结合实测的叶片振动数据分析发现,压气机失速产生的气流激励引起了叶片异步共振。研究结果表明:STFT方法可以有效提取动态压力信号特征,确定动态压力中幅值较大的频率成分,为压气机叶片振动设计提供依据。     

应用谐波平衡法分析裂纹转子的动力特性

为了研究弹性支承对裂纹转子动力特性的影响,借助于谐波平衡法分析了具有弹性支承偏置裂纹转子的盘心位移响应、支承处加速度响应以及支承刚度对系统响应的影响。研究结果表明:具有弹性支承的裂纹转子系统在支承处加速度响应中也包含1X、2X、3X…频率成分,并且出现分数次共振现象。不但如此,当裂纹转子以超临界转速运行时,支承处加速度响应的幅频图上2X以上各谐波分量仍明显存在。因而,转子以超临界转速或亚临界转速运行时,2倍频分量作为裂纹故障的重要特征,总会在支承加速度响应中出现。这对利用轴承座处的振动信号进行裂纹故障检测有一定的实用价值。增加支承弹性不但可以减小裂纹转子过临界转速的响应,还能减小由裂纹引起的超谐波共振响应。