机械密封碰摩声发射信号的特征提取方法研究

提出利用声发射(Acoustic Emission,AE)技术监测机械密封动静环的碰摩状态。通过分析典型碰摩AE信号的特点,提出利用小波尺度谱和功率谱相结合的方法表征机械密封端面碰摩AE信号的特征信息,小波尺度谱能够直观地描述AE信号中各个脉冲的数目、到达时间、能量大小、在时频面上的分布及频率组成,为判断碰摩的类型、严重程度及发生时间提供准确信息,AE信号的功率谱图能够给出信号能量的具体值。在仿真和实验研究中该方法被有效运用于判别机械密封端面的偶然性碰摩、周期性碰摩和连续性碰摩。     

用声发射技术与小波包分解确定转子系统的碰摩位置

提出了一种确定多盘转子系统碰摩位置的方法。这种方法基于声发射传感器的采样数据，并用小波包分解对数据作进一步处理，然后用互相关的方法得到结果。声发射方法经常用来发现缺陷并确定缺陷的位置，但是由于转子系统的碰摩是一种非常复杂的情况，所以很难利用通常的方法来确定碰摩位置。首先用小波包将信号分解到不同的频段上，然后再对分解后的信号分别用互相关方法，并进行比较相关系数来确定碰摩点位置。文中给出了仿真信号与试验数据的处理结果。     

转子碰摩严重程度量化检测方法研究

基于分形理论、熵理论及小波变换方法,提出用关联维数和小波能量谱熵对转子系统不同碰摩程度进行量化检测的方法。首先,利用转子碰摩模型仿真了不同碰摩程度下的振动信号,并计算了信号的关联维数和小波能量谱熵,研究了关联维数和小波能量谱熵随转子不同碰摩程度的变化规律,发现这两种特征量与转子碰摩程度之间存在良好的相关性,表明其可以作为转子碰摩程度量化检测的重要特征量。最后,利用ZT-3多功能转子实验器,模拟了不同碰摩状态的振动信号,对该方法进行实验验证。结果表明:关联维数和小波能量谱熵对转子碰摩严重程度量化检测的有效性。     

转子系统碰摩故障分岔特性的实验研究

利用转子实验台,对单一碰摩和裂纹耦合碰摩故障进行模拟,采集故障转子系统的位移信号,利用关联维数对碰摩故障的敏感性,对两种故障进行时间序列分析,得到关联维数随时间的变化曲线,通过曲线的峰值点粗略确定系统运动状态的突变区域.接着利用重排小波尺度图在这些突变区域,寻找运动状态的分岔点.结果表明结合关联维数和重排小波尺度图,可以快速准确的确定系统发生碰摩后运动状态的变化规律,进而可以更好的诊断早期碰摩故障.     

小波包能量谱在转子碰摩故障诊断中的应用

针对转静碰摩故障的振动响应问题,采用小波基函数db6三层小波包分解和能量谱相结合的分析方法,对实测的碰摩故障信号进行频带能量特征提取。通过对仿真和实测信号进行小波包分解后作频谱分析发现:当转子发生转静碰摩故障时,频谱图中除了转子的工频外,在分频、分频倍频处引起比较稳定的分数谐波,并出现了3x等高阶倍频频率成分。在对实测信号作进一步能量谱分析时,存在碰摩特征频率的频段能量发生了变化,因此小波包能量谱分析方法能够很好地区分转子的碰摩故障。     

转子系统振动信号的小波分析原理与应用研究

分析了小波变换对非平稳信号的时频局部细化分解原理,指出小波分析工程应用的核心是对信号子频带信息的深层利用。通过对滑动轴承支承的转子系统正常及轴颈发生瞬态碰摩两种状态信号小波分解结果的利用,对子频带信息的能量特征量和小波域信息熵相对变化率进行了计算。结果表明,小波域能量比和信息熵相对变化率可以准确地探测与定位系统内轴颈瞬态碰摩故障,具有量化系统异常变化程度的能力。     

基于关联维数和小波分析的转子系统碰摩故障分析

利用转子实验台,通过调整转定子间隙,对转子系统启动过程发生的碰摩故障进行模拟,采集其位移响应,进而计算不同时间段下的关联维数,得到关联维数随碰摩发展程度的演变规律及其不同碰摩程度的过渡区,最后利用重排小波尺度图对碰摩过渡区域进行详细的特征提取。结果表明,结合关联维数和重排小波尺度图,可以更好地了解碰摩发展过程,进而可以更好地识别早期碰摩故障。     

小波再分配尺度谱在声发射信号特征提取中的应用

在分析典型声发射(Acoustic emission, AE)信号特征的基础上,根据机械故障或损伤引发的AE信号的故障特征提取原理和特点,首次提出AE信号的小波再分配尺度谱分析法.将小波尺度谱和再分配尺度谱同时用于AE信号的特征提取,再分配尺度谱能提高尺度图的聚集性,减少干扰项,更准确地表征AE信号中的特征信息.通过理论研究和仿真,确定了小波再分配尺度谱基函数及其参数的选择,克服了小波再分配尺度谱的时、频分辨率不能同时达到最好的缺陷.将小波再分配尺度谱用于声发射检测的滚动轴承损伤类型及部件的识别,诊断结果十分直观、清晰、准确.仿真分析和试验研究均表明了小波再分配尺度谱能有效应用于基于声发射技术的状态监测和故障诊断.     

时频分析在油膜失稳与局部碰摩耦合故障中的应用

通过建立转子模型实验台, 模拟油膜失稳和局部碰摩耦合故障,把实验采集到的发生故障的振动信号,利用三维谱振图对转子升降速过程进行粗略分析.在频率成分较复杂的地方,利用小波尺度图和再分配小波尺度图进行细化分析.结果表明,再分配小波尺度图具有高的时频分辨率,可以清楚地识别出频率成分接近的低频分量;油膜失稳引起的转定子碰摩故障,会产生一些低频成分,油膜振荡会产生半频成分; 非线性油膜力是对系统起决定作用的重要因素,一般程度的碰摩对系统影响不大.     

基于谐波分量的转子系统碰摩故障定量诊断方法

提出一种利用碰摩转子系统响应中的高次谐波分量进行碰摩位置和碰摩力定量诊断的新方法。基于谐波平衡理论分析碰摩故障转子系统的动力学特性,证明了碰摩故障转子系统中任意两节点之间高次谐波分量之比等于无故障转子系统频率响应矩阵的相关元素之比。根据此关系,提出转子系统碰摩故障模型诊断方法和步骤:利用正常转子系统与故障转子系统响应的任意一阶谐波分量之差,结合转子系统的动力学模型,就可以诊断出碰摩的位置;进而可以根据故障转子系统响应的各次谐波分量还原出碰摩力分量。为验证该方法的有效性,对一转子系统进行偏碰和整周碰摩时的数值仿真,并分析支撑刚度及噪声对诊断方法的影响;又在模型转子试验台上进行了试验。该方法仅利用一个转速下两个节点的振动响应即可实现碰摩故障的在线定量诊断,因此便于在实际旋转机械上实行。     

基于小波能谱系数的风力机疲劳裂纹特征

提出了风力机叶片裂纹扩展声发射信号的优化小波重分配尺度谱及小波能谱系数相结合的分析法。基于Shannon熵理论计算裂纹扩展声发射信号的重分配尺度谱小波基函数带宽参数,得到最适合裂纹声发射信号的Morlet小波基函数。用优化后的小波基函数计算重分配尺度谱,获得裂纹扩展特征成分在时间尺度平面的高幅值能量分布,利用特征能谱系数表征其重分配尺度谱的特征。实验结果表明,该方法有良好的时频聚集性和抗噪能力,实现了风力机叶片裂纹扩展声发射信号的时频特征提取,得到了能谱系数作为特征向量表示信号特征。该方法可用来实现风力机叶片在复杂环境中的模式识别。     

基于模糊熵的转子碰摩声发射信号的识别

利用模糊熵理论来度量转子碰摩声发射信号的特征参数相对于不同碰摩状态识别模式的不确定度。根据碰摩声发射信号的特点,选用平均信号电平、幅度、幅度动态范围以及小波包分解信号前四个节点重构信号的能量值作为声发射信号识别的特征参数,由训练样本确定各特征参数针对不同碰摩类别的基于高斯形式的隶属度函数,并由隶属函数得到特征参数与类别之间的模糊关系矩阵。由于各特征参数对于声发射信号识别的有效性不同,因此在计算模糊关系矩阵时引入有效度系数,提出一种利用模糊熵定义有效度系数的方法。结合该系数得到修正的模糊关系矩阵并计算综合评价模糊集合,选择隶属度最大的类别作为识别结果。在转子试验台上采集的不同碰摩状态的声发射信号进行验证,试验结果表明,模糊综合评价方法是一种有效的声发射识别手段,并可以利用参数有效性的差异来提高识别效率。     

Dynamic characteristics of multi-degrees of freedom system rotor-bearing system with coupling faults of rub-impact and crack

Extensive studies on rotor systems with single or coupled multiple faults have been carried out. However these studies are limited to single-span rotor systems. A finite element model for a complex rotor-bearing system with coupled faults is presented. The dynamic responses of the rotor-bearing system are obtained by using the rotor dynamics theory and the modern nonlinear dynamics theory in connection with the continuation-shooting algorithm（commonly used for obtaining a periodic solution for a nonlinear system） for a range of rub-impact clearances and crack depths. The stability and Hopf instability of the periodic motion of the rotor-bearing system with coupled faults are analyzed by using the procedure described. The results indicate that the finite element method is an effective way for determining the dynamic responses of such complex rotor-bearing systems. Further for a rotor system with rub-impact and crack faults, the influences of the clearances are significantly different for different rub-impact stiffness. On the contrary, the influence of crack depths is rather small. The instability speeds of the rotor-bearing system increase due to the presence of the crack fault. The results obtained using the new finite element model, presented for computation and analysis of dynamic responses of the rotor-bearing systems with coupled faults, are in accordance with measurements in experiment. The formulations given can be used for diagnosis of faults, vibration control, and safe and stable operations of real rotor-bearing systems.     

不对称润滑对碰摩转子-轴承系统的动力学影响

在考虑非线性油膜力的基础上,建立了具有碰摩故障的转子-轴承系统的动力学模型。用数值方法研究了在非线性油膜力作用下具有碰摩故障的转子系统的动力学特性,并研究了当改变其中一个支承轴承润滑油的粘度时,转子系统的动力学特性。研究发现,随着一轴承润滑油粘度的降低,转子系统亚临界角速度区的混沌区域和拟周期区域扩大了。该结果为采用不同粘度润滑剂的转子-轴承系统的优化设计、安全运行和故障诊断等提供了一定的理论参考     

PARAMETERS OPTIMIZATION OF CONTINUOUS WAVELET TRANSFORM AND ITS APPLICATION IN ACOUSTIC EMISSION SIGNAL ANALYSIS OF ROLLING BEARING

Morlet wavelet is suitable to extract the impulse components of mechanical fault signals. And thus its continuous wavelet transform (CWT) has been successfully used in the field of fault diagnosis. The principle of scale selection in CWT is discussed. Based on genetic algorithm,an opti-mization strategy for the waveform parameters of the mother wavelet is proposed with wavelet en-tropy as the optimization target. Based on the optimized waveform parameters,the wavelet scalogram is used to analyze the simulated acoustic emission (AE) signal and real AE signal of rolling bearing. The results indicate that the proposed method is useful and efficient to improve the quality of CWT.     

双跨碰摩转子-轴承系统非线性动态响应与混沌

在同时考虑轴承油膜力和碰摩发生时转静件间的相对速度对非线性摩擦力的影响基础上,构造了双跨碰摩弹性转子-轴承系统动力学模型。对系统单盘和双盘碰摩的非线性动力学响应进行了数值仿真研究,发现该类系统在单盘碰摩时进入混沌的道路是倍周期分岔,离开混沌的道路为倍周期倒分岔,混沌运动区域为一体;双盘同时碰摩时,混沌运动区域中出现了2个明显的独立混沌岛。偏心量的增大,会使得系统响应更加不稳定。研究结果为转子-轴承系统故障诊断、动态设计和安全运行提供了理论参考。     

Chaos of rub-impact rotor supported by bearings with nonlinear suspension

The nonlinear dynamic analysis of the rotor-bearing system is studied in this paper and is supported by oil-film short bearings with nonlinear suspension. An observation of a nonlinearly supported model and the rub-impact between rotor and stator is needed. Therefore for more precise analysis of rotor-bearing systems, the rub-impact between rotor and stator is also proposed in this paper. The displacements in the horizontal and the vertical directions charactering the theoretical model of the system are considered with non-dimensional speed ratio. Inclusive of the analysis methods of the dynamic trajectory, the power spectrum, the Poincaré maps and the bifurcation diagrams are used to analyze the behavior of the rotor centre and bearing centre in the horizontal and vertical directions under different operating conditions. The maximum Lyapunov exponent analysis is also used in this study to identify the chaotic motion. It is concluded that the trajectory of rotor centre and bearing centre have undesirable vibrations. Especially at s=5.6, the rotor centre is at chaotic motion but the bearing centre is still at quasi-periodic motion. With the analysis of the dynamic behavior of these operating conditions, the theoretical and practical idea for controlling rotor-bearing systems and optimizing their operation can be more precise.     

非线性弹性碰摩转子周期运动稳定性分析

在同时考虑轴承油膜力、转轴非线性弹性力和碰摩发生时转静件间的相对速度对非线性摩擦力的影响基础上,构造了具有碰摩故障转子-轴承系统的动力学模型。利用求解非线性非自治系统周期解的延拓打靶法和Floquet理论,研究了系统周期运动的稳定性,分析了非线性摩擦力对系统动力学特性的影响。