航空发动机转子早期裂纹故障振动特征的1(1/2)维谱分析

针对航空发动机转子早期裂纹故障难以检测的特点首先,根据转子裂纹扩展机理,建立早期裂纹转子振动分析理论模型,提出利用112维谱对早期裂纹振动信号进行分析。然后,利用112维谱分析法对早期裂纹转子理论模型和早期裂纹转子故障实验数据进行了具体分析。理论模型和实验数据分析结果都表明:应用112维谱对实际发动机转子早期裂纹故障信号进行分析,不仅能够得到一般频谱分析法难以获得的故障特征频率,还能对混叠噪声信号进行降噪。因此,112维谱能够有效的诊断航空发动机转子裂纹故障,在航空发动机故障诊断中具有一定的应用价值。     

基于高阶累积量的柴油发动机曲轴轴承故障特征提取

利用基于高阶累积量降维处理的1.5维谱、2.5维谱分析曲轴轴承不同磨损间隙下的发动机振动信号,提取曲轴轴承磨损故障的特征参数,有效地解决了高阶累积量计算量巨大,难以实现在线应用的缺点。试验时将振动加速度传感器放置在发动机缸体的5个不同的位置测取振动信号并分析,提取高阶谱降维处理后的特定频段内的频带能量作为特征值。结果表明,本文提出的方法能够有效地抑制噪声的干扰,提取出的特征参数能够较好地反映曲轴轴承的技术状态,且当发动机转速达1300r/min以上,振动加速度传感器置于油底壳与缸体接缝处的左右两侧时,采集的振动信号最能反映曲轴轴承的技术状况。     

含裂纹故障的航空发动机转子系统动力学特性分析

针对某含有呼吸裂纹故障的航空发动机高压转子系统,研究了系统的动力学特性。考虑裂纹转子的时变特性,推导了裂纹转子的刚度矩阵,考虑重力及不平衡激励,采用转子动力学有限元法建立了系统的动力学方程。采用谐波平衡法对方程进行近似求解,给出了不同裂纹深度下的三维幅频图,表明在临界转速和1/n(n=2,3,4)倍临界转速处均有峰值出现;分析了裂纹深度、裂纹位置对系统振动响应的影响,表明位于跨中的深裂纹影响最大;计算了系统在升速过程中的三维频谱图,结果表明二倍频、三倍频、四倍频成分明显。用Newmark-β数值方法验证了计算结果的正确性。提出的空心轴呼吸裂纹的建模方法为航空发动机转子系统裂纹故障的非线性动力学分析提供了理论指导。     

基于EMD和分形盒维数的旋转机械耦合故障诊断方法研究

针对旋转机械耦合故障的诊断问题,提出一种基于EMD（Empirical Mode Decomposition）和分形盒维数的诊断方法。该方法结合EMD对非线性信号处理的自适应性和分形盒维数能对非线性行为定量描述的特点,先对故障信号进行EMD处理,得到含有故障特征的本征模式函数(Intrinsic Mode Function,简称IMF),然后求出各IMF的盒维数,通过盒维数的比较分析进行故障诊断。构造了含有裂纹-碰摩-松动耦合故障的转子-轴承系统动力学模型,用龙格库塔法求出故障模型振动信号。通过对耦合故障信号进行分析,得到耦合故障特征向量,并与传统的边界谱诊断方法比较,证明该方法对旋转机械耦合故障诊断的有效性和优越性。     

基于EMD和HHT的航空发动机转子—机匣振动信号分析

将EMD和HHT方法引入航空发动机转子—机匣的振动信号分析,某台发动机的台架实测机匣振动信号的分析结果表明,该方法能够比较清楚地再现转静系统碰摩故障随转速和采样周期的演变过程,能够克服傅立叶谱无法同时获得时域和频域信息的缺陷。同时边际谱与傅立叶谱相比能够比较真实客观地反映系统的频率和幅值分布情况。     

基于AR模型的转子典型故障诊断方法

基于一种含外部输入的ARX模型（Env-AR-ARX）,提出了一种通过模型匹配的转子故障诊断方法。本文以航空发动机转子健康状态下的振动数据建立AR模型,模型的准确度是故障诊断的关键。为了提高模型的匹配度,在AR模型的基础上,充分考虑了模型残差和信号时变性的特点,对比讨论了AR模型, AR-ARX模型以及Env-AR-ARX模型,最终确定了最优的Env-AR-ARX模型。由于没有航空发动机转子的故障数据,本文对本特利转子的故障（碰摩、裂纹、双裂纹）振动信号建立AR模型,结合单因素方差分析的方法,确定信号是否存在故障以及故障类型。实验结果表明,该方法能有效的应用于转子的故障诊断。     

基于AR模型的转子典型故障诊断方法

基于一种含外部输入的ARX模型(Env-AR-ARX),提出了一种通过模型匹配的转子故障诊断方法。以航空发动机转子健康状态下的振动数据建立AR模型,模型的准确度是故障诊断的关键。为了提高模型的匹配度,在AR模型的基础上,充分考虑了模型残差和信号时变性的特点,对比讨论了AR模型、AR-ARX模型以及Env-AR-ARX模型,最终确定了最优的Env-AR-ARX模型。由于没有航空发动机转子的故障数据,对本特利转子的故障(碰摩、单裂纹、双裂纹)振动信号建立Env-AR-ARX模型,结合单因素方差分析的方法,确定信号是否存在故障以及故障类型。实验结果表明,该方法能有效应用于转子故障诊断。     

基于局部均值分解与形态谱的旋转机械故障诊断方法

针对旋转机械不同类型故障会使振动信号具有不同形态特征及振动信号信噪比低等特点,提出基于局部均值分解（Local Mean Decomposition,LMD）与形态谱的旋转机械故障诊断方法。其中的LMD能对旋转机械原始振动信号进行降噪处理,而形态谱则能反映振动信号的形态特征,从而能判断旋转机械的工作状态。将该方法用于转子系统故障诊断,分析结果表明,该方法能有效提取旋转机械故障振动信号的故障特征,能准确识别旋转机械的故障状态。     

基于时间-小波能量谱的齿轮故障诊断

振动信号中的冲击现象及其频率特征是诊断齿轮局部损伤故障的重要依据之一。针对齿轮故障特征提出了一种时间-小波能量谱信号处理方法,它能够有效提取振动信号中冲击成分的时域和频域特征。利用时间-小波能量谱方法分析了正常、磨损、断齿等三种状态的齿轮箱振动信号,并与传统频谱分析方法进行相比。结果表明：时间-小波能量谱不仅可以有效提取故障特征,识别出齿轮箱的故障存在,而且可以清晰地分辨出故障类型及故障元件。     

形态学广义分形维数在发动机故障诊断中的应用

发动机故障信号是一种典型的非线性信号,分形几何理论为描述非线性故障信号的特性提供了一个有力的分析工具。广义分形维数能够很好的描述信号的几何特征和局部尺度行为,所蕴含的信息比单一的分形维数要深刻而全面。针对传统的广义分形维数计算方法的缺陷,本文提出基于数学形态学操作的广义分形维数计算方法,并对发动机正常、失火和气门间隙过大故障信号进行了分析,结果表明,与传统的盒计数法计算的广义分形维数相比,形态学广义分形维数能够更加有效地区分发动机在不同状态下的信号,并且数学形态学只涉及简单的加减和取大、取小运算,因此计算简单快速,为准确判断发动机故障状态提供了一种快速有效的新方法。     

匹配追踪过程复合熵矩转子故障诊断研究

转子系统作为大型机械的核心部件工作环境十分复杂,故障种类多样且其振动信号包含大量噪声,所以特征向量难以有效提取。为此,利用匹配追踪分解对信号进行降噪,然后提取信号的奇异谱熵和功率谱熵作为故障特征,并提出复合熵矩的概念,最终利用复合熵差矩的均值和方差实现对转子故障的诊断和识别。在试验台上模拟并采集四种转子常见的有效故障信号,并以不平衡故障作为目标故障为例进行验证,根据均值和方差最小实现准确诊断,实验结果证明该方法的有效性和实用性。     

基于谱峭度与变分模态分解的转子微弱不对中故障诊断

针对噪声干扰下转子微弱不对中故障特征难以提取的问题,提出一种谱峭度与变分模态分解的转子故障诊断方法。该方法首先利用谱峭度(Spectral Kurtosis)滤除信号背景噪声以强化故障特征相关信号分量,然后通过变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)将转子振动信号分解为一系列本征模态分量并对各分量进行频谱分析,提取转子的故障特征。将该方法应用到转子不对中故障实验数据中,结果表明,该方法能有效提取出转子微弱不对中故障特征,并且结果要优于基于谱峭度与经验模态分解(EMD)方法的分析结果。     

形态分量分析在转子早期碰摩故障诊断中的应用

提出了一种基于形态分量分析的转子早期碰摩故障诊断方法,该方法用形态分量分析从转子早期碰摩故障信号中提取出冲击成分。形态分量分析根据信号中各组成成分的形态差异,构建不同的稀疏表示字典对各组成成分进行分离。当转子系统中出现早期碰摩时,其振动信号往往由以转频及其谐波为主要成分的周期成分、包含转子早期碰摩故障信息的冲击成分及随机噪声构成。周期成分表现为信号中的平滑部分,而冲击成分则表现为信号中的细节部分,因此,可根据周期成分与冲击成分的形态差异,用形态分量分析实现二者的分离。对形态分量分析的阈值方法进行了改进,提出了基于半软阈值的形态分量分析,仿真结果表明,基于半软阈值的形态分量分析要优于基于硬阈值的形态分量分析。对某转子早期碰摩故障信号进行了分析,结果表明,基于半软阈值的形态分量分析能有效地提取转子早期碰摩故障信号中的冲击成分,进而诊断转子早期碰摩故障。     

Data acquisition aspects in experimental research ofelectromechanical systems dynamics

This paper presents results on both experimental research and theoretical analysis of data acquisition aspects for vibration fault detection and isolation systems and in particular, for studying the signature of "real" sampled vibration signals in electric drives with unbalanced rotor. It was revealed that the structure of real vibrations of electric drives with unbalanced rotor is a very complicated nonlinear combination of many factors acting together. Finally, the impossibility of adequate vibration diagnosis without taking into account all effects that may alter the vibration (or stator current) power spectrum was discussed     

某航空发动机轴流叶轮叶片变形故障分析

某航空发动机在地面试验中出现效率下降且伴有啸叫声的异常现象。根据对所测振动、噪声信号的详细分析,成功判断出该发动机第一级轴流叶轮叶片发生变形。国内外对于发动机转子叶片发生变形故障时的噪声数据研究较少,通过对该发动机故障的详细分析,得到转子叶片发生变形故障时噪声频谱的特征,为转子叶片变形故障的准确判断提供依据。     

时变工况行星齿轮箱对数时频脊阶次谱故障特征提取

风电机组齿轮箱工作于强噪声且变转速变载荷的工况下,其振动信号非常复杂。建立了一个时变转速变载荷的行星齿轮箱振动信号模型。提出了时频脊阶次谱故障特征提取方法。对振动信号进行Wigner-Ville时频变换,取对数后进行重排;采用Crazy climber方法提取对数重排时频谱图中的峰值脊线;将脊线转换为时频脊阶次谱。通过仿真信号与转速、载荷连续波动实验数据表明,对数时频脊阶次谱故障特征能够为时变复杂工况行星齿轮箱故障预警提供有效的依据。     

离心式压缩机转子故障识别的EEMD-PCA方法研究

针对离心式压缩机转子系统振动小,振动信号具有非平稳、非线性和伴随噪声干扰的特点,提出一种总体平均经验模式分解(Ensemble Empirical mode decomposition, EEMD)联合主分量分析(Principal component analysis, PCA)的故障识别方法。该方法以相关分析结合傅立叶变换选择基本模式分量(intrinsic mode function, IMF)为基础,构造了波动变化性指标以定量识别EEMD的噪声幅值参数;进一步获取各运行状态的14种时域振动评价指标并构造标准化特征数据集后,采用PCA降维法得出不同类型故障的振动模式类别。通过对离心式压缩机转子典型故障的振动信号分析,其结果表明该方法能够在解除信号非平稳非线性干扰的基础上,快速独立地提取信号中的主要振动模式,制定表征不同故障类别的特征数据区域,从而有效提高了离心式压缩机的故障识别能力。     

基于混沌弱信号检测的轧机故障诊断研究

为检测强噪声背景下轧机的转子和齿轮故障,给出了一种Duffing方程检测微弱信号的算法.设计加入待检信号后的混沌振子方程,检测出转子发生早期碰摩以及齿轮偏心和单齿缺陷故障.故障诊断实验可以证明利用Duffing振子的间歇混沌现象对强噪声背景中轧机故障的微弱特征信号进行检测的有效性,与相关函数法比较,证明此方法的优越性.     

基于信号共振稀疏分解与重分配小波尺度谱的转子碰摩故障诊断方法

提出了基于信号共振稀疏分解与重分配小波尺度谱的转子碰摩故障诊断方法。与常规的基于频带划分的信号分解方法不同,信号共振稀疏分解方法根据信号中各成分品质因子的不同,将信号分解成高共振分量和低共振分量。当转子出现碰摩故障时,振动信号往往由以转频及谐波为主要成分的周期信号、包含转子故障信息的瞬态冲击信号以及噪声组成。周期信号为窄带信号,具有高的品质因子,可分解为高共振分量;而瞬态冲击信号为宽带信号,具有低的品质因子,可分解为低共振分量。本文方法先利用信号共振稀疏分解方法从转子碰摩信号中提取冲击成分,再对提取的冲击成分进行重分配小波尺度谱分析,最后根据尺度图中冲击成分的周期诊断转子碰摩故障。算法仿真和应用实例验证了该方法诊断转子碰摩故障的有效性。