中圖分類號 : 論文編號 1028707 11科分類號 : 082304 碩士學位論文 轉子 耦合故障 振動信號的 盲分離技術研究 研究生姓名 曲秀秀 學科、專業 載運工具運用工程 研究方向 航空器運行監測與故障診斷 指導教師 陳 果 教授 南京航空航天大學 研究生院 民航 學院 二 一 一 年 三 月 A u of 2011 承諾書 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。盡我所知，除文中已經注明引用的內容外，本學位論文的研究成果不包含任何他人享有著作權的內容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 本人授權南京航空航天大學可以有權保留送交論文的復印件，允許論文被查閱和借閱 ,可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。 (保密的學位論文在解密后適用本承諾書 ) 作者簽名： 日 期： 南京航空航天大學碩士學位論文 I 摘 要 現代航空發動機為了追求高的性能和高的推重比，結構日趨復雜，工作環境也越 發 苛刻，造成 發動機在高速運 轉 過程中，振動 異常 而出現故障 ，特別是其 核心部件 轉子系統 。 然而，龐大復雜的結構使得發動機運行時產生的振動信號往往不是一個單獨的振動信號，而是包含多個 故障 源 的 振動信號。于是， 如何 分離并 提取 各 故障 信號，成為航空發動機實時狀態監測與故障診斷的前提和關鍵。 本文針對轉子系統 耦合故障 的振動特性， 首先建立了動力學模型進行非線性特性分析，然后，將 現有的盲源分離算法應用 到轉子系統 耦合故障 診斷。 本文 具體 研究工作 如下 ： （ 1）系統地介紹了盲源分離（ 基本理論及其典型算法 法，重點突出了它在機械設備故障診斷中的應用性能 ； （ 2）建立了 耦合故障 轉子系統動力學模型， 模型中將轉子考慮為兩端無約束的等截面自由歐拉梁模型，并考慮 不平衡、碰摩、裂紋及基礎松動四種主要故障 ，建立系統運動微分方程，運用模態截斷法， 結合 數值積分法獲取轉子系統的響應 ； 同時運用 多功能轉子實驗 臺 進行了 模型 驗證 ； 最后， 利用分 岔 圖等 對 耦合故障 轉子 系統的 動力學行為 特征 進行了詳細的研究 ； （ 3）研究了盲源分離（ 論在轉子故障診斷中的應用。 文中 利用所建系統模型 和 模擬轉子 不平衡、碰摩、裂紋及基礎松動四種 耦合故障， 分別 獲取 轉子系統的振動響應；最后對仿真和實測兩類 轉子 振動數據進行了分離試驗研究 。 關鍵詞： 轉子 系統 ，耦合故障，振動信號，盲源分離，故障診斷 轉 子耦合故障振動信號的盲分離 技術研究 n of of is at to of of by s is a f it is of of an in a to of of a of of to of is as (1)is in (2) A of In s is to to of (3) is in of by 京航空航天大學碩士學位論文 錄 摘 要 . I . 錄 . 、表清單 . V 注釋表 . 一章 緒論 . 1 題研究的背景及意 義 . 1 究現狀 . 2 子系統耦合故障研究現狀 . 2 源分離技術的研究現狀 . 3 文的主要研究內容 . 5 第二章 盲源分離基本理論與算法 . 6 源分離數學模型 . 6 立分量分析 （ . 7 立分量分析的基本假設 . 7 于非高斯化的獨立分量分析方法 . 8 法 . 9 法的數據預處理 . 9 法理論 . 10 源分離問題的兩個不確定性 . 11 分離技術的應用 . 12 章小結 . 13 第三章 轉子故障耦合系統動力學分析 . 14 耦合故障的連續梁轉子 . 14 平衡故障模型 . 17 摩故障模型 . 17 動故障模型 . 18 紋故障模型 . 18 承力模型 . 20 型驗證 . 21 合故障非線性動力學行為分析 . 22 碰摩與裂紋的轉子系統非線性動力學分析 . 23 松動與裂紋的轉子系統非線性動力學分析 . 25 章小結 . 28 第四章 轉子系統耦合故障信號盲分析 . 29 子故障實驗 . 29 子信號 采集 實驗臺介紹 . 29 轉 子耦合故障振動信號的盲分離 技術研究 不平衡故障實驗 . 32 摩故障實驗 . 32 礎松動故障實驗 . 34 紋故障實驗 . 34 子系統故障的仿真信號盲分離 . 35 平衡 . 35 平衡 . 36 平衡 基礎松動耦合故障分離 . 37 平衡 裂紋耦合故障分離 . 38 子系統故障的實驗數據盲分離 . 40 平衡 . 40 平衡 . 41 平衡 基礎松動耦合故障分離 . 41 平衡 裂紋耦合故障分離 . 42 章小結 . 43 第五章 總結與展望 . 44 文工作總結 . 44 作展望 . 44 參考文獻 . 45 致 謝 . 50 在學期間的研究成果及發表的學術論文 . 51 南京航空航天大學碩士學位論文 V 圖、表清單 圖 性 瞬時混合模型 原理圖 6 圖 法計算流程 圖 11 圖 耦合故障轉子系統 動力學模型 14 圖 續梁轉子受力示意圖 15 圖 子碰摩故障動力學模型示意圖 17 圖 礎松動故障動力學模型示意圖 18 圖 軸裂紋故障動力學模型示意圖 19 圖 紋轉子模型 19 圖 子實驗臺實物圖 21 圖 子實驗臺示意圖 21 圖 子響應瀑布圖 22 圖 同裂紋深度下系統響應隨轉速變化的 分岔圖 23 圖 同裂紋深度下系統響應隨轉速變化的 分岔圖 (含碰摩 ) 24 圖 同 裂紋深度下系統響應隨轉速變化的 分岔圖 (含松動 ) 25 圖 松動端轉軸軸心軌跡 26 圖 松動端轉軸軸心軌跡 26 圖 s/ 時轉子系統響應 27 圖 s/ 時轉子系統響應 27 圖 s/ 時轉子系統響應 28 圖 3紋時 s/ 時轉子系統響應 28 圖 子實驗臺及傳感器安裝 29 圖 驗裝置信號采集原理圖 30 圖 電傳感器組成示意圖 30 圖 渦流工作原理 圖 31 圖 驗裝置信號采集器實物圖 31 圖 子 不平衡實驗 32 圖 子碰摩裝置示意圖 32 圖 子 基座松動實驗 34 圖 子 裂紋實驗 34 轉 子耦合故障振動信號的盲分離 技術研究 平衡 35 圖 平衡 36 圖 平衡 36 圖 平衡 37 圖 平衡 松動耦合故障時轉子系統響應混合信號 38 圖 平衡 松動耦合故障時轉子系統響應分離信號 38 圖 平衡 裂紋 故障 時轉子系統響 應混合信號 39 圖 平衡 裂紋 故障 時轉子系統響應分離信號 39 圖 平衡 40 圖 平衡 40 圖 平衡 41 圖 平衡 41 圖 平衡 基礎松動耦合故障實測混合信號階次譜圖 41 圖 平衡 基礎松動耦合故障實測分離信號階次譜圖 42 圖 平衡 裂紋耦合故障實測混合信號階次譜圖 42 圖 平衡 裂紋耦合故障實測分離信號階次譜圖 42 表 由梁函數系數 16 表 子實驗臺主要計算參數 21 南京航空航天大學碩士學位論文 釋表 E, I, L, , A 轉軸的彈性模量、截面慣性矩、轉軸長度、轉軸密度、轉軸截面積 pp,碰摩接觸剛度 端軸承的支承反力 端軸承的支承反力 盤對轉軸的 x 和 y 向作用力 承幾何中心、轉子幾何中心、轉子質心 轉子圓盤和靜子的間隙 e 質量偏心量 R 轉軸半徑 a 轉軸裂紋深度 摩力在切向和法向的分量 ),( 轉軸在 面的的振動位移動變量 ),2/( 轉軸在 L/2 處 t 時刻的 x 向的振動位移 ),2/( 在轉軸的 L/2 處 t 時刻的振動速度 ),( 轉軸在 面的振動位移變量 ),2/( 轉軸在 L/2 處 t 時刻的 y 向的振動位移 ),2/( 轉軸在 L/2 處 t 時刻的 y 向的振動速度 ),( 轉軸在 L 處 t 時刻的 x 向的振動位移 ),( 在轉軸的 L 處 t 時刻的振動速度 ),( 轉軸在 L 處 t 時刻的 y 向的振動位移 ),( 轉軸在 L 處 t 時刻的 y 向的振動速度 轉 子耦合故障振動信號的盲分離 技術研究 L ，左端軸承座的垂向位移、速度 RR ，右端軸承座的垂向位移、速度 )( )(， 圓盤在 t 時刻的 x 方向的振動位 移，速度，加速度 )( )(， 圓盤在 t 時刻的 y 方向的振動位移，速度，加速度 )( )(在 面， 面的自由梁正交函數系 )( )(x， y 方向第 n 階模態 )( ， )( )( )(二階導數 源分離 (立分量分析 (速獨立分量分析 （ 南京航空航天大學碩士學位論文 1 第一章 緒論 題研究的背景及意義 旋轉機械是一類被廣泛使用的機械設備 ，在許多行業 （航空、 電力、石化、冶金、采礦等 )中，旋轉機械 都成為最關鍵和最核心的設備并起著舉足輕重的作用。而航空發動機作為一種最典型的高速旋轉機械，它是飛機的心臟。同時 隨著科學技術的 進步 ， 航空發動機的性能要求越來越高，結構也越來越復雜，這不僅促進了機械制造技術及設計技術的提高，同時 對設備的運行狀態監測和故障診斷技術提出了更高的要求 。近年來，由于 航空發動機失去工作能力 引發的災難性 飛行事故 發生過多起， 給國家造成極大的損失 。因此， 對 航空發動機 的運行實施有效地監測和診斷是非常必要的，這已經引起國家和有關專家的高度重 視。 當然， 航空發動機 作為 典型的高速復雜旋轉機械，其核心部件是轉子和其支承系統 。 據統計，航空發動機 常見 故障中有 80%是 來自于轉子系統 的 1； 只要 轉子系統 異常振動 過大 ，就會造成 航空發動機能力 的 喪失 ， 從而 引發災難性的 飛行事故。因此，必須加強對航空發動機轉子系統的狀態監 測 和故障診斷研究 。目前 主要 的診斷方法 就 是振動分析法， 此方法是設備故障診斷方法中最有效、最常用的方 法 ； 如果測試結果 振動量過大，說明發動機制造、裝配質量不高；也可能是發動機已 發生 故障的表現。 然而， 由于現代的航空發動機為了追求高的性能和高的推重比，在高 溫、高壓條件下高負荷、高轉速運轉，其結構也是日趨復雜，這就使得航空發動機在高速運行過程中，必然會導致各零部件的振動，使得 發動機在運行時產生的振動信號往往不是一個單獨的振動信號，而是 由 多個振動源信號 (包括各種噪聲 )混合 而成 ； 因此 說 ， 濾 除所有干擾， 將 有用 的 信息 正確提取 出來 并以此 作為故障診斷的依據，是發動機 運行 狀態 監測與故障診斷的前提 2。 同時需要考慮的是，轉子系統故障 種類繁多，形式多樣 ，在發生單一故障的同時還有可能出現多種類型故障的耦合情況，此時系統振動會急劇增加。當然這時候的振動信號就包含著多個故障源信 號，還有噪聲。于是，引入盲源分離技術從觀測到的 混合 信號中將單一故障信號分離開來，已成為耦合故障診斷的必由之路。 所以 說，對轉子系統的耦合故障進行診斷具有極其重要的現實意義。 由此可見，利用 先進的 信號 處理 和 故障診斷 技術，對發動機振動信號進行特征提取， 能夠準確 獲取與轉子故障相關的信息 。這對于 正確識別轉子系統 的 故障，提高航空發動機的運行安全性和可靠性，具有 非常 重要 的實際 意義。 轉 子耦合故障振動信號的盲分離 技術研究 2 究現狀 現代航空發動機轉子故障診斷技術，主要涉及兩個方面：一是故障分析，二是故障識別 3。具體的就是說：首先根據轉子動力學原理分析 發動機轉子部件工作以及出現故障時的振動機理，作為知識儲備；其次通過計算或者試驗獲取轉子系統在故障激勵下的振動響應，作為 待檢 樣本集；然后借助先進的信號處理和分析技術，對發動機 轉子系統 振動信號進行特征提取，作為故障識別判據；最后將提取特征與儲備知識庫進行對比，完成故障的診斷工作。旋轉機械故障種類繁多，形式多樣，最常見的故障有以下幾種： 不平衡、碰摩、不對中、轉軸裂紋、基 座 松動、油膜振蕩、 滾動軸承故障等 ； 除了單一故障以外，還 會 出現各種類型的耦合故障。本文主要是針對 不平衡、碰摩、 基礎松動 及 裂紋 四種主要故障，進行轉子耦 合故障的盲辨識。 子系統耦合故障研究現狀 從 20 世紀 90 年代中期 ，就 開始了對耦合故障轉子系統的非線性動力學理論的研究，國內外的學者取得了許多 重大的 成果。 國外，文獻 4中 1984 年針對 子局部碰摩 的現象 提出了一個描述碰摩的力學模型， 文章中提出 碰摩過程 會 增加 轉子 系統的支撐 剛度 ； 文獻 5中 B 等研究了裂紋轉子的 穩定性和穩態響應，并全面討論了 裂紋位置、裂紋角等參數對 系統響應 的影響規律 ； 文獻 6中 先研究了帶有松動和碰摩故障的轉子 系統的非線性動力學問題 ； 文獻 7中 等人建立了 考慮轉靜 碰摩的 裂紋 轉子 探討 了呼吸裂紋對系統振動特性的影響并通過了實驗驗證 ，指出在裂紋狀態下系統響應的 2 倍頻分量變得明顯 。 在國內 ， 文獻 8中 羅躍綱、張松鶴 等人 建立 了 含有裂紋 軸承系統動力學模型，運用數值積分法對系統響應進行了仿真研究， 并 探討了系統 運動 的非線性特 證 ； 文獻 9中宿蘇英等人研究了含裂紋 借助小波 變換 分析了同過程中轉子系統的時頻特性，取得良好的效果；文 獻 10中 對含 有裂紋 動穩定性進行了研究 ， 發現了雙跨裂紋轉子 系統周期運動的失穩規律 ，指出了 系統以倍周期分岔 的 失穩 形式； 文獻 11中 劉長利 、 鄭建榮 等人對松動、裂紋轉子系統的 周期性運動的穩定性進行了分析研究，指出裂紋和基礎松動都會降低系統的穩定性 ； 文獻 12中劉元峰，趙玫等人研究了 子 在出現裂紋和基礎松動情況下的振動特性，并探討了松動以及裂紋深度對轉子振動剛度的影響； 文獻 13中 羅躍綱， 曾海泉 等人 建立了含支座松動 用分岔圖和 最大 數圖對轉子系統 非線性行為進行了分析，最后運用某風機對模型進行了正確的試驗驗證 ； 文獻 14中利用分 岔 圖研究了基礎松動和碰摩故障下系統的運動特性，找出了系統的分叉規律； 文獻 15,16中 陳果等建立了滾動軸承支承下的轉子系統的不平衡 基礎松動耦合故障動力學模型 ， 運用數值積分方南京航空航天大學碩士學位論文 3 法 詳細 分析了轉速 等參數 對系統響應的影響 ， 發現了含耦合故障的轉子 動 響應的非線性規律。 在對轉子耦合故障機理和轉子非線性動力學行為研究的同時，國內外學者也對轉子系統耦合故障診斷的方法、技術與診斷設備 進行了研究， 同樣取得了 驚人 的成果。 文獻 17中 S. 人對轉子系統中裂紋故障進行檢測，并研究了裂紋位置及深度對系統響應特性的影響 ， 取得了令人滿意的結果 ； 文獻 18結合廣義維數序列和數學方法，提出分形診斷分類方法，并通過實例診斷、識別故障及其故障程度，取得良好的效果； 文獻 19中萬方義等人指出耦合故障不是單故障的線性疊加 ，在 故障監測和診斷過程中， 為充分考慮到 各個非線性因素， 必須進行 時域和頻域 綜合 分析，才能取得更為合理的結果 ； 文獻 20中譚真臻等綜合運用 成分分析以及野點檢測 ，提出了一種基于 的轉子故障診斷新方法，具有良好的識別率 。 近年來，不少學者嘗試著 將 盲源分離、 算法應用到轉子和滾動軸承故障診斷 中 。 文獻 21中將獨立分量分析方法應用于某臺發動機，有效地從發電機的振動信號中提取出噪聲源 ；文獻 22中認為振動信號 往往具有 較低 的信噪比 ，為更好的分析振動情況，必須將噪聲剔除 ，因此將盲源分離思想運用到機器振動信號的提取中 ； 文獻 23中通過對傅里葉變換和 盲源分離算法的比較，指出盲源分離算法能夠更好的分離航空發動機高、低壓轉子的混疊信號， 驗證了該算法的正確有效 性 ； 文獻 24中 張金玉、黃先祥等將盲源分離算法應用機械信號處理當中，文中使用了一個轉子試驗臺來產生所需的振動，使用 3 個傳感器和對應的 3