機(jī)械故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測特征提取中若干典型問題的分析.pdf

1、機(jī)械故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測(以下統(tǒng)稱機(jī)械故障診斷)是適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械發(fā)展潮流的一門新興學(xué)科，它以判斷故障種類、評估系統(tǒng)狀態(tài)和預(yù)測故障或狀態(tài)的發(fā)展趨勢為主要目的，在提高設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性方面具有舉足輕重的地位。機(jī)械故障診斷涵蓋了機(jī)械學(xué)、摩擦學(xué)、動(dòng)力學(xué)、信號分析與處理、測試技術(shù)、系統(tǒng)辨識等眾多學(xué)科領(lǐng)域，是一個(gè)在多學(xué)科共同支撐的條件下發(fā)展起來，并具有十分廣闊誘人發(fā)展前景的科研領(lǐng)域。 機(jī)械故障診斷主要包括三方面內(nèi)容：信息獲取、特征提取和模式識

2、別。其中，特征提取主要指信號分析與處理，它是機(jī)械故障診斷中最關(guān)鍵、最核心、難度最大、理論性最強(qiáng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，并且從根本上決定故障診斷的水平。因此，對機(jī)械故障診斷中的特征提取展開研究具有重要的理論意義和實(shí)際意義，也是故障診斷進(jìn)一步發(fā)展的迫切需要。 本文首先對機(jī)械故障診斷的特征提取概念進(jìn)行了擴(kuò)展，將其研究內(nèi)容進(jìn)行了分類，繼而選取特征提取中若干典型問題進(jìn)行了深入、細(xì)致的研究和探討，主要完成的工作如下： (1)裂紋轉(zhuǎn)子故障的動(dòng)力特

3、性和特征提取方法的研究。指出了呼吸裂紋的開關(guān)函數(shù)具有相位調(diào)制特點(diǎn)，研究了開關(guān)函數(shù)對裂紋轉(zhuǎn)子動(dòng)力特征的影響，得出了呼吸裂紋的開閉運(yùn)動(dòng)至少導(dǎo)致了振動(dòng)響應(yīng)中存在工頻的三次和五次諧波分量這一結(jié)論，并由此得出了識別裂紋種類的方法。根據(jù)裂紋的局部化特征，建立了質(zhì)量離散化動(dòng)力學(xué)模型，分析了相對裂紋不同位置處振動(dòng)響應(yīng)的差異，進(jìn)而提出利用多傳感器檢測轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號，并根據(jù)各信號間的差異判斷裂紋是否產(chǎn)生及裂紋所處的大致位置的新方法，基于此，提出了基于POC曲

4、線及其瞬時(shí)頻率的方法，數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了方法的有效性。分析了帶有裂紋軸的齒輪耦合系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性，分析了兩齒輪軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對裂紋的敏感程度，分析了裂紋誘發(fā)的振動(dòng)分量在兩齒輪軸的分配情況，及轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)比對兩齒輪軸的影響，研究所得結(jié)論對于帶有裂紋軸的齒輪系統(tǒng)的故障診斷具有一定的參考價(jià)值。 (2)軸心軌跡特征提取方法的研究。將軸心軌跡表示為復(fù)值過程，分析了軸心軌跡復(fù)值過程的頻域特性。證明了軸心軌跡復(fù)值過程的高階累積量能夠有效抑制

5、復(fù)值高斯噪聲、實(shí)虛部相關(guān)和非相關(guān)噪聲。提出并詳細(xì)討論了高階累積量譜的工頻切片和半工頻切片，給出了利用高階累積量譜對軸心軌跡進(jìn)行特征提取的具體算法，并驗(yàn)證了算法的有效性。而且，基于高階累積量譜的工頻切片和半工頻切片方法同時(shí)具有對軸心軌跡的提純和特征提取的功能，這是已有方法均不具備的。 (3)混沌信號內(nèi)在特征的研究。介紹了已有的混沌特征，發(fā)現(xiàn)除混沌信號頻譜具有連續(xù)譜段這一特點(diǎn)之外，少有從信號分析角度討論混沌信號特征的研究，因此，利用

6、各種信號分析方法，基于杜芬方程對混沌信號內(nèi)在特征進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。得到混沌信號頻譜結(jié)構(gòu)的一些新特點(diǎn)及其隨系統(tǒng)參數(shù)的變化進(jìn)行演化的規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)混沌信號中多存在“依附”頻率。分析了混沌信號的時(shí)變特征。發(fā)現(xiàn)了混沌信號中同時(shí)存在穩(wěn)定的和非穩(wěn)定的諧波成分，而且非穩(wěn)定諧波成分具有隨機(jī)性特點(diǎn)。分析了混沌信號的瞬時(shí)頻率特征，分析結(jié)果表明，混沌信號頻譜中連續(xù)譜段的整體結(jié)構(gòu)具有一定的時(shí)變規(guī)律。利用復(fù)解析小波對混沌信號進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)了混沌信號中“依附”頻率

7、信號具有幅值、相位、瞬時(shí)頻率的時(shí)變性，同一混沌信號的不同“依附”頻率信號的幅值、相位、瞬時(shí)頻率的時(shí)變特點(diǎn)具有很強(qiáng)的相似性，定義為混沌信號的調(diào)制相似性。由調(diào)制相似性，討論了具有“依附”頻率的混沌信號的奇怪吸引子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，得出了T變換映射點(diǎn)具有區(qū)域集中性和奇怪吸引子具有不同區(qū)域局部形狀相似性這兩個(gè)特點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)了一種新的混沌現(xiàn)象，即在系統(tǒng)各參數(shù)不變的情況下，系統(tǒng)響應(yīng)只經(jīng)短暫混沌運(yùn)動(dòng)便進(jìn)入長久穩(wěn)定的周期運(yùn)動(dòng)。 (4)信號中周期性奇異和周

8、期性沖擊響應(yīng)成分特征提取方法的研究。提出了分析周期性奇異和沖擊響應(yīng)的理論依據(jù)。提出了對周期性奇異成分進(jìn)行特征提取的變異高階譜和倒變異高階譜方法。分析了已有提取沖擊響應(yīng)的方法的局限性，提出了基于實(shí)測脈沖響應(yīng)構(gòu)造基函數(shù)的方法，進(jìn)而提出了對周期性沖擊響應(yīng)進(jìn)行特征提取的新方法一周期序列變換，該方法同時(shí)具有提取沖擊響應(yīng)成分和計(jì)算沖擊響應(yīng)出現(xiàn)的周期的功能。設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了以上提出的各種方法的有效性。 (5)基于實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)子碰摩故障特征提取方

9、法的研究。與以往不同，本文考慮了靜子振動(dòng)信號的特征。利用變異高階譜和倒變異高階譜方法對轉(zhuǎn)子碰摩故障進(jìn)行了分析。根據(jù)轉(zhuǎn)子碰摩故障特點(diǎn)和傳感器布置情況，對基于實(shí)測脈沖響應(yīng)的周期序列變換方法進(jìn)行了局部的調(diào)整，并對轉(zhuǎn)子和靜子振動(dòng)信號進(jìn)行了細(xì)致分析，分析結(jié)果表明所用方法可有效提取故障的特征，而且分析結(jié)果可信度較高。將瞬時(shí)功率方法引入轉(zhuǎn)子碰摩故障的分析，分析結(jié)果反映出碰摩導(dǎo)致轉(zhuǎn)靜子振動(dòng)信號的瞬時(shí)功率具有周期性突變的特點(diǎn)?；趯?shí)測脈沖響應(yīng)對轉(zhuǎn)靜子進(jìn)行