具有呼吸裂紋的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特征提取及預(yù)診方法研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)機(jī)械是現(xiàn)代化工業(yè)社會(huì)必不可少的裝備，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要行業(yè)和航空航天等國(guó)防重點(diǎn)領(lǐng)域有極其重要的影響。旋轉(zhuǎn)設(shè)備一旦發(fā)生突然故障，設(shè)備的維修和非計(jì)劃停機(jī)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)危害是巨大的。轉(zhuǎn)子裂紋故障是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最常見(jiàn)的故障形式之一，因此對(duì)裂紋轉(zhuǎn)子的故障性質(zhì)和發(fā)展過(guò)程進(jìn)行深入研究，并對(duì)裂紋轉(zhuǎn)子剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而采取相應(yīng)的措施實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)，降低事故發(fā)生率和計(jì)劃外停機(jī)次數(shù)，對(duì)于保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效、安全、平穩(wěn)、低成本運(yùn)行具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和

2、社會(huì)意義。
　　本文針對(duì)具有橫向呼吸裂紋的Jeffcott轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障特征提取、性能評(píng)價(jià)和剩余壽命預(yù)測(cè)等預(yù)診關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，提出了一種融合動(dòng)力學(xué)分析、斷裂力學(xué)理論和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)方法的裂紋轉(zhuǎn)子預(yù)診新途徑。
　　在對(duì)重力占主要作用的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)裂紋呼吸變化過(guò)程分析的基礎(chǔ)上，利用獨(dú)立完整的數(shù)學(xué)函數(shù)對(duì)裂紋呼吸過(guò)程進(jìn)行描述，建立了裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)呼吸裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)特有的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了分析。研究了轉(zhuǎn)子在經(jīng)過(guò)1/3和1/

3、2亞臨界轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)的振動(dòng)位移、軸心軌跡隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，并利用Floquet理論對(duì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、裂紋深度和阻尼等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)周期運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了分析。針對(duì)裂紋轉(zhuǎn)子在經(jīng)過(guò)1/3和1/2亞臨界轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)，利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓‥mpirical Mode Decomposition, EMD）法進(jìn)行分解，提取特定高倍頻振動(dòng)成分作為裂紋故障的典型特征，有助于深入理解轉(zhuǎn)子裂紋的變化規(guī)律，使特征提取具有明確的物理意義。在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)裂紋

4、轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)亞臨界轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)的軸心運(yùn)動(dòng)軌跡演化規(guī)律和特定高倍頻成分變化規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果一致，驗(yàn)證了呼吸裂紋函數(shù)建模的正確性和基于EMD方法的裂紋故障特征提取方法的有效性。
　　在完成裂紋轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究和特征提取之后，綜合考慮裂紋轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)和斷裂力學(xué)理論信息，建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back-propagation Neural Network, BPNN）模型的性能評(píng)價(jià)模型。利用斷裂力學(xué)理論分析了裂紋產(chǎn)生和發(fā)展

5、的基本原理及過(guò)程，研究了裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子理論及計(jì)算方法；建立了呼吸裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的有限元模型，并將動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與斷裂力學(xué)理論相結(jié)合求解出了在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中考慮裂紋面接觸問(wèn)題的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子，研究了整周期內(nèi)應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化規(guī)律，為進(jìn)一步全面理解呼吸裂紋的特性提供了條件；在求得動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化幅度后，利用斷裂力學(xué)中經(jīng)典的Paris裂紋擴(kuò)展模型對(duì)特定裂紋深度的疲勞擴(kuò)展壽命進(jìn)行評(píng)估，作為性能評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)；將由EMD方法所提取的1/3和

6、1/2亞臨界轉(zhuǎn)速下的特定高倍頻幅值及其均值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合特征輸入，并將由疲勞劣化程度和疲勞擴(kuò)展壽命得到性能值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，從而建立了綜合考慮動(dòng)力學(xué)振動(dòng)特征和斷裂力學(xué)信息的基于 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)特征與具有斷裂力學(xué)意義的性能值之間的非線性映射。
　　以所評(píng)價(jià)的性能為基礎(chǔ)，根據(jù)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)思想，分別建立了多尺度馬爾可夫剩余壽命動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)剩余壽命動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，針對(duì)兩種模型各自的預(yù)測(cè)特性，最終建立

7、了基于多尺度馬爾可夫模型與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型。通過(guò)對(duì)裂紋轉(zhuǎn)子的剩余壽命仿真驗(yàn)證表明，本文所提出的混合預(yù)測(cè)模型具有良好的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)性能，是一種行之有效的預(yù)測(cè)方法。
　　本文以裂紋轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析為基礎(chǔ)，結(jié)合斷裂力學(xué)理論從機(jī)理上認(rèn)識(shí)故障產(chǎn)生、發(fā)展過(guò)程和表現(xiàn)特征，并采用智能方法實(shí)現(xiàn)了性能的評(píng)價(jià)和剩余壽命預(yù)測(cè)，最終提出了一種新的裂紋轉(zhuǎn)子故障預(yù)診途徑，將傳統(tǒng)的基于模型的劣化過(guò)程分析理論引入預(yù)診領(lǐng)域，為基于數(shù)據(jù)挖掘的預(yù)診技術(shù)在工