基于转子试验台的典型故障信号分析开题报告及文献综述

一、选题依据1论文（设计）题目基于转子试验台的典型故障信号分析2研究领域转子试验台故障的研究方法，它要运用到测控技术，信号分析，研究常见的转子故障机理3. 论文（设计）工作的理论意义和应用价值机械含着大量的作旋转运动的零部件，例如各种传动轴、主轴、电动机和汽轮机的转子等，统称为旋转体。在理想的情况下旋转体旋转时与不旋转时，对轴承产生的压力是一样的，这样的旋转体是平衡的旋转体1。但工程中的各种旋转体，由于材质不均匀或毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素，使得旋转体在旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消，离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上，引起振动，产生了噪音，加速轴承磨损，缩短了机械寿命，严重时能造成破坏性事故。为此，必须对转子进行平衡，使其达到允许的平衡精度等级，因此产生的机械振动幅度降在允许的范围内2。因此了解测量动平衡信号，并对信号进行处理才能更好的学习、理解何为转子不对中、何为动平衡，才能对各领域中动平衡在生产生活中有一个新的认识。旋转机械被广泛地应用于包括燃气轮机，航空发动机，工业压缩机及各种电动机等机械装置中。在电力、航空、机械、化工、纺织等国民经济领域中起着非常重要的作用，而对其动力学特性的研究也形成了一门专门的学科转子动力学3。转子动力学在国内外都是一门非常活跃的学科，每年都有大量的文章发表。转子动力学是研究所有与旋转机械转子及其部件和结构有关的动力学特性，包括动态响应、振动、强度、疲劳、稳定性、可靠性、状态监测、故障诊断和控制的学科。这门学科研究的主要范围包括：转子系统的动力学建模与分析计算方法；转子系统的临界转速、振型与不平衡响应；支承转子的各类轴承的动力学特性；转子系统的稳定性分析；转子平衡技术；转子系统的故障机理、动态特性、监测方法和诊断技术；密封动力学;转子系统的非线性振动、分叉与混沌；转子系统的电磁激励与机电祸联振动； 转子系统动态响应测试与分析技术；转子系统振动与稳定性控制技术；转子系统的线性与非线性设计技术与方法。转子动力学研究的目的和任务是为旋转机械转子的优化设计、提高效率、保证安全、减少故障和延长寿命提供理论和技术上的支持与保障。随着工业技术和科学水平的进一步发展，特别是计算机技术的迅速发展，现代机械设备正向着自动化、大型化、高速化和智能化方向发展，其功能越来越多、结构越来越复杂，这也使得其在正常运行过程中容易出现了大量的强度、结构、振动、噪声、可靠性，以及材料与工艺等方面的问题。对于大型回转机械来讲，振动监测的重点是转子系统。因为在回转机械中，转子是设备的核心部件，整个设备能否正常工作主要取决于转子能否正常运转，而且在旋转机械故障诊断中经常碰到的且影响最大的就是振动故障4。设备损坏事件时有发生，美国石油企业由于设备故障问题导致每年石油产量减少 3%8 %，引起约 200 亿的经济损失.确保旋转机械设备的安全运行，进一步降低维修费用和延长设备寿命己成为企业提高经济效益和社会效益的重要手段 。转子工作时往往伴随着高转速和复杂工况，容易产生各种故障，一旦故障发生，将带来重大安全隐患和经济损失，因此，加强对转子故障诊断的研究，防患于未然，具有十分重要的意义5。4目前研究的概况和发展趋势发展。随着科学技术的进步与飞速发展，工业设备与系统不断向着大型，高效率，高性能和高自动化方向的发展。作为工厂的关键设备，大型旋转机械如汽轮机，发电机，涡轮机和离心式压缩机等，都价值不菲，在社会经济中占有很重要的地位。虽然这些设备的安全系数不断提高，但由于工作环境等其他条件，使得它的一些部件可能出现故障，一旦出现故障，轻则会有经济损失，而重则会酿成机毁人亡的大事故，为了解机械设备的情况，减少或避免事故的发生，及时了解设备的工作情况，预防事故的发生，发挥出设备的潜在能量。这就对设备工况监测和研究提出了较高要求6。在旋转机械故障诊断中，最经常碰到的且影响最大的就是振动故障。旋转机械中的振动主要有两种形式:一是强迫振动，它是由于转子不平衡，联轴节不对中，安装偏差造成的，其振动频率为转子的回转频率及其倍频。在转子临界速度前，其振幅随转速增大而增大，超过临界速度，振幅减小。在临界速度处有一共振峰;二是自激振动， 其振动频率低于转子的回转频率。由于这种差异，在转子与定子中产生交变应力。自激振动常常在某个转速下(大于临界转速)突然发生，往往构成突发性故障7。在国内常用的信号分析和处理方法有：时域分析，如相关分析，幅值分析，统计特征参数分析，波形分析；频域分析，如功率谱分析，倒谱分析，细化谱分析；回顾国内外专家和学者在旋转机械故障特征提取和故障诊断方面的研究， 可以将故障特征提取技术的发展历史分为如下四个阶段8：第一阶段 ，20 世纪 60 7 0 年代 ，长期恶劣的运行环境导致旋转机械出 现的各类故障，利用简单的信号分析仪器再加上人类有限的经验知识对常见的故 障信号进行分析诊断，解决了部分旋转机械失效的问题。第二阶段 ，20 世纪 70 8 0 年代 ，随着数字电路 、计算机技术以及信号 处理技术的发展，同时 ，随着 FFT 算法的提出 ，使得频谱分析的运算速度成倍提高。因此就出现了简单频谱分析仪，进一步提高了故障信息采集与分析的准确性。第三阶段，20 世纪 80 9 0 年代 ，随着一些相关技术的发展，特别是嵌入式技术、现代检测技术、信号处理技术、模式识别技术与信号特征估计技术等 相关的现代科学技术的迅速发展，许多发达国家投入巨大的人力和物力研究旋转 机械故障特征提取与分析技术；因此，旋转机械设备故障特征提取与分析技术研究进入了系统化的阶段。第四阶段，自 20 世纪 90 年代以来，计算机价格不断下降，数据处理速度不断提升，为工业上应用状态预测创造了有利的条件。同时，随着计算机网络技 术的快速发展，使得基于因特网的远程监测与分析系统越来越多的出现在工业领域 。在我国，设备故障诊断与预维修技术研究工作起步较晚8。国内的一些民用工业，尤其是冶金、石化和电力等流程工业，在开发和应用设备诊断技术方面走在了前面，因为这些工业的关键设备一旦发生事故就会造成很大的损失9。80 年代末，中国民航学院和北京航空航天大学研制了民航发动机转子系统故障诊断实施的一般过程 ，主要包括数据获取、信号处理与特征提取、故障识别、诊断决策等步骤，其中数据获取是故障诊断的前提，故障特征提取是关键，故障识别是整个过程的核心。转子故障诊断的研究工作便围绕这几个环节开展开来10。二、论文（设计）研究的内容1.重点解决的问题认识转子试验台的构造、转子台的典型故障故障原因2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）（1）认识转子试验台构造底座、主轴、飞轮、直流电机、主轴支座、主轴支座、含油轴承及油杯、 电机支座、联轴器及护罩、电涡流传感器、磁电转速传感器支架、测速齿轮、保护挡 板支架（2）转子典型故障原因:转子不对中:旋转机械一般是由多根转子所组成的多转子系统，转子间一般采用刚性或半挠性联轴节联接。由于制造、安装及运行中支承轴架不均匀膨胀、管道力作用、机壳膨胀、地基不均匀下沉等多种原因影响，造成转子不对中故障，从而引起机组的振动11。转子不平衡:转子不平衡是旋转机械最常见的故障之一。由于设计、制造、安装中转子材质不均匀、结构不对称、加工和装配误差等原因和由于机器运行时结垢、热弯曲、零部件脱落、电磁干扰等原因而产生质量偏心12。基座松动:转子支座松动是指系统结合面存在间隙或联接刚度不足，造成机械阻尼偏低，机组运行振动过大的一种故障，也是机械系统中常见的一种故障。3.本论文（设计）预期取得的成果了解旋转机械故障分析技术以及重要性。能用 Matlab 对旋转机械故障信号进行简单的处理仿真。三、论文（设计）工作安排1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）；（1） 转子不对中研究方法进行故障诊断时，在熟知其故障振动机理的基础上，辨清各故障之间的区别与联系，以求在众多的信号分析谱图中，寻找与不对中故障对应的特征信息。诊断不对中故障，可用时域波形图、幅值（功率）谱有如下一些表现形式13。时域波形为 1X、2X 叠加的 M 形波形。幅值、功率谱上 2X 分量大，常伴有 1X 及高次谐波；当不对中比较严重时，会出现准确的分频 X12、X13 及调制和差频成分 1X、3X14。（2）转子不平衡研究方法转子轴心轨迹的形状是判断转子运行状态和故障征兆的重要根据。转子轴心轨迹是指转子上轴心一点相对于轴承座运动而形成的轨迹。在汽轮机运行过程中，从以往的经验看，不同的轴心轨迹对应着不同的故障类型。例如：椭圆形对应的是不平衡故障；八字型对应的是不对中故障；内环型对应着油膜涡动故障；花瓣型对应着油膜振荡故障。因此如果能够得到转子运行的轴心轨迹，我们就可以判断出转子处于何种故障。转子的轴心轨迹为椭圆形，我们可以判定转子处于不平衡状态。（3）基座松动研究方法部件松动故障分为两大类，一类是非转动部件的配合松动故障；另一类是转动部件的配合松动故障，其中前者较为常见。非转动部件配合松动的典型情况是轴承外壳与轴承座配合间隙过大、轴承座的松动、支座松动、地脚螺栓松动和基础灌浆不实等。松动也可以使任何已有的不平衡、不对中所引起的振动问题更加严重，从而可能导致旋转机械设备的剧烈振动15。2.论文（设计）进度计划第 1 周：查阅文献，了解毕业设计题目的研究意义第 2 周：查阅文献，了解毕业设计题中相关内容的国内外发展现状第 3 周：阅读文献，掌握毕业设计的研究内容及技术路线第 4 周：撰写毕业设计开题报告，准备开题报告答辩第 5 周：掌握转子试验台的组成及工作原理第 6 周：掌握转子试验台的典型故障信号的原因及表现第 7 周：掌握转子试验台典型故障信号的采集第 8 周：学习 matlab 的编程技术第 9 周：中期审核第 10 周：掌握转子基座松动的信号分析方法及 matlab 实现第 11 周：掌握转子不平衡的信号分析方法及 matlab 实现第 12 周：掌握转子不对中的信号分析方法及 matlab 实现第 13 周：撰写毕业设计论文第 14 周：撰写毕业设计论文第 15 周：完成毕业设计论文修改及答辩 ppt第 16 周：毕业答辩四、需要阅读的参考文献1、田静，许宝杰.基于转子实验台的典型故障信号模拟与分析J.北京信息科技大学学报(自 然科学版)，2005，20(3):1-4.2、周扬.基于振动信号分析的转子故障诊断方法研究D.南京航空航天大学，20143、周丽芹，刘建丽，王立红.基于转子实验台的典型故障信号模拟与分析J.振动、测试与诊 断，2004，24(2):131-134.4、杨文瑛.基于经验模态分解的转子故障信号熵特征提取研究D.兰州理工大学，2012.5、马文朋.基于振动分析的民航发动机转子系统故障诊断研究D. 天津大学，2015.6、Analysis of the Reliability of a Jet Engine Compressor Rotor BladeCompressor Rotor Blade Containing a Fatigue Crack7、霍天龙.基于支持向量机的转子系统故障诊断方法研究D.兰州理工大学，2011.8、欧阳运芳.旋转机械状态监测与故障诊断中信号分析方法及应用研究D.哈尔滨工业大学， 2001.9、陈书凯.转子系统振动故障分析与诊断D.南京航空航天大学，2005.10、Thermoelastic Modeling of Rotor Response With Shaft Rub11、刘文彬，郭瑜，郑华文.基于短时傅里叶变换的油膜振荡故障识别J.中国测试，2008，3 4(2):105-107.12、陈培磊.航空发动机转子故障振动特征的试验研究D.沈阳航空工业学院，2009.13、EI-Shafei，A.S.EI-Kabbany，A.A.Younan，Rotor Balnacing Without Trial WeightsJ.Eng.Gas Turbines Power14、于昊.基于 LMD 和 HMM 的转子故障诊断方法D.兰州理工大学，201215、侯捷.基于电机电流转子轴承系统故障诊断方法研究D.太原理工大学，2015附：文献综述或报告文献综述基于转子试验台的典型故障信号分析综述摘要近年来，转子故障诊断技术是发展较为迅速的新技术，而在故障诊断技术中最为重要的是对故障特征信息的提取与分析。由于转子在机械中经常用到， 在工作中经常会产生各种故障，如果不能及时发现和处理，会使机械设备丧失可靠性及其正常的生产功能，带来巨大的经济损失，更为严重的甚至会导致重大的人员安全事故。这使得人们认识到对旋转机械的监测与故障诊断的重要性，并对旋转机械关键部件故障的分析技术也提出了更高要求。国内外很多学者把转子分为几种典型故障，在用信号进行分析研究关键词：转子，故障诊断，分析，信号引言随着科学技术的进步与飞速发展，工业设备与系统不断向着大型化、高效率、高性能和高自动化方向的发展。作为工厂的关键设备，大型旋转机械如汽轮机，发电机， 涡轮机和离心式压缩机等，都价值不菲，在社会经济中占有很重要的地位1。虽然这些设备的安全系数不断提高，但由于工作环境等其他条件，使得它的一些部件可能出现故障，一旦出现了故障，轻则会有经济损失，而重了则会酿成机毁人亡的大事故2。为了解机械设备的情况，减少或避免事故的发生，及时了解设备的工作状况，预防事故发生，发挥出设备的潜在能量。这就对设备工况监测和研究提出了较高要求3。一、机械故障诊断目前，信号处理是故障诊断的主流方法，通过采用合适的信号处理方法，选择适当的特征参数，提取出所需的故障特征信息，从而为故障识别和状态预测服务4。在信号处理方面，机械故障诊断的主要内容可以简单概括为四点（1）采集状态信号采集状态信号是指通过对运转中的旋转机械的状态实行完整的测试，通过测试获取有价值的信号状态信号。状态信号的正确采集具有非常重要的作用，这是因为在这些信号当中承载着设备异常或故障的所有信息。准确的充分的采集一定数量的状态信号可以充分的反映旋转机械的运行情况，它是故障诊断成功的首要条件；如果不能准确真实的采集到设备的状态信号，那么将导致以后的环节是不准确的甚至是完全错误的。所以保证采集信号的正确性和真实性是采集状态信号的关键5。（2）通过采集的信号提取故障特征虽然采集到了正确的信号，但是如果不加以提取故障信息。也将无法完成检测的工作，这是因为采集到的信号仅仅只是机械在运转的过程中所变现出来的原始状态信号。而这些原始的状态信号往往包含着大量背景噪声、干扰当中，是难以提取出有利用价值的信号的。只有利用信号处理的技术，消除干扰与噪声所带来的影响，从原始信号当中提取出有利用价值的故障信息，才能做到突出故障特征，提高故障诊断的准确性和可靠性。（3）对提取到的故障特征进行模式识别和分析在成功提取出有利用价值的故障信息后，对该信息所反映旋转机械实行分析、比较、识别来据此判断机械运行中是否有异常的情况，做到防患于未然6。一旦机械出现了故障，可以立即判断出出现故障的具体的位置以及造成故障的原因7。（4）状态预测如果机械发生了故障，则通过模式识别和分析后，为了保证人们可以方便的采取解决办法，必须更加完善的对旋转机械出现异常或故障发生在机械的哪个部位、造成这种故障的原因已尽会带来的危险的程度实行评估8。根据所得信息，来判断旋转机械运行状态和发展趋势。二、典型故障原因及特征（1）转子不对中原因：1）基础受热不均。2）机组各部件的热膨胀变形和扭曲变形9。3）机组热膨胀时由于滑动表面的摩擦力及导向键磨损引起轴承座倾斜和侧行10。4）由于转子的挠性和重量分配不均匀，转子在安装之后产生原始弯曲，进而影响对中。5）地基下沉不均。特征：1）二倍频分量明显突出，以一倍频和二倍频分量为主，不对中越严重，二倍频的分量越大；2）轴心轨迹一般表现为香蕉形；3）轴向振动幅值较大时是联轴器的不对中，振动频率为基频；4）联轴器同一方向相互垂直的两个方向，二倍频的相位差是基频相位差的两倍5）径向振动幅值较大的是轴承不对中，会出现高倍频分量，幅值不够稳定11。（2）转子不平衡原因：1）转动件本身形状不对称2）加工制造上的公差3）组装安装不当4) 转动件运转时的变形5) 转动件破损磨耗6) 转动件附着异物特征：1）转子的稳态振动是一个与转速同频的强迫振动，振动幅值随转速按振动理论中的共振曲线规律变化，在临界转速处达到最大值12。因此转子不平衡故障的突出表现为一倍频振动幅值大；2）转子的轴心轨迹为圆形或椭圆形；3）当转子工作转速一定时，相位稳定；4）转子的进动方向为同步正进动；5）转子振幅对转速变化很敏感，转速下降，振幅将明显下降13。（3）支座松动原因：1）安装质量不高2）长期的振动特征：1）松动故障会引起转子的（1/2）等分数次谐波频率；2）振动的方向性尤其是松动方向上的振动会发生变化。由于支座的约束力减小，振动的幅值会加大14。松动使转子系统在水平和垂直两个方向的临界转速会有所不同；3）振动形态会发生突变的情况。当转速改变时，振动会的幅值会发生突变突；4）除包含低频振动成分以外，支座松动还是以基频为主，同时可能有倍频的成分15。三、总结随着机械行业的发展，转子在机械中的地位越来越重要，针对转子在日常工作中的三种典型故障进行分析与研究。至今为止依然不断的有人进行探索并对其中的不足加以修正和改进使其应用范围越来越广。随着对转子工作要求的不断提高，保证转子的工作时间也需要提高。参 考 文 献1、陈书凯.转子系统振动故障分析与诊断D.南京航空航天大学，2005.2、杨文瑛.基于经验模态分解的转子故障信号熵特征提取研究D.兰州理工大学，2012.3、Thermoelastic Modeling of Rotor Response With Shaft Rub4、周扬.基于振动信号分析的转子故障诊断方法研究D.南京航空航天大学，20145、马文朋.基于振动分析的民航发动机转子系统故障诊断研究D. 天津大学，2015.6、Analysis of the Reliability of a Jet Engine Compressor Rotor BladeCompressor Rotor Blade Containing a Fatigue Crack7、霍天龙.基于支持向量机的转子系统故障诊断方法研究D.兰州理工大学，2011.8、欧阳运芳.旋转机械状态监测与故障诊断中信号分析方法及应用研究D.哈尔滨工业大学， 2001.9、田静，许宝杰.基于转子实验台的典型故障信号模拟与分析J.北京信息科技大学学报(自 然科学版)，2005，20(3):1-4.10、周丽芹，刘建丽，王立红.基于转子实验台的典型故障信号模拟与分析J.振动、测试与 诊断，2004，24(2):131-134.11、刘文彬，郭瑜，郑华文.基于短时傅里叶变换的油膜振荡故障识别J.中国测试，2008，3 4(2):105-107.12、陈培磊.航空发动机转子故障振动特征的试验研究D.沈阳航空工业学院，2009.13、EI-Shafei，A.S.EI-Kabbany，A.A.Younan，Rotor Balnacing Without Trial WeightsJ.Eng.Gas Turbines Power14、于昊.基于 LMD 和 HMM 的转子故障诊断方法D.兰州理工大学，2012 15、侯捷.基于电机电流转子轴承系统故障诊断方法研究D.太原理工大学，2015