轧机非线性振动的诊断分析与预测

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1、轧机非线性振动的诊断分析与预测1、课题调研和定位1）专业定位—充分结合机械工程实际背景开展研究2）工程机械发展趋势◆致力于解决的基本问题：改善劳动者的劳动条件；提高机器的生产率、降低工作损耗◆21世纪将广泛采用的技术：电子监测技术、虚拟现实技术、卫星控制技术◆工程机械的研究方向：机械自动化、燃油发动机节能化、机电一体化（阶段进化研究、电液集成控制、虚拟现实技术等）3）机械故障诊断的意义◆机械设备占国有资产总值60%~70%◆现代生产机械日益高速化、大型化、精密化、自动化对可靠性、安全性要求日益提

2、高4）确定研究目标：轧机振动监测◆对象特点:设备大型化、高速化、自动化、精密化；巨大动载荷危害成为生产的瓶颈◆轧机振动形式：主传动扭转振动、轧件和轧辊垂振、轴向振动◆扭振危害：传动系统零部件疲劳失效或断轴；与垂振共同影响产品质量；与电气系统产生机电共振；引起低频振动噪音◆现有研究领域轧机动力学设计分析（TAF计算、频率振型计算、结构参数优化设计）研究工艺参数变化对扭振状态的影响（如传动间隙、阻尼、滑动摩擦系数）异常轧制状态研究（如打滑和自激振动机理）非线性轧制振动状态研究（如有间隙和振动边界的自

3、激振动系统的非线性振动）◆研究手段：动力学建模、分析、动态特性研究、频谱分析等◆现存问题动力学建模存在误差、非线性振动机理研究不完备、分析方法没有针对性2、机械故障诊断的技术内容、基本特点和主要方法1）基本环节◆状态检测（信号检测、状态分析）◆故障诊断（故障模式识别、定位）◆决策形成（趋势预测、治理措施）机械故障诊断的基本原理2）基本特点◆交叉学科(计算机科学、信号分析与系统、动力学理论与方法、人工智能等)、◆理论性和实践性俱强◆新理论和新技术密集3）主要方法（根据所利用状态特征信号的性质不同分

4、类）◆振动诊断方法（拾取并分析振动特定部位的振动位移、速度或加速度信号）◆噪声诊断方法（如声发射技术）◆温度诊断方法（如超声波、红外测温）◆油液分析方法（分析有代表性油液中的磨粒，判断设备磨损情况）4)振动诊断方法的特点◆振动参数值是动态特性的直接综合反映，因而参量测取少、分析预测准确◆动力学系统中故障和响应之间存在程度不同的映射关系，便于有效分析◆测试分析仪器价格相对较低，且容易实现测量，因而诊断成本较低◆正问题求解（故障分析—建立诊断知识库）和逆问题求解（故障诊断—解读实测数据和图谱）结合◆

5、根据所依据的对象动力学原理不同，分为线性振动诊断方法和非线性振动诊断方法3、线性振动理论和非线性振动理论的比较1）定义不同：◆线性振动系统—质量不变、弹性力和阻尼与运动参数成线性关系的系统；数学描述为线性常系数常　微分方程，通过求解其频率、振幅、相位、激励、响应、模态等分析振动状态；是振幅足够小的大多数情况下振动对象的近似描述）的振动系统。◆非线性振动系统—区别于线性振动系统的振动系统2）研究角度不同：◆前提：非线性是机械系统动力学的固有属性，工程中的绝大多数振动系统都是非线性。条件是考虑机械系

6、统中的非线性因素：作用力非线性（电场力、磁场力、万有引力）、运动学非线性（法向加速度、科氏加速度）、材料非线性（非线性本构关系）、几何非线性（弹性大变形）等。◆线性振动理论是在一定范围内将诊断对象线性化，利用线性系统成熟的研究方法和结论，降低问题的理论难度和计算工作量，且所的结果基本符合实际。◆非线性振动理论适用于当对象的非线性较为突出，或者故障状态发生时（故障状态时系统非线性行为更加显著，如振动状态突变、组合共振、混沌振动等），此时线性振动理论存在较大分析误差和局限性。4、非线性振动的研究方法

7、分类根据非线性现象的物理本质，研究和建立非线性系统的数学模型和计算方法，确定系统的定性特征和定量规律，包括：1）定性几何方法（直接由运动微分方程出发，通过相平面、相轨迹、奇点、极限环等几何性质作定性分析，用于研究系统可能发生的稳态运动—平衡状态和周期运动。其数目和稳定性可随系统参数变化而突然变化的现象叫分岔现象）1）定量解析方法（对于若非线性系统，在线性系统界的基础上寻求非线性微分方程的近似解析解，得到运动规律及参数条件依赖关系）2）参数识别方法（非线性对象分析方法，见下文）3）特殊机理法（混沌

8、、分岔理论）。5、非线性振动的主要形式：1）自由振动和受迫振动（含非线性小量（高次项小系数）的弱非线性系统，如周期激励时的主共振、亚谐波共振、超谐波共振）2）自激振动（输入能量与耗散能量达到平衡而维持等幅振动，如电铃）3）参数振动（由外界激励产生，但激励对系统的作用通过系统内参数的周期改变实现，且稳定性决定于能量的数入与耗散的关系有三种状态：不稳定、渐进稳定、周期运动。如变长度摆、秋千）4）混沌振动（产生于确定性系统的敏感依赖于初始条件的往复性稳态非周期振动，非线性系统特有振动形式，类似于随机振