基于实测冲击响应的转子碰摩故障特征提取方法

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1、第43卷第4期机械工程学报Vol.43No.42007年4月CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGApr.2007基于实测冲击响应的转子碰摩故障特征提取方法112李允公刘杰张金萍(1.东北大学机械工程与自动化学院沈阳110004；2.沈阳化工学院机械工程学院沈阳110142)摘要：提出基于被测系统实测冲击响应的碰摩故障特征提取方法。以归一化实测冲击响应为基函数对振动信号进行分析，可提取出冲击响应成分。在此基础上，提出针对冲击响应成分的信号分析方法—周期序列变换，该方法可有效识别出是否存在周期性冲击响应和冲击

2、响应出现的周期。考虑到在检测方便性和信号成分简单性上静子振动信号较转子振动信号有诸多优越性，提出同时检测转静子两种振动信号对碰摩故障进行诊断的方法。试验验证结果表明所提出的理论方法和试验技术是可行和高效的。关键词：冲击响应转子碰摩故障诊断特征提取中图分类号：TH113的基元函数ϕ()t将信号x()t展开，目前来看，信号*展开的各种办法实质上均可理解为将x()t与ϕ()t进0前言行卷积运算，即转子碰摩是各种旋转机械的常见故障，且往往tyt()=−∫x()(τϕττt)d(1)0由其他故障导致，如转轴裂纹、转轴弯曲、设计装配不当等，因此转子碰摩不

3、仅是一个具体故障，而转子发生碰摩时必然导致振动信号中存在冲击且是机械系统运行状态和结构安全性可靠性的间接响应成分，目前用于提取冲击响应成分的基函数主[4]反映。转子碰摩的故障诊断及相关内容的研究一直要有两种，一种是Laplace小波，即是科研和生产部门关注的热点。目前围绕转子碰摩⎡⎤ξAttexp⎢⎥ωτ(−−)exp[j(ωτ−)]的研究主要包括两方面：故障的非线性动力学特性2⎢⎥⎣⎦1−ξϕ()t=和故障诊断方法。对于后者，针对碰摩的不同特征，tW∈+[]ττ,s目前已出现了诸如频谱分析、小波变换和局域波等[1-4]0其他众多方法。(2)

4、研究任何故障的诊断方法，关键在于围绕故障另一种是文献[5]提出的利用单自由度有阻尼系统的最本质、最基本、最能区别于其他故障的特征研的脉冲响应构成的基函数，即究故障的特征提取和识别方法。对于转子碰摩故障，ϕ()tc=−exp[pt(−τωφ)]sin(t−)t≥τ最基本的特征便是碰撞和摩擦，对于早期故障，碰nnnnnn撞表现出很强的周期性，并且引发出系统的冲击响(3)应，因此如能提取转子系统的冲击响应成分，并识以上两种方法的思路均是试图确定一种与系统别出周期性冲击响应及其周期，则可对碰摩故障的脉冲响应函数最为接近的函数作为信号分析的基函诊断提供

5、有效依据。这里提出了基于转子实测冲击数，但存在两个不容忽视的缺陷：①都需在基函数响应的故障特征提取方法，设计了提取周期性冲击的参数空间中进行大规模寻优，存在一定的盲目性响应及其周期的计算方法——周期序列变换，并提和不确定性。②所用的基函数均为典型的单自由度出了利用静子振动特性的试验方法。试验验证结果系统的脉冲响应函数，而实际机械系统为弹性体，表明所提出的方法是有效可靠的。存在无数个固有频率。对于实际系统，通过试验方法确定的系统的脉1冲击响应的特征提取冲响应函数无疑是最可信的。因此，为提高特征提取的准确性和计算速度，完全可以在转子非工作状故障诊

6、断特征提取的核心任务是利用不同特性态下利用锤击法测得冲击响应，在计算精度要求不是很高的情况下，可直接利用测得的冲击响应作为转子碰摩时振动信号分析的基函数。20060613收到初稿，20061127收到修改稿期2007年4月李允公等：基于实测冲击响应的转子碰摩故障特征提取方法225设实测到的冲击响应为ht!()，系统真实脉冲响中。周期性冲击的识别包括冲击的识别和周期的识应为ht()，傅里叶变换分别为Hf!()和Hf()。冲击别，基于实测冲击响应，提出一种针对含有周期性力虽不是理想脉冲，但具有宽频频谱，因此从工程冲击响应成分的信号分析方法——周期

7、序列变换。角度可以认为在ht!()的频带内ht!()≈ht()。同时，设首先，构造基函数∞发生碰摩时转子振动信号为ϕδ(,)tT=∗ht!()∑(tnT−)(9)Tx()txtp=+()()t(4)n=−∞0式(4)中pt()为碰撞引发的系统响应，单点碰摩时式中，∗表示卷积，n为自然数。定义周期序列变pt()中周期性出现转子的冲击响应成分，x()t为系换为0∞yT(,)τϕ=−xt()(tτ,)dTt=统稳态响应，则有∫T0yt()=+−[()xτττp()](ht!)dτ=∞∞∫0∫x()[(tht!−∗τδ)∑(t−−τnTt)]d(10

8、)0()(phtτ!!−+ττ)dxht()(τ−=ττ)dn=−∞∫∫0实际计算中，积分区间为(0,mT)，m为自然数，具pht()(ττ!−+)dτyt()(5