【畢業(yè)學位論文】(Word原稿)轉(zhuǎn)子-滾動軸承耦合系統(tǒng)碰摩故障動力學分析與智能診斷-航空器運行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷

中圖分類號： 論文編號： 1028707 08科分類號： 082304 密 級：公開 碩士學位論文 轉(zhuǎn)子 研究生姓名 李飛敏 學科、專業(yè) 載運工具運用工程 研究方向 航空器運行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷 指導教師 陳 果 副教授 南京航空航天大學 研究生院 民航學院 二 八 年 三 月 i of 008 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學位論文的研究成果不包含任何他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 本人授權(quán)南京航空航天大學可以有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱 ,可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。 作者簽名： 日 期 ： _南京航空航天大學碩士研究學位論文 I 摘 要 縮小轉(zhuǎn)靜間的間隙 是 航空發(fā)動機 追求高 性能的 重要手段 ， 但 加劇了轉(zhuǎn)靜件間碰摩 的 可能性。 目前 碰摩故障已經(jīng)成為了 航空 發(fā)動機設(shè)計、制造和使用過程中的“攔路虎”，并對飛行安全造成了極大威脅。 有鑒于此， 本文針對航空發(fā)動機的碰摩故障，建立了轉(zhuǎn)子 行了碰摩故障動力學機理分析，并在此基礎(chǔ)上，運用支持向量機實現(xiàn)了碰摩故障的智能診斷 。 第一、 本文針對 實際航空發(fā)動機 模型， 在考慮滾動軸承非線性赫茲接觸和軸承徑向間隙的情況下，建立 了 含不平衡 轉(zhuǎn)子 合 系統(tǒng)動力學模型。 利用 時間波形圖、 軸心軌跡圖、頻譜圖、三維瀑布圖、 岔圖等方法，討論 了 轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 旋轉(zhuǎn)速度、軸承間隙、碰摩剛度、不平衡量和碰摩間隙等 參數(shù)對 系統(tǒng)響應(yīng) 的影響 ， 并研究了碰摩 故障 特征。 第 二 、 研究了 基于支持向量機的轉(zhuǎn)靜碰摩故障智能診斷 。 首先介紹了支持向量機的相關(guān)理論， 然后 利用 功能轉(zhuǎn)子實驗臺和航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子實驗器，獲取了不同狀態(tài)下的碰摩故障樣本，基于碰摩機理研究，利用倍頻分析方法，提取了碰摩故障的特征征兆，形成了實驗碰摩故障樣本庫。同時，利用含不平衡 滾動軸承耦合系統(tǒng)動力學 模型仿真了不同轉(zhuǎn)速及系統(tǒng)動力學參數(shù)下的碰摩故障樣本，經(jīng)過特征提取后，形成仿真碰摩故障樣本。最后，利用仿真碰摩故障樣本對支持向量機進行了學習訓練，利用實驗碰摩故障樣本進行了診斷分析。同時， 對比 了 支持向量機和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能診斷結(jié)果， 結(jié)果 充分表明了 支持向量機 在航空發(fā)動機轉(zhuǎn)靜碰摩故障識別中的應(yīng)用潛力 。 第 三 、 為了進一步 研究 碰摩耦合故障非線性特征， 在 論文中 將關(guān)聯(lián) 維數(shù)理論應(yīng)用 于 非線性時間序列分析， 對 仿真計算 和實驗 獲取的耦合故障非線性時間序列進行 相空間重構(gòu)， 并計算出關(guān)聯(lián) 維數(shù)， 比較了不同碰摩程度和系統(tǒng)不同的運行狀態(tài)下的關(guān)聯(lián) 維數(shù)特征 ，發(fā)現(xiàn)了耦合故障下 關(guān)聯(lián) 維數(shù)的變化規(guī)律。 關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)子；滾動軸承； 耦合動力學； 碰摩； 不平衡； 耦合故障；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；支持向量機；智能診斷；關(guān)聯(lián)維數(shù)。 轉(zhuǎn)子 n to of is an it of in of of a in it is a of is at of of is of a of is at in of on of is to on on of is of so of of of at of is is by is to of of in of 南京航空航天大學碩士研究學位論文 in to of in is to of of of on of 轉(zhuǎn)子 錄 第一章 緒論 . 1 空發(fā)動機轉(zhuǎn)靜碰摩故障動力學分析與智能診斷的重要性 . 1 靜碰摩故障動力學研究現(xiàn)狀 . 2 靜碰摩故障診斷研究現(xiàn)狀 . 3 靜碰摩故障動力學分析與故障診斷研究存在的問題 . 5 文主要研究的內(nèi)容 . 7 第二章 非線性動力學系統(tǒng)的基本理論 . 9 言 . 9 線性動力學系統(tǒng)的特點 . 9 態(tài)空間、平 衡點及其穩(wěn)定性 . 10 態(tài)空間 . 10 衡點及其穩(wěn)定性 . 10 岔 . 11 沌 . 11 沌的概念 . 11 沌運動的基本特征 . 12 沌與隨機 . 12 向混沌的途徑 . 13 沌的研究方法 . 14 文碰摩故障信號混沌特征的研究方法 . 16 章小結(jié) . 17 第三章 含碰摩耦合故障的轉(zhuǎn)子 . 18 子 . 18 力學模型 . 18 摩力模型 . 19 動軸承模型 . 19 統(tǒng)模型求解方法與計算參數(shù) . 21 子 . 25 型驗證 . 25 轉(zhuǎn)速度對系統(tǒng)響應(yīng)的影響 . 26 動軸承間隙對系統(tǒng)響應(yīng)的影響 . 28 摩剛度對系統(tǒng)響應(yīng)的影響 . 34 心量對系統(tǒng)響應(yīng)的影響 . 36 摩間隙對系統(tǒng)響應(yīng)的影響 . 38 章小結(jié) . 41 第四章 基于支持向量機的轉(zhuǎn)靜碰摩故障智能診斷 . 42 持向量機原理 9899 . 43 優(yōu)分類面 . 43 義最優(yōu)分類面 . 45 持向量機 . 46 南京航空航天大學碩士研究學位論文 V 類情況下的支持向量機模型 . 47 于轉(zhuǎn)子實驗器的碰摩故障實驗 . 48 子試驗臺簡介 . 48 功能轉(zhuǎn)子故障模擬實 驗臺 . 48 空發(fā)動機轉(zhuǎn)子實驗器 . 49 子碰摩實驗的故障特征分析 . 51 于轉(zhuǎn)子 動力學模型的碰摩故障仿真 . 52 子碰摩仿真故障特征分析 . 52 子碰摩故障的實驗驗證 . 52 子碰摩故障的樣本仿真 . 53 于支持向量機的碰摩故障智能診斷 . 54 章小結(jié) . 60 第五章 關(guān)聯(lián)維數(shù)在轉(zhuǎn)子碰 摩故障診斷中的應(yīng)用 . 61 聯(lián)維數(shù)的提出 . 61 聯(lián)維數(shù)定義 . 61 聯(lián)維數(shù)的估計方法和應(yīng)用現(xiàn)狀 . 62 聯(lián)維數(shù)的估計方法 . 62 聯(lián)維數(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀 . 63 文關(guān)聯(lián)維數(shù)的計算 . 63 空間重構(gòu) . 63 聯(lián)維數(shù)及其計算 . 64 聯(lián)維數(shù)在轉(zhuǎn)子碰摩故障診斷中應(yīng)用 . 66 線性系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)維數(shù) . 66 子故障信號的關(guān)聯(lián)維數(shù)計算 . 68 子故障信號關(guān)聯(lián)維數(shù)分析結(jié)果 . 73 章小結(jié) . 74 第六章 總結(jié)與展望 . 75 參考文獻 . 76 致 謝 . 83 攻讀碩士期間所發(fā)表的論文 . 84 附錄 1 基于頻譜特征向量 仿真訓練樣本集 . 85 附錄 2 基于 頻譜特征向量 仿真測試樣本集 . 86 附錄 3 基于頻譜特征向量 多功能轉(zhuǎn)子模擬實驗臺的實驗樣本集 . 87 附錄 4 基于頻譜特征向量 航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子試驗器的實驗樣本集 . 89 轉(zhuǎn)子 表清單 圖 動軸承支承下的含不平衡 合故障的轉(zhuǎn)子動力學模型 . . . 18 圖 動軸承模型示意圖 . . 19 圖 3.3 n 300r/ 轉(zhuǎn)子響應(yīng) （本文結(jié)果） . 25 圖 3.4 n 300r/ 轉(zhuǎn)子響應(yīng) （ 文獻 45算結(jié)果 ） . 25 圖 盤處 X 方向的頻譜 （轉(zhuǎn)速為 . 26 圖 盤處 Y 方向的頻譜 （轉(zhuǎn)速為 盤處 X、 Y 方向位移隨轉(zhuǎn)速化的分岔圖 424s 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) . 630s 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) . 948s 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) 1500s 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) . 27 圖 1655s 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) 28 圖 2483s 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) 28 圖 2748s 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) . 2800s 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) . . 3000s 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) . . 盤處 X、 Y 方向位移隨轉(zhuǎn)速變 化的分岔圖 0r： 0m 40m 29 圖 盤處 X、 Y 方向位移隨轉(zhuǎn)速變化的分岔圖 0r： 0m 20m 29 圖 r=19m 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) . 30 圖 r=17m 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) 30 圖 r=14m 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) 30 圖 r=10m 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) 30 圖 r=8m 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) . . 30 圖 r=6m 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) . . . r=3m 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) . . . r=2m 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) . 31 圖 盤處 X、 Y 方向位移隨轉(zhuǎn)速變化的分岔圖 0r： 25m 40m 31 圖 r=39m 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) 32 圖 r=37m 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) 32 圖 r=m 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) 32 圖 r=m 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) 32 南京航空航天大學碩士研究學位論文 r=m 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) 32 圖 r=m 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) 32 圖 r=m 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) 33 圖 r=m 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) . 33 圖 r=m 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) 33 圖 r=m 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) 33 圖 r=28m 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) 33 圖 r=m 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) 33 圖 r=m 時的轉(zhuǎn)子響應(yīng) 盤處 X、 Y 方向位移隨轉(zhuǎn)速變化的分岔圖 0107 15107N/m 107N/m 時轉(zhuǎn)子的響應(yīng) 34 圖 107N/m 時轉(zhuǎn)子的響應(yīng) 35 圖 107N/m 時轉(zhuǎn)子的響應(yīng) 3 107N/m 時轉(zhuǎn)子的響應(yīng) 35 圖 107N/m 時轉(zhuǎn)子的響應(yīng) 35 圖 107N/m 時轉(zhuǎn)子的響應(yīng) 35 圖 107N/m 時轉(zhuǎn)子的響應(yīng) . 107N/m 時轉(zhuǎn)子的響應(yīng) . 12 107N/m 時轉(zhuǎn)子的響應(yīng) . 盤處 X、 Y 方向位移隨轉(zhuǎn)速變化的分岔圖 e： 36 圖 e =轉(zhuǎn)子的響應(yīng) . e =轉(zhuǎn)子的響應(yīng) . 37 圖 e =轉(zhuǎn)子的響應(yīng) 37 圖 e =轉(zhuǎn)子的響應(yīng) 37 圖 e =轉(zhuǎn)子的響應(yīng) . . e =轉(zhuǎn)子的響應(yīng) 37 圖 e =轉(zhuǎn)子的響應(yīng) 38 圖 e =轉(zhuǎn)子的響應(yīng) 38 圖 盤處 X、 Y 方向位移隨碰摩間隙變化的分岔圖 ： 38 圖 =轉(zhuǎn)子的響應(yīng) 39 圖 =轉(zhuǎn)子的響應(yīng) =轉(zhuǎn)子的響應(yīng) 39 圖 =轉(zhuǎn)子的響應(yīng) =轉(zhuǎn)子的響應(yīng) .子 =轉(zhuǎn)子的響應(yīng) =轉(zhuǎn)子的響應(yīng) . =轉(zhuǎn)子的響應(yīng) . =轉(zhuǎn)子的響 應(yīng) . =轉(zhuǎn)子的響應(yīng) . =轉(zhuǎn)子的響應(yīng) . =轉(zhuǎn)子的響應(yīng) . 性判別函數(shù) . 性可分下的最優(yōu)分類面 44 圖 持向量機示意圖 47 圖 持向量機的診斷結(jié)構(gòu)圖 . 功能轉(zhuǎn)子故障模擬 實驗 臺 . 驗裝置信號采集原理圖 . 空發(fā)動機轉(zhuǎn)子實驗器 . 子試驗器剖面圖 . 空發(fā)動機轉(zhuǎn)子實驗器振動測試系統(tǒng)原理圖 . 多功能轉(zhuǎn)子模 擬實驗臺 轉(zhuǎn)子信號的三維譜圖（不碰摩） . 多功能轉(zhuǎn)子模擬實驗臺 轉(zhuǎn)子信號的三維譜圖（碰摩） . 空發(fā)動機轉(zhuǎn)子試驗器轉(zhuǎn)子信號的三維譜圖（不碰摩） . 空發(fā)動機轉(zhuǎn)子試驗器轉(zhuǎn)子信號的三維譜圖（ 碰摩） . ： 200 3000s 的 仿真 轉(zhuǎn)子圓盤 y 向位移三維譜圖（不碰摩） . ： 200 3000s 的 仿真 轉(zhuǎn)子圓盤 y 向位移三維譜圖（碰摩） . n： 2000 仿真轉(zhuǎn)子圓盤 y 向位移三維譜圖（不碰摩） n： 200 仿真轉(zhuǎn)子圓盤 y 向位移三維譜圖（碰摩） . 統(tǒng)響應(yīng) . 程的解 . 動軸承 . 沌與隨機運動的比較 . 13 表 動軸承主要計算參數(shù) 20 表 P 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與 較 . 真樣本選取 . 應(yīng)特征向量 部分碰摩 和不碰摩 樣本