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高速旋转机械故障的若干非线性动力学问题及故障诊断方法的研究

李永强  
【摘要】: 高速旋转机械是一类被广泛使用的机械设备,在许多行业(电力、石化、冶金、采矿等)中,高速旋转机械造成的恶性事故曾经给国家和企业造成极大的损失,因此对高速旋转机械的运行实施有效地监测和诊断是非常必要的,这已经引起国家和有关专家的高度重视。另外随着科学技术水平的提高,高速旋转机械设备不断向轻型、高效、智能化发展,这也对设备的运行状态监测和故障诊断技术提出了更高的要求。 本文以高速旋转机械为主要研究对象,系统、深入地研究了非线性动力学系统的数值计算方法、具有非线性刚度的转子系统在非稳态非线性油膜力作用下的径向碰摩动力学行为、转子弯扭摆耦合振动的动力学分析、小波和分形理论及人工神经网络在故障诊断中的应用问题。本文的主要工作有以下几个方面: (1)由于非线性项的存在,使得多数情况下难以得到非线性动力方程的解析解表达式,目前常使用数值积分方法来求解非线性动力学方程的解,但常规计算方法的计算精度不很理想,本文提出了含Taylor展开项中高阶余项的非线性动力方程的线性化数值计算方法,构造了瞬态线性化方程,给出了Duhamel积分的表达式。 (2)建立了具有非线性刚度的转子系统在非稳态非线性油膜力作用下的径向碰摩动力学微分方程,并应用含高阶余项的非线性动力方程的线性化数值法研究了此类系统响应的复杂动力学行为,利用转子响应的分岔图、最大Lyapunov指数曲线、Poincaré截面映射、时域波形、相轨线、轴心轨迹、幅值谱等图形分析了系统响应的周期运动、拟周期运动、倍周期分岔、混沌等运动形式的转化与演变过程,重点研究了非线性刚度、转子转速、偏心质量等系统参数对碰摩故障转子系统的分岔和混沌行为的影响。 (3)推导了一般意义下,考虑陀螺力矩的单盘转子弯扭摆耦合振动非线性方程,基于该方程,推出了不平衡转子和碰摩转子的非线性弯扭摆耦合振动方程。应用数值方法研究了碰摩转子的弯扭摆耦合振动相应的复杂动力学行为,重点研究了转子转速、偏心量等系统参数对碰摩转子弯扭摆耦合振动的分岔和混沌行为的影响以及扭转振动和摆动振动对弯曲振动的影响。 (4)介绍了小波变换及多尺度分析的基本理论及正交小波基的构造方法,根据信号分解理


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