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横向裂纹转子-轴承系统振动信号降噪与故障特征提取研究

张小菲  
【摘要】:转子-轴承系统是旋转机械的核心组成。由于发电机转子质量偏心导致的不平衡磁拉力与疲劳裂纹双重作用,转子-轴承系统具有较繁杂的非线性特点。再者,系统振动信号中往往混有噪声信号,原振动信号失真导致故障特征提取难上加难。鉴于此,本文将考虑横向裂纹的转子-轴承系统作为整体,建立其动力学模型及运动微分方程,使用四阶Runge-Kutta法对该微分方程进行数值计算,得到随不同参数变化的系统动力学特性。同时,利用变分模态分解与局部切空间排列算法相结合的方法解决转子横向振动信号中掺杂的噪声信号问题;利用去噪后一维信号的局部均值分解与能量熵相结合的方法进一步实现故障特征提取。具体工作内容有:(1)探讨不平衡磁拉力的计算方法,给出横向裂纹模型以及裂纹刚度表达式,确定裂纹转子-轴承系统的数学模型。考虑不平衡磁拉力的系统运动微分方程求解方法是四阶Runge-Kutta法,然后得到其无量纲化后的方程。(2)分析了考虑不平衡磁拉力与否的系统分岔图,发现考虑不平衡磁拉力的影响能有效延缓系统发生混沌或拟周期,系统能在中低速区域平稳运行;讨论了系统转速、电磁刚度以及裂纹角对系统振动的影响,结果表明电磁刚度能延缓系统进入拟周期状态,有利于系统在非高转速状态的运行;控制参数为质量偏心时,响应结果仅有倍周期与拟周期特征,且随着质量偏心的增大,系统振动幅值逐渐增大;以裂纹角为参数时,由于裂纹转子系统两端加上受非线性油膜力影响的轴承之后,在转速分别为临界转速的1/3、1/2时,系统的时域图、Poincare截面图、轴心轨迹图及频谱图上均无法显著体现裂纹特征。(3)研究了系统横向振动信号加入高斯白噪声信号构成的仿真信号,经过变分模态分解算法可以分解为三个模态分量,再经过相关系数与峭度的双重择优后可以得到一个最佳分量。利用C-C法选取了重构相空间的参数,并将选取的分量据此构造出一个高维空间,得到转子故障高维数据集。(4)利用局部切空间排列算法对构建的高维数据集进行降维,得到低维流形后进行主流形重构,再反求其一维流形并作出其时域波形图、频谱图,以直观显示降噪效果。结果表明局部切空间排列算法能有效降低噪声信号,明显改善信噪比。(5)结合局部均值分解与能量熵的方法将降噪后的信号进行故障特征提取研究,结果表明局部均值分解后的分量不仅可以较好地拟合原信号的频率,还可以通过计算各分量的能量值与能量熵发现故障特征主要集中在PF2分量上,故将局部均值分解后得到的PF2分量作为故障特征量。并采用正常情况的能量熵对基于局部均值分解结合能量熵的方法进行有效性验证。因此,本文在考虑不平衡磁拉力的基础上,对横向裂纹转子-滑动轴承系统进行非线性分析,然后对加入白噪声的横向振动信号进行变分模态分解并筛选出合适的分量进行重构,继而使用局部切空间排列方法减少噪声,又以降噪后的一维信号为原始信号做了故障特征的提取研究,该项研究的结果可为机组的振动控制、振动信号降噪及特征提取研究给予理论层面的参考。


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