涡轮泵状态实时监控系统设计与验证

论文摘要

涡轮泵是液体火箭发动机的重要组成部分,主要担负燃料的输送任务。由于工作于高温、高压、强腐蚀的环境中,涡轮泵工况复杂而恶劣,其故障往往具有突发性,一旦产生将迅速发展,造成极为严重的后果。因此涡轮泵实时状态监控系统的研制受到了广泛重视。对于液体火箭发动机的地面热试车试验,实时监控要求尽量全面地反映涡轮泵工作状态,国内已有的实时监控系统大都采用基于PCI或PXI的通用处理器方案,存在处理能力有限的不足。而对于箭载飞行监控,则要求系统轻型化、小型化,侧重利用较少信号对涡轮泵的关键故障进行检测,以提早发现故障,换取宝贵的应对时间。为此,本文采用基于DSP专用处理器的方案,力图解决发动机地面试车试验多信号、大运算量的处理问题。同时针对涡轮泵特定故障的检测需求,引入基于随机共振的微弱信号提取方法,为涡轮泵箭载监控应用进行技术研究,主要内容包括:1、对涡轮泵结构和工作特点进行分析,并对其故障特征进行选取,在此基础上提出基于DSP的实时监控系统方案。2、基于DSP技术,根据系统方案对涡轮泵实时监控系统进行硬件设计。3、结合涡轮泵故障特征,对涡轮泵实时故障检测算法进行研究。包括时域特征、频域特征、阶比特征检测算法,并根据DSP的运算特点和实时要求,对算法进行改进,作为DSP软件开发和算法嵌入的基础。4、面向涡轮泵箭载监控的特定故障检测需求,引入随机共振检测方法,以解决特定故障检测中的微弱信号提取问题。通过构建DSP实时监控原型系统,利用火箭发动机试车的涡轮泵历史振动数据进行了验证,结果表明该系统设计良好,工作稳定,具备涡轮泵状态的实时监控能力。同时,利用轴承故障数据对随机共振检测方法进行了检验,结果表明该方法能够提取特定的微弱故障信号,为涡轮泵箭载故障检测研究提供了新思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题概述
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文主要研究内容及章节安排
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 各章节结构安排
• 第二章 涡轮泵实时监控关键技术分析与系统方案
• 2.1 涡轮泵结构与特性
• 2.2 涡轮泵故障特征选取
• 2.2.1 涡轮泵振动信号的获取
• 2.2.2 时域故障特征选取
• 2.2.3 频域故障特征选取
• 2.3 涡轮泵实时监控系统方案
• 2.3.1 PXI 系统技术
• 2.3.2 基于DSP 的涡轮泵实时监控系统方案
• 2.3.3 面向地面试车涡轮泵实时监控的DSP 软件方案
• 2.4 本章小结
• 第三章 涡轮泵状态实时监控系统硬件设计
• 3.1 电源电路
• 3.2 数据采集与回放电路
• 3.2.1 数据采集电路
• 3.2.2 数据回放电路
• 3.3 运算控制电路
• 3.3.1 DSP 电路
• 3.3.2 CPLD 电路设计
• 3.4 USB 电路与接口电路
• 3.4.1 USB 电路设计
• 3.4.2 接口电路
• 3.5 本章小结
• 第四章 涡轮泵实时故障检测算法研究
• 4.1 时域特征实时检测算法
• 4.1.1 实时多时域特征提取
• 4.1.2 实时多特征自适应阈值算法
• 4.1.3 实时自适应相关算法
• 4.2 基于频域的实时检测算法
• 4.2.1 实时频域特征提取
• 4.2.2 实时频域阈值检测算法
• 4.3 阶比特征实时检测算法
• 4.3.1 实时转速提取与信号重采样
• 4.3.2 实时阶比特征提取与故障检测算法
• 4.4 本章小结
• 第五章 涡轮泵特定故障的随机共振检测研究
• 5.1 涡轮泵主要故障模式
• 5.2 轴承故障特征频率
• 5.3 随机共振检测方法
• 5.3.1 随机共振基本原理
• 5.3.2 随机共振检测方法
• 5.4 本章小结
• 第六章 系统实现与验证分析
• 6.1 原型系统实现
• 6.1.1 电源电路实现
• 6.1.2 数据采集电路实现
• 6.1.3 数据回放电路实现
• 6.1.4 运算控制电路实现
• 6.1.5 USB 电路实现
• 6.1.6 随机共振电路实现
• 6.1.7 DSP 系统集成
• 6.1.8 监控软件开发与原型系统构建
• 6.1.9 原型系统构建
• 6.2 涡轮泵历史试车数据的检测验证
• 6.3 随机共振检测实验
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读硕士期间发表的论文