转子—滚动轴承耦合系统碰摩故障动力学分析与智能诊断

论文摘要

缩小转静间的间隙是航空发动机追求高性能的重要手段,但加剧了转静件间碰摩的可能性。目前碰摩故障已经成为了航空发动机设计、制造和使用过程中的“拦路虎”,并对飞行安全造成了极大威胁。有鉴于此,本文针对航空发动机的碰摩故障,建立了转子-滚动轴承耦合系统模型,进行了碰摩故障动力学机理分析,并在此基础上,运用支持向量机实现了碰摩故障的智能诊断。第一、本文针对实际航空发动机模型,在考虑滚动轴承非线性赫兹接触和轴承径向间隙的情况下,建立了含不平衡-碰摩耦合故障的转子-滚动轴承耦合系统动力学模型。利用时间波形图、轴心轨迹图、频谱图、三维瀑布图、Poincaré图、分岔图等方法,讨论了转子系统旋转速度、轴承间隙、碰摩刚度、不平衡量和碰摩间隙等参数对系统响应的影响,并研究了碰摩故障特征。第二、研究了基于支持向量机的转静碰摩故障智能诊断。首先介绍了支持向量机的相关理论,然后利用ZT-3多功能转子实验台和航空发动机转子实验器,获取了不同状态下的碰摩故障样本,基于碰摩机理研究,利用倍频分析方法,提取了碰摩故障的特征征兆,形成了实验碰摩故障样本库。同时,利用含不平衡-碰摩耦合故障的转子-滚动轴承耦合系统动力学模型仿真了不同转速及系统动力学参数下的碰摩故障样本,经过特征提取后,形成仿真碰摩故障样本。最后,利用仿真碰摩故障样本对支持向量机进行了学习训练,利用实验碰摩故障样本进行了诊断分析。同时,对比了支持向量机和神经网络的智能诊断结果,结果充分表明了支持向量机在航空发动机转静碰摩故障识别中的应用潜力。第三、为了进一步研究碰摩耦合故障非线性特征,在论文中将关联维数理论应用于非线性时间序列分析,对仿真计算和实验获取的耦合故障非线性时间序列进行相空间重构,并计算出关联维数,比较了不同碰摩程度和系统不同的运行状态下的关联维数特征,发现了耦合故障下关联维数的变化规律。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 航空发动机转静碰摩故障动力学分析与智能诊断的重要性
• 1.2 转静碰摩故障动力学研究现状
• 1.3 转静碰摩故障诊断研究现状
• 1.4 转静碰摩故障动力学分析与故障诊断研究存在的问题
• 1.5 本文主要研究的内容
• 第二章 非线性动力学系统的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 非线性动力学系统的特点
• 2.3 状态空间、平衡点及其稳定性
• 2.3.1 状态空间
• 2.3.2 平衡点及其稳定性
• 2.4 分岔
• 2.5 混沌
• 2.5.1 混沌的概念
• 2.5.2 混沌运动的基本特征
• 2.5.3 混沌与随机
• 2.5.4 通向混沌的途径
• 2.5.5 混沌的研究方法
• 2.5.6 本文碰摩故障信号混沌特征的研究方法
• 2.6 本章小结
• 第三章 含碰摩耦合故障的转子-滚动轴承耦合系统动力学分析
• 3.1 转子-滚动轴承耦合系统动力学模型
• 3.1.1 动力学模型
• 3.1.2 碰摩力模型
• 3.1.3 滚动轴承模型
• 3.1.4 系统模型求解方法与计算参数
• 3.2 转子-滚动轴承耦合系统动力学分析
• 3.2.1 模型验证
• 3.2.2 旋转速度对系统响应的影响
• 3.2.3 滚动轴承间隙对系统响应的影响
• 3.2.4 碰摩刚度对系统响应的影响
• 3.2.5 偏心量对系统响应的影响
• 3.2.6 碰摩间隙对系统响应的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于支持向量机的转静碰摩故障智能诊断
• 4.1 支持向量机原理
• 4.1.1 最优分类面
• 4.1.2 广义最优分类面
• 4.1.3 支持向量机
• 4.1.4 多类情况下的支持向量机模型
• 4.2 基于转子实验器的碰摩故障实验
• 4.2.1 转子试验台简介
• 4.2.1.1 ZL-3 多功能转子故障模拟实验台
• 4.2.1.2 航空发动机转子实验器
• 4.2.2 转子碰摩实验的故障特征分析
• 4.3 基于转子-滚动轴承耦合动力学模型的碰摩故障仿真
• 4.3.1 转子碰摩仿真故障特征分析
• 4.3.2 转子碰摩故障的实验验证
• 4.3.3 转子碰摩故障的样本仿真
• 4.4 基于支持向量机的碰摩故障智能诊断
• 4.5 本章小结
• 第五章 关联维数在转子碰摩故障诊断中的应用
• 5.1 关联维数的提出
• 5.2 关联维数定义
• 5.3 关联维数的估计方法和应用现状
• 5.3.1 关联维数的估计方法
• 5.3.2 关联维数的应用现状
• 5.4 本文关联维数的计算
• 5.4.1 相空间重构
• 5.4.2 关联维数及其计算
• 5.5 关联维数在转子碰摩故障诊断中应用
• 5.5.1 非线性系统的关联维数
• 5.5.2 转子故障信号的关联维数计算
• 5.5.3 转子故障信号关联维数分析结果
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间所发表的论文
• 2的仿真训练样本集'>附录1 基于频谱特征向量F₂的仿真训练样本集
• 2的仿真测试样本集'>附录2 基于频谱特征向量F₂的仿真测试样本集
• 2的ZT-3 型多功能转子模拟实验台的实验样本集'>附录3 基于频谱特征向量F₂的ZT-3 型多功能转子模拟实验台的实验样本集
• 2的航空发动机转子试验器的实验样本集'>附录4 基于频谱特征向量F₂的航空发动机转子试验器的实验样本集