（机械电子工程专业论文）基于全矢谱的旋转机械轴振与瓦振关系研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 盎l 国 唧醐功| d 瞄肋日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 赵虱 绎 嗍2 d l 。年乡岁月如白 摘要 摘要 随着现代工业技术的不断进步，旋转机械的自动化程度越来越高，对设备 正常运行条件的要求也随之升高，因此，对于大型旋转机械，尤其是对于企业 中的关键性设备进行实时、准确的监测，尽早排除故障源，从而保证设备正常、 稳定、高效运行是十分必要的。目前，振动监测主要采用电涡流传感器测得轴 颈相对于轴承的相对振动值即轴振，用速度、加速度传感器测得轴承座的绝对 振动值即瓦振。然而由于受到转子涡动特性以及设备本身结构的影响，从单通 道所得到的轴振信号与瓦振信号均不能全面反映设备的真实运行状况，并且在 多数情况下，从同一截面上不同通道所得到的特征信息也存在着较大差异，这 些都给故障的准确识别造成了较大困难。因此，有必要利用同源信息融合技术 对轴振信号与瓦振信号分别进行融合分析，并对两种不同性质信号之间的关系 进行研究，以提高旋转机械状态监测与故障诊断的可靠性和准确性。 针对上述情况，本文的主要工作是通过所建立的基于短轴承理论的无故障、 支承系统松动故障和转子与定子间碰摩故障的转子一轴承一基础系统动力学模 型，采用数值积分的方法得到了相应模型的轴振信号与瓦振信号，并利用基于 同源信息融合的全矢谱技术分别对其进行了双通道的融合分析，最后通过实验 对仿真结果进行了验证分析i 最终结果表明，在刚性支承条件下，对于刚性转子，瓦振与轴振随转速变 化趋势相似，而对于柔性转子两者则相差较大；在支承系统松动故障条件下， 轴振信号主振矢与瓦振信号主振矢随转速变化趋势相近；对于转子与定子间的 碰摩故障，仅在刚性转子条件下，轴振信号与瓦振信号的主振矢随转速变化趋 势相近。同时，对于支承系统松动故障和转子碰摩故障，瓦振信号较轴振信号 故障特征更为清晰，尤其是在早期故障中，对于瓦振信号的监测是十分必要的， 但是瓦振信号的噪声水平相对轴振信号要高。 因此，利用全矢谱技术分别对轴振信号与瓦振信号进行双通道的融合分析， 对故障的识别更加准确、可靠，同时把轴振监测与瓦振监测相结合能更好的实 现对旋转机械运行状态的整机评定。 关键词：故障诊断全矢谱轴振瓦振动力学模型 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r i a lt e c h n o l o g ya n dr o t a t i n g m a c h i n e r yi n c r e a s i n gd e g r e eo fa u t o m a t i o n , t h en o r m a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n so f d e v i c ea l s ow i l lb ei n c r e a s e d t h e r e f o r e , f o rt h el a r g er o t a t i n gm a c h i n e r y , e s p e c i a l l y f o rt h ec r i t i c a le q u i p m e n ti nr e a l t i m ea n da c c u r a t em o n i t o r i n g , a ss o o na sp o s s i b l et o t r o u b l e s h o o tt h es o u r c e ，t h u se n s u r i n gt h ee q u i p m e n tn o r m a l ，s t a b l ea n dh i g h l y e f f i c i e n to p e r a t i o ni sn e c e s s a r y a tp r e s e n t , t h ee d d yc u r r e n ts e n s o ri su s e df o r m e a s u r i n gt h er e l a t i v ev i b r a t i o no ft h ej o u m a lc o m p a r e d 晰mt h eb e a r i n g , a n dt h e v e l o c i t y , a c c e l e r a t i o ns e n s o ri s u s e df o rm e a s u r i n gt h ea b s o l u t ev i b r a t i o no ft h e b e a r i n gv i b r a t i o n h o w e v e r , d u et ot h ei m p a c to ft h ee d d yw h i r l i n go fr o t o r , t h es i g n a l o fs h mv i b r a t i o na n db e a r i n gv i b r a t i o nf r o mt h es i n g l ec h a n n e lc a n to v e r a l lr e f l e c t t h er e a lo p e r a t i o ns t a t u so ft h ee q u i p m e n t m o r e o v e ra tt h em o s tc o n d i t i o n s ，t h e d ，i f f e r e n tc h a n n e l so ft h es a m es e c t i o ne x p r e s st h ed i f f e r e n tv i b r a t i o ni n f o r m a t i o n s o t h e s el e a dt om u c h d i f f i c u l t yf o rt h ef a u l ti d e n t i f i c a t i o n t h e r e f o r e ，t h es i g n a lo fs h a f t v i b r a t i o na n db e a r i n gv i b r a t i o ni s n e c e s s a r yt ob et r e a t e dw i t ht h ei n f o r m a t i o n f u s i o n a n di no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n da c c u r a c yo ft h er o t a t i n gm a c h i n e r y c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l ti d e n t i f i c a t i o n , t h es t u d yb e t w e e ns h a f tv i b r a t i o na n d b e a r i n gv i b r a t i o nb a s e do nt h ef u l lv e c t o rs p e c t r u mi sv e r yu s e f u l a i m i n ga tt h e s ep r o b l e m s ，t h ed y n a m i cm o d e l so ft h er o t o r - b e a r i n g - f o u n d a t i o n s y s t e mw i t hn o n f a i l u r e ，p e d e s t a ll o o s e n e s sa n dr u b i m p a c tw e r ee s t a b l i s h e d t h e s i g n a lo fs h a f tv i b r a t i o na n db e a t i n gv i b r a t i o nw a so b t a i n e db yt h en u m e r i c a l i n t e g r a t i o nm e t h o d t h et w oc h a n n e l ss i g n a lo fs h a f tv i b r a t i o na n db e a r i n gv i b r a t i o n w a st r e a t e dw i mt h ei n f o r m a t i o nf u s i o nb yf u l lv e c t o rs p e c t r u m a n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h es y n t h e t i ct r a c k so ft h et w os i g n a l sw a ss t u d i e d a tl a s t , t h es i m u l a t i o n r e s u l t sw e r ev e r i f i e db ye x p e r i m e n t s n 地r e s u l t ss h o wt h a tt h et r e n do fm a i nv e c t o ro fs h a f tv i b r a t i o nw h i c hi s c h a n g e du n d e rt h es p e e dv a r i a t i o ni s c l o s et ot h a to ft h em a i nv e c t o ro fb e a r i n g v i b r a t i o ni nc a s eo ft h er i g i dr o t o rs y s t e m 、玩mn o n - f a i l u r e f o rt h es y s t e mw i m i i a b s t r a c t p e d e s t a ll o o s e n e s s ，t h et r e n do fm a i nv e c t o ro ft h et w os i g n a l sw i t ht h es p e e d v a r i a t i o ni ss i m i l a r f o rt h er u b - i m p a c tf a u l t , t h et r e n do fm a i nv e c t o ro fs h a f t v i b r a t i o na n db e a r i n gv i b r a t i o nc h a n g e du n d e rt h es p e e dv a r i a t i o ni ss i m i l a ro n l yf o r t h er i g i dr o t o rs y s t e m f u r t h e r m o r e ，t h ef a u l tf e a t u r eo fb e a r i n gv i b r a t i o ni sc l e a r e r t h a nt h a to fs h a f tv i b r a t i o nf o rt h ep e d e s t a ll o o s e n e s sf a u l ta n dt h er u b - i m p a c tf a u l t , e s p e c i a l l yf o rt h ee a r l yf a i l u r e b u tt h en o i s el e v e lo fb e a r i n gv i b r a t i o ni sh i g h e rt h a n t h a to fs h a rv i b r a t i o n t h e r e f o r e , t h et w oc h a n n e l ss i g n a lo fs h a f tv i b r a t i o na n db e a r i n gv i b r a t i o n t r e a t e db yf u l lv e c t o rs p e c t r u mc a ni m p r o v et h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo fr o t a t i n g m a c h i n e r yc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s s ot h ec o m b i n a t i o no fs h 疆 v i b r a t i o nm o n i t o r i n ga n db e a r i n gv i b r a t i o nm o n i t o r i n gi sb e n e f i c i a lt or e a l i z et h e e v a l u a t i o no ft h er o t a t i n gm a c h i n e sr u n n i n gs t a t e k e yw o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ；f u l lv e c t o rs p e c t r u m ；s h a f tv i b r a t i o n ；b e a r i n gv i b r a t i o n ； d y n a m i cm o d e i i i 摘 a b 2 目录 3 无故障转子系统轴振与瓦振关系研究1 7 3 1 概述。l7 3 2 转子一轴承一基础系统的动力学模型1 7 3 2 1 系统的力学模型1 7 3 2 2 短轴承油膜力模型l8 3 2 3 系统的运动微分方程及量纲为一处理1 9 3 3 刚性支承下系统参数对转子系统轴振与瓦振的影响2 0 3 3 1 转速对系统轴振与瓦振的影响2 0 3 3 2 偏心距对系统轴振与瓦振的影响2 3 3 3 3 圆盘质量对系统轴振与瓦振的影响2 5 3 3 4 转轴刚度对系统轴振与瓦振的影响。2 7 3 3 5 转轴阻尼对系统轴振与瓦振的影响2 8 3 3 6 轴承质量对系统轴振与瓦振的影响3 0 3 3 7 支承刚度对系统轴振与瓦振的影响3 1 3 3 8 支承阻尼对系统轴振与瓦振的影响3 3 3 4 实验研究3 4 3 4 1 转子试验台模型3 4 3 4 2 实验结果及分析3 5 3 5 小结3 7 4 支承松动转子系统轴振与瓦振关系研究3 8 4 1 概述一3 8 4 2 支承松动转子系统的动力学模型3 8 4 2 1 系统的力学模型3 8 4 2 2 系统的运动微分方程及量纲为一处理3 9 4 3 支承松动故障下轴振与瓦振关系的仿真分析4 0 4 3 1 支承松动故障下转速对轴振与瓦振的影响4 0 4 3 2 支承松动故障下轴振与瓦振故障特征分析4 4 v 目录 4 4 支承松动故障下轴振与瓦振关系的实验研究4 7 4 4 1 支承松动故障下转速对轴振与瓦振的影响4 7 4 4 2 支承松动故障下轴振与瓦振故障特征分析5 l 4 5 小结。5 3 5 碰摩转子系统轴振与瓦振关系研究。5 4 5 1 概述5 4 5 2 碰摩转子系统的动力学模型5 4 5 2 1 系统的力学模型5 4 5 2 2 碰摩力的求解及量纲为一处理5 5 5 2 3 系统的运动微分方程及量纲为一处理5 5 5 3 碰摩故障下轴振与瓦振关系的仿真分析。5 6 5 3 1 碰摩故障下转速对轴振与瓦振的影响5 6 5 3 2 碰摩故障下轴振与瓦振故障特征分析6 l 5 4 碰摩故障下轴振与瓦振关系的实验研究。6 6 5 4 1 碰摩故障下转速对轴振与瓦振的影响6 6 5 4 2 碰摩故障下轴振与瓦振故障特征分析7 0 5 5 小结。：。7 2 6 结论与展望7 3 6 1 本文的工作：7 3 6 1 1 关键技术及创新点7 3 6 1 2 结论7 3 6 2 展望。7 4 参考文献7 6 致谢8 2 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果i , , , o o o oooo,oooooo 0 8 3 v i 1 绪论 1 1 课题的来源、目的及意义 1 绪论 1 1 1 课题来源 1 国家自然科学基金项目：全矢谱技术体系构建及故障诊断基础研究( 项 目编号：5 0 6 7 5 2 0 9 ) 2 河南省杰出人才创新基金项目：全矢谱技术及设备诊断工程应用研究 ( 项目编号：0 6 2 1 0 0 0 5 0 0 ) 3 河南省教育厅科技攻关项目：基于全信息技术的设备状态评价关键技术 研究( 项目编号：2 0 1 0 8 4 6 0 0 1 4 ) 1 1 2 课题的提出及意义 随着现代工业技术的不断进步，旋转机械日益朝着大型、重载、高速、智 能等方向快速发展n 1 。大型旋转机械如汽轮机、发电机、空压机、鼓风机以及泵 类等在电力、化工、冶金等行业中得到了广泛的应用，这一方面提高了企业的 生产效率，给企业带来了巨大的经济效益，另一方面，由于这些大型旋转机械 在企业过程化生产中占据着极其重要的地位，一旦出现异常或者发生故障，将 给企业造成巨大的经济损失，更甚者将导致严重事故的发生。因此，对这些关 键性旋转设备进行精确的状态监测和快速故障识别，从而保证设备的平稳、安 全、优质运行，对于提高企业的经济效益和社会效益都具有重要意义。 虽然真正意义上的现代故障诊断技术起源于2 0 世纪6 0 年代，但是伴随着 转子动力学、信号采集与处理、人工智能、计算机技术等相关学科的飞速发展， 使得故障诊断技术在众多行业中得到了广泛的应用乜1 。而旋转机械，尤其是大型 旋转机械则在各个工业部门中应用最为广泛，同时也是最为重要的一类机械； 因此，对于大型旋转机械运行状态的全面监测是十分必要的。目前，多采用在 转子靠近轴颈处布置电涡流传感器测得转子相对于轴承的相对位移振动值，即 轴振；用速度传感器或者加速度传感器测得轴承座处的绝对振动值，即瓦振。 虽然对于旋转设备进行振动监测时，多在同一截面处布置了两只相互垂直的振 动传感器，但是在分析时往往选用某一通道的振动信息作为判断依据，这样一 1 1 绪论 方面不能全面的反映转子的真实运行状态，另一方面即使对双通道的信息进行 了分析处理，由于传统分析方法往往忽视了两个通道信息之间的联系，并且从 不同通道中所得到的信息在频率结构和振动幅值上也往往存在着较大差异，这 些都给旋转设备的状态监测与故障识别造成了较大困难。 因此，在旋转机械状态监测和故障诊断中，只有利用同源信息融合技术对 相互垂直的双通道信息进行融合分析，才能克服单通道信息量不足的问题，从 而更加真实、全面的反映转子运行状态。目前，同源信息融合技术在故障诊断 领域已经得到了较好的应用，主要有：全频谱技术、全息谱技术和全矢谱技术。 虽然三者的侧重点有所不同，但是相对于传统谱分析方法所显现出来的巨大优 势，充分表明了全信息分析技术在故障诊断领域有着广阔的发展前景。 在实际监测中，由于接触式检测的便捷性、经济性、灵活性，因此企业点 巡检多采用接触式检测。但是在多数情况下，由于受到转子涡动特性、设备结 构以及滑动轴承油膜等因素的影响，从壳体水平和竖直方向上所测得的信号无 论频率结构还是振动幅值均存在着较大差异，有时甚至会表达出截然相反的故 障特征。同时，对于旋转机械，尤其是大型旋转机械，由于受到转子刚度和支 承系统刚度的影响，其轴振与瓦振比值可能出现偏大或者偏小的情况。此时， 仅仅对轴振或者瓦振进行监测都是不全面的，均不能准确的反映设备的真实运 行状态口1 。因此，利用全信息技术对轴振与瓦振之间的关系进行分析，从而将轴 振监测与瓦振监测相结合，对于设备运行状态的全面监测有着重要的现实意义。 为了实现对设备运行状态的全面监测，仅仅局限于单一方向上对轴振与瓦 振之间的关系进行研究，显然已经满足不了大型旋转设备状态监测的实际要求。 而基于同源信息融合的全矢谱技术h 1 不仅克服了传统分析中单通道信息量不足 的问题，能够更加真实、全面的反映设备的运行状态，而且对于传统谱分析方 法还具有良好的兼容性。因此，利用全矢谱技术对转子系统轴振与瓦振之间的 关系进行分析，将有利于实现对轴振与瓦振的全面精确监测，进而实现对设备 运行状态的综合评定。这无论对于理论研究，还是实际生产都具有重要的意义。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 旋转机械故障诊断技术的研究概况 故障诊断技术起源于1 9 世纪，但是直到2 0 世纪6 0 年代才产生了真正意义 2 1 绪论 上的现代故障诊断技术。1 9 6 7 年，为了满足航空航天的需要，美国政府成立了 美国机械故障预防小组( m f p g ) 嘲，开始有组织的对故障诊断技术进行研究。 其后，随着系统论、控制论等相关理论以及现代测试技术和计算机技术的引入， 设备故障诊断技术得到了飞速的发展，并已被广泛应用到航空、电力、化工、 冶金等工业部门。今天，故障诊断技术已经成为一门涉及力学、信息采集与处 理、模式识别、人工智能、计算机科学技术、网络技术等相关专业的新兴学科嘲。 目前，设备故障诊断技术的主要研究内容有故障机理的研究、信号处理技术以 及人工智能技术等1 。 旋转机械故障机理的主要研究内容是依据不同的研究对象，建立起相应的 故障模型，通过对模型的一系列分析研究，从而了解故障的演变过程，得到所 研究对象的故障特征和故障物理特性。由于故障机理的研究是进行故障诊断的 基础，也是故障识别准确性和可靠性的根本保证，因此，在国内外对于旋转机 械故障机理已经进行了比较深入的研究。针对不同的故障，c h o y 等陋9 3 研究了系 统参数对碰摩过程的影响；p a p a d o p o u l o s 等n 们对横向裂纹与纵向裂纹耦合振动时 转子系统的稳定性进行了研究；c h o i 等n 门采用解析的方法对转子系统发生碰摩 一故障时的拟周期现象进行了研究；j i 等n 2 1 对支承松动故障下转子系统稳态响应中 如何识别分岔点的出现进行了分析；韩捷等n 3 1 从运动学的角度对齿式联接不对 中的故障机理及故障发生时的主要特征进行了研究；袁小阳等n 钔利用打靶法对 不平衡转予系统的稳定性进行了分析；褚福磊等n 钔依据所建立的模型对碰摩转 子系统的稳定性以及混沌特性进行了研究；张靖等n 明对转子系统支座与基础之 间出现松动故障时的振动特性进行了分析；林言丽等n 7 1 对扭矩作用下的直裂纹 与4 5 。斜裂纹的振动特征频率进行了研究。 信息处理技术是以通过各种分析方法和手段，从原始信号中提取并获得更 多有价值信息为目标的，因此，信息处理方法的选取对于提高旋转设备诊断的 准确性和可靠性有着重要的作用。传统谱分析是建立在傅里叶变换( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ) 基础之上的各种常规信号分析技术的综合。目前，主要有波形分析、 相关分析、频谱分析、包络谱分析等n 引。这些信号处理方法虽然已经在故障诊 断领域发挥了巨大作用，但是由于其并不适用于对非平稳信号的处理，因此出 现了短时傅里叶变换( s h o r t t i m e f o u r i e r t r a n s f o r n l ，s n 叮) 、w i g n e r - v i l l e 分布、 小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m ) 、h i l b e r t h u a n g 变换等为代表的现代信号处理技 术。其中尤以小波分析最为显著。小波分析是在1 9 8 4 年由法国的m o d e t 最先提 3 1 绪论 出n 9 1 。随后，小波分析技术被逐渐应用到语音识别、图像处理、信号分析等领 域。今年来，小波分析技术被引进到故障诊断领域。其中，n e w l a n d 啪一的结合工 程实例对小波变换在振动信号处理中的基本理论和方法进行了系统性研究； b o u l a h b a l 等乜2 3 将小波相位谱与尺度谱相结合对齿轮故障进行了分析；l i u 等例 将基于小波包变换的特征提取方法应用到轴承故障诊断中，表现出了良好的优 越性；张佩瑶等乜钔提出了一种新的小波包信号提取算法，并将其应用到滚动轴 承的故障诊断中；史东锋等瞳5 1 将一种新的小波包络解调分析方法应用到了滚动 轴承的局部缺陷检测中；李舜酩啪3 利用谐波小波包变换的方法，实现了转子亚 频信号的轴心轨迹提取；王翔瞳刀对现阶段小波变换在汽轮机组碰摩故障中的应 用作了较为详细的介绍。 随着旋转机械日益复杂化、智能化，常规诊断技术已难以满足实际要求， 因此，智能诊断技术逐渐成为研究的新课题。世界各国纷纷开展了相关研究工 作，现今在智能诊断系统的研发上已经取得了较为显著的成就。国外的有，美 国w e s t i n g h o u s e 公司研制的汽轮机人工智能诊断系统( t u r b i n ea i d ) ，美国 麻省理工学院( m i t ) 将多种人工智能方法综合在一起，所研制的混合智能系统 ( h y b r i di n t e l l i g e n ts y s t e m ) 啪1 ，美国s t e w a r th u g h e sl d 公司针对直升机发动机转 子所研发的监控与诊断系统删，美国b e n t l y 公司推出的d m 2 0 0 0 和e a 3 0 系统， 日本国立公司针对汽轮机寿命诊断技术所开发的h i d i c 0 8 e 。在国内，相关科 研院所也进行了相应的研究，一批拥有自主知识产权的智能诊断系统已经投入 了应用，如：华中理工大学开发的k b s e d 系统，哈尔滨工业大学研制的 m m m d 3 系统口副，郑州大学振动工程研究所推出的e m 3 0 0 0 系列等。 1 2 2 全信息分析技术的研究概况 信息融合这一概念虽然在2 0 世纪7 0 年代末才首次出现，但是它一被提 出便引起了有关政府部门的高度重视m 1 ，并得到了迅速的发展。目前，信息融 合技术在各个领域尤其是在军事领域已经得到了广泛的应用1 。随着对旋转机 械动态特征及其回转机理的深入研究以及计算机技术的飞速发展，信息融合技 术也被引入到旋转机械状态监测与故障诊断这一领域。目前，在设备状态监测 与故障诊断中多采用的是同源信息融合技术，即在保证传感器类型相同的条件 下，只是将传感器设置的具体位置不同。其中，具有代表性的同源信息融合技 术有：全频谱技术( f u l ls p e c t r u m ) 、全息谱技术( h o l o s p e c t n m i ) 和全矢谱技术 4 1 绪论 ( f u l lv e c t o rs p e c t r u m ) 。虽然三者分析的侧重点有所不同，但是可统称为全信 息分析技术。 。 全频谱技术啪1 由美国b e n t l y 公司在1 9 9 3 年首次提出。全频谱分析技术是把 转子单谐波下的椭圆轨迹看作是一个正进动正圆和一个反进动正圆轨迹的组 合，然后将该谐波下的正圆半径作为振动强度，按照各自旋转频率的正负及其 大小在坐标轴上标示出来，这样就构成了全频谱。它能够清晰的反映出转子在 各谐波下的进动方向，而且与相位谱结合后，能够全面的反映转子的涡动状态。 在国内，吴凝等口7 1 对全频谱技术进动分析的原理进行了分析，并将其应用在给 水泵的故障识别中，曾智杰呻1 对全频谱分析方法作了较为详细的分析，并将其 应用到汽轮机故障诊断中。 全息谱技术啪1 是由西安交通大学机械诊断与控制研究所在1 9 8 9 年提出的。 全息谱技术是把单谐波下的轴心轨迹与其频谱分析相结合，按照各谐波频率的 大小直接在坐标轴上绘制出该谐波下的轨迹椭圆。因此，通过全息谱可以直观、 明了的观察到转子在各谐波频率处的轨迹，这对于故障的准确识别是非常有用 的。目前，在二维全息谱基础上，刘石等m 1 对三维全息谱诊断技术进行了研究。 在实际应用中，李霄等h u 把全息谱技术应用到化工设备的气体激振、动静部件 碰摩等故障诊断中，刘石等h 2 1 利用全息谱技术对转子不平衡、转子热弯曲、转 子不对中等故障进行了分析，均显示出了极大的优越性。 全矢谱技术是由郑州大学振动工程研究所提出的。全矢谱技术把各谐波下 轨迹椭圆的长半轴作为该谐波的主振矢，其反映了转子涡动时的振动强度；短 半轴称为副振矢，反映了转子在该谐波下涡动时的进动方向；椭圆长轴与坐标 轴石轴之间的夹角称为振矢角；轴心沿椭圆轨迹运动时的相位角称为矢相位h 引。 由于全矢谱技术改进了全频谱技术和全息谱技术的不足，因此具备了更加有效 的故障分析和识别能力。全矢谱技术与现代信号处理方法相结合，产生了多种 全新的全信息分析方法，主要有：冯彩虹h 4 1 将全矢谱技术与小波分析技术相结 合，提出了全信息小波分析技术；王丽雅h 副将全矢谱技术与短时傅里叶变换相 结合，提出了短时矢功率谱分析；周宇脚3 将全矢谱技术与w i g n e r 分布相结合提 出了矢w i g n e r 分布。在实际应用中，张立家等h 刀利用全矢谱技术对旋转机械启 停车过程进行了研究；齐俊帅等h 羽将全矢谱技术扩展到多截面上，从而实现对 转子不对中故障的识别。这些研究与应用都表明了全矢谱技术在旋转机械状态 监测与故障诊断领域有着更为广阔的发展前景。 5 1 绪论 1 3 本文主要研究内容 本文简要介绍了旋转机械故障诊断技术的发展概况；重点阐述了全信息分 析技术的研究现状及其应用前景；对比分析了全频谱技术、全息谱技术以及全 矢谱技术各自的特点；在对全矢谱技术理论基础和数值算法探讨的基础上，利 用全矢谱技术对无故障、支承系统松动故障和转子碰摩故障下转子一轴承一基 础系统轴振与瓦振之间的关系进行了仿真分析与实验验证。 本文所做的主要工作如下： 1 对基于同源信息融合的全矢谱技术的数值算法进行了推导，并利用实际 信号探讨了其优越性； 2 建立了基于实际的无故障、支承系统松动故障以及转子碰摩故障的转子 一轴承一基础系统动力学模型，并采用数值积分的方法得到了不同条件下转子 一轴承一基础系统的轴振信号与瓦振信号； 3 在无故障条件下，利用全矢谱技术分析了转速、圆盘质量、偏心距、转 轴刚度、转轴阻尼以及支承系统刚度等系统参数对轴振与瓦振的影响，最后通 过实验验证了上述分析； 4 在支承系统松动故障下，利用全矢谱技术对不同转速下转子一轴承一基 础系统轴振与瓦振之间的关系以及松动端轴振信号与瓦振信号所表达的故障特 征异同进行了分析，最后通过实验对仿真结果进行了验证； 5 在转子与定子间碰摩故障下，利用全矢谱技术对不同转速下轴振与瓦振 之间的关系以及轴振信号与瓦振信号所表达故障特征的异同进行了仿真分析与 实验研究；， 6 对全矢谱技术在轴振与瓦振中的应用做了总结与展望。 1 4 小结 故障诊断技术为保证设备的正常运行，提高企业的经济效益和社会效益作 出了巨大贡献，而基于同源信息融合的全矢谱技术不仅兼容了传统谱分析方法， 而且极大的提高了旋转机械状态监测与故障诊断的可靠性和准确性。因此，利 用全矢谱技术对不同条件下转子一轴承一基础系统轴振与瓦振之间的关系进行 研究有着重要的理论价值和现实意义。 6 2 基于同源信息融合的全矢谱技术 2 基于同源信息融合的全矢谱技术 2 1 概述 全矢谱技术是在同源多振动传感器信息融合技术和旋转机械回转机理与动 态特征相结合的基础上提出的。构建在同源多振动传感器信息融合基础之上的 全矢谱技术主要是对不同融合程度的多通道信号以及不同类型的多通道信号进 行分析处理的一系列谱分析方法。 同源多振动传感器信息融合是将来自不同途径、不同时间和不同空间的多 振动传感器特征信息协调成为统一的特征表达，从而实现对特定对象与环境特 征的描述。因此，采用同源多振动传感器信息融合方法比传统分析方法获得的 信息质量更高、更完整，所得到的信号特征也更加真实可信，从而极大的提高 了设备振动监测与故障诊断的可靠性。目前，该方法在旋转机械故障诊断领域 中的应用研究已经取得了较大的成就，具有代表性的是：全频谱技术、全息谱 技术和全矢谱技术。其中，全频谱技术较好的反映了转子的进动方向，全息谱 技术以图形化的方式直观的表达了各谐波的涡动轨迹，而全矢谱技术则在保证 高分辨率的前提下，还可以进行能量分析等。 本章简要介绍了基于同源信息融合的全信息技术理论，详细阐述了全矢谱 技术的理论基础和数值算法，并对全矢谱技术的应用进行了简单的举例说明。 2 2 同源信息融合的全信息技术理论 信息融合是利用现代计算机科学技术对按时序获得的多源观测信息依据某 一准则加以自动分析和综合，用以完成估计任务与所需决策而进行的信息综合 与处理的过程m 1 。因此，通过信息融合技术可以充分的利用多通道信息的互补 性嘞1 ，从而有助于复杂问题得到正确的解决。 按照信息融合层次的不同，可将其分为数据层融合、特征层融合和决策层 融合璐玎。目前，在旋转机械状态监测与故障诊断领域，在数据层面上的同源信 息融合技术主要有：美国b e n t l y 公司的全频谱技术、西安交通大学机械诊断与 控制学研究所的全息谱技术以及郑州大学振动工程研究所的全矢谱技术隋羽，三 者均在工程实践中发挥了重要作用。 7 2 基于同源信息融合的全矢谱技术 2 2 1 全频谱技术 全频谱技术( f u l ls p e c t r u m ) 反映的是转子涡动时各阶频率的正、反进动分 量踟，由于其更加全面的表达了转子的涡动信息，从而使故障的识别更加准确， 因此，全频谱技术很快成为旋转机械转子故障诊断的有效分析工具。 全频谱技术是把转子的各个单谐波轴心轨迹分解成正进动圆和反进动圆的 轨迹组合嘲1 。其中，正圆的旋转方向与转子角速度方向相同的称为正进动，反 之则为反进动。因此，把各个进动圆按照旋转频率的大小及其进动方向的正负 ( 正进动圆按旋转频率为正，反进动圆为负) ，在同一坐标系内，分别描绘出各 谐波下正、反进动的幅值( 圆的半径) 和初始相位的变化图，便分别得到了全 频幅值谱和全频相位谱，总称为全频谱图嘞1 。 从全频谱图中可以得到全面的转子涡动信息，同时也能迅速的识别出转子 的进动方向，这对于旋转机械故障的准确识别有着重要的意义。但是，由于全 频谱技术是通过各谐波下正进动圆半径和反进动圆半径来反映转子涡动轨迹椭 圆的，即通过正、反进动圆的半径之和来确定转子涡动轨迹椭圆的长半轴，而 用正、反进动圆的半径之差确定出轨迹椭圆的短半轴嘞5 引，从而进一步确定出转 子的涡动状态以及振动强度的大小。这就对工程技术人员的技术水平以及工程 经验有着较高的要求，否则容易产生概念上的混淆。 2 2 2 全息谱技术 全息谱技术( h o l o s p e c t r u m ) 嘲1 是在传统傅里叶变换的基础上，将转子某截 面水平方向上和竖直方向上振动信号的主要频率分量的频率及其幅值和相位等 信息集成在一起，从而得到各频率分量所对应的回转轨迹呻1 。用各谐波下的轨 迹椭圆来表示该谐波分量的转子涡动特征信息，最后将这些轨迹椭圆按照频率 的大小排列在一张谱图上即为二维全息谱呻1 。 全息谱技术能够将转子在各个频率下的涡动特征准确而直观的表达出来， 同时还衍生出了三维全息谱、全息瀑布图以及合成轴心轨迹、提纯轴心轨迹等 技术，使得全息谱技术在实际应用中比传统故障分析方法具有更大的优势。 但是，由于全息谱技术采用的是按照频率大小直观的进行图形描述的方法蚴， 因此限制了所要表达的特征频率的数量，即降低了分析时的频率分辨率旧1 ，尤 其是当分析频率很多并且间隔较小时，椭圆轨迹会出现严重的交叠现象，难以 得到令人满意的效果。 8 2 基于同源信息融合的全矢谱技术 2 3 全矢谱技术 2 3 1 概述 全矢谱技术( f u l lv e c t o rs p e c t r u m ) 是由郑州大学振动工程研究所提出来的。 由于转子的涡动现象可以看作是各谐波频率下的组合作用，并且在各个谐波频 率下，转子的涡动轨迹是一系列椭圆，因此可以定义这些轨迹椭圆的长半轴作 为评价振动强度的主振矢，而把转子在各谐波频率下的涡动强度作为故障判别 的基本依据嘲1 。 由于全矢谱技术克服了全频谱技术和全息谱技术的缺陷，通过主振矢、副 振矢以及振矢角和矢相位全面的反映了转子的真实涡动状态嘲1 ，同时兼容了传 统谱分析方法，并且在保证频率分辨率不变的条件下，还可以进一步的进行三 维分析、能量分析时1 等。这些独特性使得全矢谱技术对于提高旋转机械状态 监测与故障诊断的可靠性和稳定性有着重要的作用。因此，对全矢谱技术的进 一步研究与拓展，对于旋转机械状态监测和故障诊断具有非常重要的理论价值 和现实意义。 2 3 2 理论基础 由于转子在自身平面内的稳态涡动可以看作是若干角速度的组合，因此对 于圆盘中心来说，其任一涡动角速度 的运动微分方程可以写为： 肛誓螂 h 奠 ( 渊册州) ( 2 1 ) lm = ic o s ( c o f t + 九) 一 其中，五、1 分别为单谐波i 在石、y 方向上的振动幅值；九、九分别为单谐 波i 在x 、y 方向上的相位角。 则对于该谐波f ，可以设： x a = x lc o s 丸 2 蚤s i n 哆 ( 2 2 ) y a = 】：c o s 九 y , i = 】：；s i n 九 则式( 2 1 ) 可化为： j 薯2 c o s 哆一矗s ? 皑 ( 2 3 ) 【y i = 虼c o s 哆f 一蜘s m 劬 利用欧拉公式：e 士廊= c o s o ) t + j s i n c o t ，则式( 2 3 ) 的复数形式为： 2 基于同源信息融合的全矢谱技术 因此，在x 、y 方向上的运动方程式可以写为： l 工：o o 五c o s ( 哆h 九) ：r 艺置哔) ：r e i 主( 屹+ j x , i 、) e 哗i 扣12 1 r l 2 11 j ( 2 5 ) l y ：妻】：= c o s ( 呼+ 办) ：r e ( a o 昂j 呼) ：r e l 妻( 虼+ j y , 加呼l l j = li = 1 lf = lj 其中，置、嚣分别为单谐波i 在x 、y 方向上的复幅值。 因此，从式( 2 5 ) 可以得到任一单谐波i 的振动分量的运动方程式为： 将式( 2 6 ) 展开，司得到： j t 2 ( 毛c 0 s 哆一矗s i l l