【毕业学位论文】(Word原稿)第二代小波变换在旋转机械故障诊断中的应用研究-载运工具运用工程第二代小波在旋转故障诊断中的应用研究

I 中图分类号： 论文编号： 1028707 08科分类号： 082304 密 级：公开 硕士学位论文 第二代小波变换在旋转机械故障诊断中的应用研究 研究生姓名 于明月 学科、专业 载运工具运用工程 研究方向 第二代小波在旋转故障诊断 中 的 应用 研究 指导教师 陈 果 副教授 南京航空航天大学 研究生院 民航学院 二 八年 三 月 on in of u of 2008 诺 书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅 ,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 作者签名： 日 期 ： _ 南京航空航天大学硕士研究学位论文 I 摘 要 小波分析在时域和频域同时具有良好的局部化特性，因此较 析具有更大的优越性。目前在旋转机械故障诊断中得到了广泛应用 。第 2代小波变换继承了传统小波变换的时频局部化特性，所有的运算在时域上进行，小波基函数不再是由某一个函数的平移和伸缩而产生，具有算法结构简单、速度高、占用 内存少等优点 。本文利用第 2代小波变换，针对旋转机械转子和轴承故障诊断问题，进行了如下研究工作： （ 1）基于第 2 代小波变换的转子故障信号降噪处理。传统的小波降噪方法对转子信号进行去噪处理时 ，转子转速和信号采样频率对小波分解层数的选择具有很大的影响，因此，去噪过程难于自动完成。本文针对该问题，利用第 2 代小波变换，提出了基于尺度变换的小波自动去噪方法，通过对原始信号按一定方法进行重采样，并与小波软阈值去噪方法相结合，从而实现去噪处理，该方法可以消除转速和采样频率的影响，毋须人为选取小波分解层数，整个去噪过程自动完成。最后，利用转子故障模拟实验台和航空发动机转子实验器采集不平衡、不对中、油膜涡动及碰摩故障数据进行了降噪分析，取得了满意的效果。 （ 2）基于第 2 代小波变换的转子故障信号特征提取。针对小 波频段能量特征提取受旋转速度和采样频率的变化影响，本文运用尺度变换原理，通过对原始时间信号进行重采样，对重采样后的信号进行第 2 代小波变换，并统一分解到给定层上，从而获取信号的频带特征。该方法能够消除转子转速和信号采样频率对小波分解频带分布的影响，所提取出的频带能量特征具有统一的物理意义。最后，利用转子故障模拟实验台和航空发动机转子实验器，获取了转子不平衡、不对中、油膜涡动及碰摩 4 类故障数据，并进行了特征提取，并构造了结构自适应神经网络进行了诊断分析。获得了很高的识别率。 （ 3）基于第 2 代小波变换的滚动轴承故 障信号分析。分析了滚动轴承故障特征，利用第 2 代小波变换将滚动轴承故障振动加速度信号分解到不同尺度，提取出共振频带，然后 利用 换进行解调，再对解调后的信号进行频谱分析得到小波包络谱，从包络谱上获取轴承故障特征信息。本文利用 美国 气 工程实验室的滚动轴承故障模拟实验台 获取的滚动轴承故障数据进行了分析验证，结果表明了方法的有效性。 关键词： 旋转机械；故障诊断；降噪；特征提取；小波变换；第二代小波变换；神经网络；转子；滚动轴承。 第二代小波在旋转机械故障诊断中的应用研究 in it is is in nd of is on by or of a no In nd as In nd is to of (1) on nd to on of of it is to of In at nd a on is to to of of be In of be on to do (2) of on nd is at by of in to nd is to so as to of 京航空航天大学硕士研究学位论文 of to on of is of is (3) on nd is nd is to of to is is to of to of by to is nd 第二代小波在旋转机械故障诊断中的应用研究 录 摘 要 . I . 录 . 表清单 . 一章 绪 论 . 1 转机械转子故障诊断的意义 . 1 子和轴承常见故障 . 1 子常见故障 . 1 动轴承故障 . 2 动轴承故障 . 3 转机械故障诊断研究现状 . 5 障信号降噪处理技术 . 5 障信号特征提取 . 6 障状态识别 . 7 二代小波分析方法及其在转子故障诊断中的应用现状 . 9 文主要研究内容 . 10 第二章 第二代小波分析的基本理论 . 11 波分析简介 . 11 波变换 . 11 分辨率分析 . 14 二代小波的基本理论和方法 . 17 波分解与重构的多相位表示 . 18 项式的 法 . 20 相位矩阵的因子分解 . 21 升算法 . 23 结 . 28 第三章 转子与滚动轴承故障模拟实验台 . 29 子试验台简介 . 29 功能转子故障模拟试验台 . 29 空发动机转子实验器简介 . 31 动轴承试验台简介 . 33 结 . 35 第四章 第二代小 波变换在转子故障信号降噪中的应用研究 . 36 见的小波降噪的方法与原理 . 36 噪问题的描述 . 36 波变换模极大去噪 . 37 于小波变换尺度间相关性的去噪 . 38 波阈值去噪法 . 38 种小 波去噪方法的比较 . 40 极大值法去噪 . 40 南京航空航天大学硕士研究学位论文 V 关性去噪 . 40 波收缩阈值法去噪 . 41 移不变量小波法去噪 . 41 二代小波降噪原理与方法 . 41 于尺度变换的第二代小波自适应降噪新方法 . 44 于尺度变换的第二代小波自适应降噪新方法在转子故障信号降噪中的应用 . 47 对中故障实验信号降噪 . 47 平衡故障实验信号降噪 . 48 摩故障实验信号降噪 . 50 膜涡动故信号降噪 . 51 结 . 53 第五章 基于第二代小波分析的旋转机械转子故障特征提取 . 54 见的特征提取方法 . 54 域分析方法 . 54 计特征参量分析 . 54 关分析（时域同步平均分析） . 56 域分析 . 57 间序列分析 . 58 波分析 . 59 于能量分布的小波特征提取的原理 . 59 二代小波变换在转子故障信号特征提取中的研究 . 60 于尺度变换的第二代小波能量特征提取新方法 . 62 于尺度变换的第二代小波能量特征提 取新方法在转子故障诊断中的应用 . 63 子多故障的集成神经网络诊断实验研究 . 65 本产生 . 65 于结构自适应神经网络的集成神经网络模型 . 65 子故障识别结果 . 66 结 . 67 第六章 基于第 2 代小波 变换的滚动轴承的故障诊断 . 68 述 . 68 动轴承振动特征 . 68 障轴承振动信号特点 . 70 承内滚道损伤 . 71 承外滚道损伤 . 71 动体损伤 . 71 二代小波变换在滚动轴承故障诊断中的研究 . 72 常轴承的频率特性 . 73 承内圈故障诊断 . 73 承外圈故障诊断 . 74 承滚动体故障诊断 . 75 结 . 75 结论与展望 . 76 参考文献 . 77 致 谢 . 82 第二代小波在旋转机械故障诊断中的应用研究 读硕士期间所发表的论文 . 83 附录 1 转子模拟故障实验样本集 . 84 南京航空航天大学硕士研究学位论文 表清单 图 波时间 频率窗 . . . . . . 13 图 波 一维信号的分解与重构过程 升小波分解与重构的多相位表示 于提升小波的正向小波变换流程图 . 向小波变换的提升算法 . 小波变换的提升算法 于提升小波的逆向小波变换流程图 功能转子模拟实验台 . 功能转子模拟实验台 . 验装置信号采集原理图 空发动机转子实验器 . 子试验器剖面图 . . . . . . 32 图 空发动机转子实验器振动测试系统原理图 . . . 32 图 动轴承试验台 . . . . . . 33 图 计小波系数的软阈值与硬阈值方法 . 一代小波与第二代小波对 号的去噪效果比较 . 一代小波与第二代小波对 号的去噪效果比较 . 200r/解不同尺度时用第二代小波降噪效果比较 45 图 000r/解不同尺度时用第二代小波降噪效果比较 . 用本文方法得到的降噪后的信号（ 1200r/ 用本文方法得到的降噪后的信号（ 3000r/ . 560r/对中信号 . 196r/对中信号 . 用本文方法得到的降噪后的信号（ 2560r/ 用本文方法得到的降噪后的信号（ 3196r/ 535r /对中信号 . 487r/ 平衡 信号 . 文方法降噪结果（ 4535r/ 文方法降噪结果（ 5487r/ . 317r/摩信号 998r/摩信号 二代小波在旋转机械故障诊断中的应用研究 文方法降噪结果（ 4317r/ . 文方法降噪结果（ 5998r/ . 365r/摩数据 . 290r/摩数据 . 365r/文降噪后信号 . 290r/文降噪后信号 . 298r/摩信号 . 681r/摩信号 . 文 方法降噪 结果（ 5298r/ . 文方法降噪结果（ 3681r/ . 真信号第一代与第二代小波能量特征提取比较（ 1200r/ 61 图 真信号第一代与第二代小波能量特征提取比较（ 3000r/. 62 图 二代小波能量特征（ 1200r/ 二代小波能量特征（ 3000r/ 二代小波变换对不对中故障的特征提取结果 二代小波变换对不平衡故障的特征提取结果 二代小波变换对碰摩故障的