转子系统碰摩故障的混沌分形特征研究

摘要

转子系统是旋转机械最主要的组成部分,一旦发生故障,将带来巨大的经济损失.由各种非线性因素(非线性油膜力、非线性内阻力、碰摩、裂纹等),导致转子系统呈现出非线性动力学特性.目前针对非线性因素耦合碰摩故障的研究还不成熟,其动力学行为非常复杂,有时表现出混沌特征,所以对其混沌行为进行理论研究可以为转子故障诊断提供有力依据.同时在设备故障诊断领域,出现了基于混沌时间序列信号相空间重构的分形故障特征提取方法,为从全新角度更深刻地认识复杂非线性动力系统的故障行为提供了新的手段,也为从混沌现象中揭示故障的本质提供了基础,所以对转子系统振动信号进行混沌分形特征研究具有重要意义.对转子系统非线性因素耦合碰摩故障机理进行了研究,转子系统通常受到几种非线性因素的耦合作用,不同激励因素之间相互影响,使得转子的碰摩故障更加复杂,非线性动力学特性更加丰富.所以,本文针对非线性耦合碰摩故障,建立了具有非线性碰摩力和油膜力耦合的.Jeffcott转子系统动力学模型.对转子系统非线性运动微分方程进行了数值分析.采用四阶龙格库塔法对非线性因素耦合的碰摩故障运动微分方程进行求解,对径向位移量为0.3时的混沌特性进行了研究,分析了不同频率比时的Poincare映射图、相图和轴心轨迹图,可以有效地分析出系统的周期运动、拟周期运动和混沌状态.对不同径向位移量和不同速度影响因数时转子碰摩故障随频率比变化的动力学行为进行了研究,提取了混沌分形特征参数,找出了混沌演化的固有规律,为进一步开展转子系统的非线性动力学研究提供了理论基础.从相空间重构角度对转子系统典型故障进行混沌分形特征提取的研究.首先对混沌吸引子进行了相空间重构,对重要参数m和τ进行了研究.对在本特利转子实验台上测得的正常、不平衡、碰摩、油膜涡动实验数据进行了分析,首先计算振动信号的最大Lyapunov指数,以判断是否进入混沌状态,之后进行关联维数特征提取,采用G-P算法计算动力系统的关联维数.关联维数是度量分形复杂性的重要指标,可刻画混沌吸引子的

目录

文摘

英文文摘

学位论文独创性声明及学位论文使用授权声明

创新点摘要

引言

第1章具有非线性油膜力和碰摩力的转子模型

1.1非线性动力系统与混沌

1.1.1非线性动力系统的混沌特征

1.1.2非线性动力系统产生混沌运动的途径

1.2转子系统碰摩故障的机理

1.2.1转子早期碰摩故障现象

1.2.2非线性碰摩力对转子系统的影响

1.3非线性油膜力的研究

1.3.1非线性油膜力对转子系统的影响

1.3.2转子-轴承系统油膜力的研究

1.3.3稳态短轴承油膜力模型

1.3.4稳态长轴承油膜力模型

1.3.5非稳态短轴承油膜力模型

1.3.6油膜力的线性化

1.4转子系统非线性力耦合的局部碰摩模型

1.5转子非线性运动方程组的求解

1.6本章小结

第2章转子系统碰摩故障分岔与混沌特征研究

2.1引言

2.2分岔图

2.3相图

2.4 Poincare映射图

2.5轴心轨迹图

2.6转子系统碰摩故障的混沌研究

2.6.1同一径向位移量时的混沌特征研究

2.6.2不同径向位移时转子碰摩故障的分岔图

2.6.3不同速度影响因数时的分岔图

2.7本章小结

第3章混沌分形故障特征提取方法的仿真研究

3.1引言

3.2奇怪吸引子

3.2.1平庸吸引子

3.2.2奇怪吸引子

3.3混沌吸引子的相空间重构

3.3.1时间序列长度的影响

3.3.2时间延迟的选取

3.3.3嵌入维数m的选取

3.4最大Lyapunov指数判据

3.4.1最大李雅普诺夫指数的提取

3.4.2基于Wolf预测方法的最大Lyapunov指数的求取

3.4.3距离和夹角的确定

3.5奇怪吸引子的关联维数

3.5.1关联维数在故障诊断中的应用

3.5.2关联维数的提取

3.5.3关联维数的仿真研究

3.6本章小结

第4章转子系统典型故障特征向量的研究

4.1引言

4.2转子系统的时域波形

4.3转子系统的相空间重构

4.3.1转子系统嵌入维数的选取

4.3.2转子系统时间延迟的选取

4.4转子系统典型故障的最大Lyapunov指数研究

4.5转子系统关联维数特征向量的研究

4.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢