基于非线性输出频率响应函数的转子裂纹故障诊断方法研究

摘要

本论文在国家自然科学基金(50775208、51075372)、湖南省机械设备健康维护重点实验室开放基金(200904)和河南省教育厅自然科学基金(2008C460003)资助下,将非线性输出频率响应函数(Nonlinear output frequency responsefunctions,简称为NOFRF)应用到转子裂纹的故障诊断中去,深入研究了基于NOFRF模型的转子裂纹故障诊断方法,并进行了仿真研究,取得了一些创新性成果。本文的主要内容包括:
　　 第一章,论述了本课题的提出及研究意义,综述了非线性系统辨识的国内外研究现状及其在故障诊断中的应用,并对转子裂纹故障的检测诊断方法及国内外的研究现状做了阐述。提出了本论文的主要内容与创新之处。
　　 第二章,论述了系统频率响应函数的定义和算法,在此基础上,将线性系统频率响应函数推广到非线性系统中,详细论述了非线性输出频率响应函数的理论,给出了基于非线性频率响应函数模型的故障诊断过程。本章内容是整篇论文的理论基础。
　　 第三章,详细讨论了裂纹轴的刚度计算,裂纹转子系统的振动表现出强烈的非线性,裂纹存在减小了转子的刚度,斜裂纹还会引起转轴刚度的相互耦合。本章首先介绍了常用的几种裂纹模型,而后依据断裂力学原理,详细推导了裂纹轴刚度的计算方法,并分析了裂纹位置,裂纹深度等参数变化时,裂纹轴刚度的变化规律,特别对斜裂纹转轴的刚度耦合进行了深入分析,合理解释了斜裂纹转子响应中出现的多频率耦合现象。
　　 第四章,非线性输出频率响应函数是在广义频率响应函数的基础上提出来的,是非线性系统Volterra级数模型的深入演化和扩展,它同样能反映系统的本质传递特征,也可以利用系统的输入输出辨识得到,最大优点在于它的表示形式是一维的,更容易理解。基于此,本章将非线性输出频率响应函数(NOFRF)应用到裂纹转子的故障诊断中,提出了基于NOFRF的转子裂纹故障诊断方法。辨识得到裂纹转子的NOFRF值,清楚的解释了系统高阶频率的产生;通过对比不同位置,不同深度的系统各阶NOFRF值,得出了NOFRF值随裂纹参数的变化关系,发现了对裂纹位置敏感的NOFRF值;通过检测敏感参数的变化,结合频域分析,可实现对裂纹故障的检测诊断。实验验证了该方法的有效性。
　　 第五章,转子上的斜裂纹引起了系统各方向的刚度耦合,振动特性更加复杂。本文对受水平,垂直,轴向,扭矩四个方向单位载荷情况的直斜裂纹转子系统,进行了动力学方程求解,对比分析了直斜裂纹转子系统的轴向和横向振动特征;辨识得到了斜裂纹转子系统的NOFRF模型各阶核值,分析了裂纹倾角不同时,系统各阶NOFRF值的变化情况,并对相同参数下的正常转轴,直裂纹轴,不同倾角的斜裂纹轴的非线性输出频率响应函数进行了对比研究,得到了斜裂纹故障的特征信息。实验结果表明,NOFRF值不仅能反映裂纹的存在,而且能反映裂纹的方向。
　　 第六章,对本文的工作进行了总结,并对非线性系统辨识在旋转机械故障检测与诊断领域的应用做了展望。