大型旋转机械突发不平衡振动瞬态响应的时频分析方法实验研究

摘要

突发不平衡振动对大型汽轮发电机组的安全构成严重威胁。突发不平衡振动往往发生在轴系事故的过程中，发生具有突然性，过程具有短暂性，结果可具有毁灭性。过去的研究一方面受到试验条件和方法的限制，不能有效地模拟突发不平衡振动过程：另一方面受到数据分析手段的限制，无法对非线性和非平稳的突发不平衡瞬态过程进行细致的分析。本文在充分把握现代时频分析最新成果的基础上，结合已有的研究成果，针对突发不平衡振动瞬态过程的特点研究合适的时频分析方法和手段，用以分析突发不平衡瞬态过程的动力学特点。主要研究工作如下：
　　 1．提出采用瞬间反向加重法制造突发不平衡量来模拟质量飞脱引发的突发不平衡振动，解决了实现突发不平衡振动的试验方法，并研制了相应的实验装置。对小型转子试验台模拟试验的数据使用傅立叶谱进行了初步的分析，了解了转子突发不平衡振动信号的初步特征。试验数据初步分析表明试验方法可产生突发大不平衡振动。
　　 2．把突发不平衡振动信号按照其初步特征抽象为一组简单信号模型，并引入Hilbert-Huang变换(HHT)对它们进行分析。发现HHT分析在大多数时都能很好地表征突发不平衡振动模型信号的特征，但在信号幅度发生阶跃时，Hilbert谱受Bedrosian定理限制，时频分布结果中会出现频率间断跳跃干扰。使用Morlet小波谱来对照，发现Morlet小波谱对非线性信号不能清楚表征，但对信号幅度发生阶跃的情况可清晰表示。
　　 3．研究了HHT时频分析中经验模态分解(EMD)的端点效应问题。通过定义信号分离度和幅度比-频率比图，用幅度比-频率比图来描述EMD的信号分离能力，提出用EMD的信号分离能力作为评价端点处理方法对EMD分解中模式混叠特性影响的标准。研究结果表明，采用遍历两信号关系的一定参数空间得到的幅度比-频率比平面图，全面反映了在该参数空间中EMD的信号分离能力，可有效表达端点处理方法对EMD分解中模式混叠特性的影响。
　　 4．研究并提出选择合适样条函数的评判标准，从而对使用不同样条函数时EMD分解特性进行分析评价。评判参数集包含4个方面，分别为筛分次数、本征模式函数(Intrinsic mode function，IMF)个数、分解的方差变化和分解的正交指数。通过对5个突发不平衡振动信号模型的EMD分解特性评判参数集的比较，发现G．Rilling端点处理方法和三次样条函数相组合时，对所有的信号类型总可以获得合理的EMD分解特性参数集，证明这一组控制条件的性能最佳，为对突发不平衡振动信号进行EMD分解时首选的控制条件。
　　 5．针对转子突发不平衡振动试验台模拟信号应用HHT来进行时频分析遇到的模式混叠问题，提出了一种改进的白噪声信号辅助HHT分析方法，改善了HHT结果的可读性。随后又提出一种改进连续单频正弦信号辅助的HHT分析方法，使用根据EMD的信号分离能力结果而设定的单频正弦信号定义方法，不仅可解决尺度完全不同的模式存在于单一IMF中的模式混叠形式，同时解决尺度相近的模式被分离到不同的IMF中的模式混叠形式，使所得突发不平衡振动信号的HHT时频分布清晰明了。
　　 6．突发不平衡振动信号存在幅度阶跃，使HHT中Hilbert谱受到Bedrosian定理限制，为此提出把EMD和双线性时频分布结合起来，把双线性时频分布作为各IMF函数瞬时频率和能量计算工具的时频分析新方法，实现对突发不平衡振动信号的时频分析。主要研究了使用Wigner-Ville分布和自适应最优核分布来进行时频分布计算的方法。研究结果表明，在EMD分解充分时，使用Wigner-Ville的时频分布能完整表示每一个信号分量，但EMD分解出的IMF信号包含非线性因素或发生模式混叠时，此方法无法克服交叉项。将EMD分解结果用自适应最优核分布来进行时频分布计算时，如果控制参数选择合适，可有效克制使用Wigner-Ville分布时出现的问题，可应用于更广泛的EMD分解结果。
　　 7．用幅度比一频率比图研究了零空间追踪(NSP)信号分解算法的信号分解特性。发现λ10取值对NSP分解算法的信号分解性能影响非常大，不同λ10取值会导致完全不同的分解性能；发现当采样率提高后，NSP的信号最佳分离能力整体向λ10取值减小的方向移动。研究了该算法对高斯白噪声的分解行为，发现随λ10取值不同NSP算法表现为不同的滤波特性，与EMD的行为非常不同。研究了噪声强度对信号分解特性的影响，发现随噪声强度的增加，需使用较大的λ10取值，当信噪比低于Odb时，信号难以被NSP分解。
　　 8．提出了基于NSP的时频分析方法。研究结果表明，结合NSP的分解结果，使用Teager能量算子解调算法或直接正交解调算法来进行瞬态参数解调，可获得有效的信号时频分布表示。针对Teager能量算子解调算法对噪声比较敏感的缺点，提出改进的平滑能量算子分离算法来改善解调结果。使用基于NSP的时频分析方法，有效分析了突发不平衡振动瞬态过程。
　　 9．通过对突发不平衡瞬态过程时频分布的全面分析，发现在大突发不平衡量作用下，主模式分量不仅幅度突跳，变化量有10倍之多，达到大不平衡振动，主模式瞬态频率在短时间内会快速下探并恢复，下探幅度可接近20Hz左右，持续时间一到两转。这一瞬态响应可成为诱发轴系破坏的原因。