中圖分類號(hào) : 論文編號(hào) 1028707 11科分類號(hào) : 082304 碩士學(xué)位論文 轉(zhuǎn)子 滾動(dòng)軸承故障 分析與 智能診斷 研究生姓名 喬保棟 學(xué)科、專業(yè) 載運(yùn)工具運(yùn)用工程 研究方向 航空器運(yùn)行監(jiān)測(cè)與故障診斷 指導(dǎo)教師 陳 果 教授 南京航空航天大學(xué) 研究生院 民航 學(xué)院 二 一 一 年 三 月 A of 2011 承諾書 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含任何他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 本人授權(quán)南京航空航天大學(xué)可以有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱 ,可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。 (保密的學(xué)位論文在解密后適用本承諾書 ) 作者簽名： 日 期： 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 I 摘 要 滾動(dòng)軸承是航空發(fā)動(dòng)機(jī) 重要的支承 部件，它的運(yùn)行狀態(tài)是否正常直接影響到整臺(tái) 發(fā)動(dòng)機(jī) 的精度、可靠性及壽命等。因此 ， 深入研究滾動(dòng)軸承故障機(jī)理和振動(dòng)特性，準(zhǔn)確診斷軸承故障 具有重要意義 。本文 以 真實(shí) 的轉(zhuǎn)子 承 試驗(yàn) 臺(tái) 為研究對(duì)象，建立了含軸承故障的轉(zhuǎn)子 研究軸承故障機(jī)理，提取了軸承故障特征， 并 提出了一種滾動(dòng)軸承故障診斷新方法。 具體研究內(nèi)容如下： 第一、本文以真實(shí)試驗(yàn) 臺(tái) 為原型，建立了轉(zhuǎn)子 模型將轉(zhuǎn)子考慮為兩端無約束的等截面 自由歐拉梁模型，并對(duì)滾動(dòng)軸承常見故障進(jìn)行了詳細(xì)建模，考慮了滾動(dòng)軸承的非線性接觸力，最后運(yùn)用模態(tài)截?cái)喾?，將系統(tǒng)偏微分方程轉(zhuǎn)化為常微分方程組，并運(yùn)用新型顯式數(shù)值積分方法獲取轉(zhuǎn)子 時(shí)對(duì)真實(shí)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了模態(tài)實(shí)驗(yàn)分析 ， 相同參數(shù)條件下，實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)與計(jì)算模態(tài)基本一致 ， 驗(yàn)證了模型的正確有效性 ；仿真分析了滾動(dòng)軸承內(nèi)、外圈和滾珠故障時(shí)振動(dòng)信號(hào)， 分析結(jié)果與理論結(jié)果一致。 第二、 基于小波變換、包絡(luò)解調(diào)及盲源分離技術(shù)，研究了基于獨(dú)立分量分析的滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)降噪方法，通過實(shí)測(cè)信號(hào)驗(yàn)證，表明了基于 高監(jiān)測(cè)信號(hào)的信噪比 。 第三、提取滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)中 4個(gè)無量綱的時(shí)域參數(shù)和頻域中小波包絡(luò)特征參數(shù)，運(yùn)用 數(shù)據(jù)挖掘平臺(tái) 助 對(duì)規(guī)則 加以解釋 ， 最后 應(yīng)用 該 知識(shí)規(guī)則 診斷 從 試驗(yàn)器 上 模擬的 大量軸承數(shù)據(jù) ， 診斷 結(jié)果表明了該 知識(shí)規(guī)則 具有較高 的正確 性 和實(shí)用性 。 第四、建立基于 智能診斷 系統(tǒng) ，利用數(shù)據(jù)挖掘平臺(tái) 關(guān)鍵詞： 滾動(dòng)軸承；小波變換；盲源分析； 子 is in is a on of it is to on on is in be to a of is as in a of is on of In is in is s of of a on of by CA NR of a is 4.5 is to is in of of of of is of in of of 京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 錄 摘 要 . I . 錄 . 、表 清單 . V 注釋表 . 一章 緒論 . 1 題研究的目的和意義 . 1 內(nèi)外研究的概況及發(fā)展趨勢(shì) . 2 文的主要研究內(nèi)容 . 4 第二章 轉(zhuǎn)子 . 6 驗(yàn)臺(tái)簡介 . 6 號(hào)采集 . 6 動(dòng)軸承故障設(shè)置 . 9 章小結(jié) . 10 第三章 滾動(dòng)軸承故障動(dòng)力學(xué)分析 . 11 子 . 11 子動(dòng)力學(xué)模型 . 11 動(dòng) 軸承 模型 44. 14 47. 15 圈故障建模 . 15 圈故障建模 . 16 珠故障建模 . 17 子 驗(yàn) 驗(yàn)證 . 18 驗(yàn) 模態(tài)測(cè)試 . 19 算模態(tài)獲取 . 19 算模態(tài)與 試驗(yàn) 模態(tài)對(duì)比 . 19 界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 . 21 動(dòng)軸承故障仿真 . 22 動(dòng)軸承外圈故障仿真分析 . 22 動(dòng)軸承內(nèi)圈故障仿真分析 . 23 動(dòng)軸承滾珠故障仿真分析 . 24 章小結(jié) . 25 第四章 滾動(dòng)軸承故障信號(hào)分析與特征提取 . 26 波分析 . 26 波變換原理 . 26 絡(luò)分析 . 27 源分離 52 . 28 轉(zhuǎn)子 動(dòng)軸承 仿真 故障特征分析 . 31 動(dòng)軸承外圈故障分析 . 31 動(dòng)軸承內(nèi)圈故障分析 . 35 動(dòng)軸承 滾珠故障分析 . 36 動(dòng)軸承 實(shí)驗(yàn) 故障特征分析 . 34 動(dòng)軸承外圈故障分析 . 34 動(dòng)軸承內(nèi)圈故障分析 . 35 動(dòng)軸承外圈和內(nèi)圈耦合故障 分析 . 36 動(dòng)軸承滾珠和內(nèi)圈耦合故障 分析 . 37 動(dòng)軸承滾珠和外圈 耦合故障 分析 . 39 章小結(jié) . 40 第五章 滾動(dòng)軸承故障知識(shí)規(guī)則提取與智能診斷 . 41 于 臺(tái)的數(shù)據(jù)挖掘平臺(tái)簡介 . 41 策樹知識(shí)規(guī)則提取基本理論 . 41 續(xù)屬性的離散 . 41 策樹算法 . 42 策樹的剪枝 . 42 策樹規(guī)則提取 . 43 動(dòng)軸承故障診斷知識(shí)獲取 . 43 動(dòng)軸承知識(shí)獲取時(shí)故障樣本來源 . 43 動(dòng)軸承故障特征參數(shù)選取 . 44 域參數(shù)提取 . 44 域參數(shù) 提 取 . 45 動(dòng)軸承知識(shí)獲取 . 46 動(dòng)軸承故障知識(shí)規(guī)則 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 驗(yàn)證 . 48 動(dòng)軸承故障知識(shí)規(guī)則 仿真數(shù)據(jù) 驗(yàn)證 . 48 章小結(jié) . 51 第六章 基于 滾動(dòng)軸承數(shù)據(jù)采集與故障診斷系統(tǒng)開發(fā) . 52 件簡介 . 52 統(tǒng)開發(fā) . 53 據(jù)采集模塊 . 53 障診斷模塊 . 54 章小結(jié) . 56 第七章 總結(jié)與展望 . 57 結(jié) . 57 望 . 57 參考文獻(xiàn) . 58 致 謝 . 63 在學(xué) 期間 的研究成果及 所發(fā)表的 學(xué)術(shù) 論文 . 64 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 V 圖、表清單 圖 子 實(shí)物圖 6 圖 7 圖 渦流位移傳感器 7 圖 速度傳感器及力錘 7 圖 速度傳感器安裝示意圖 8 圖 擊法測(cè)轉(zhuǎn)子 8 圖 一故障滾動(dòng)軸承示意圖 9 圖 合故障滾動(dòng)軸承示意圖 9圖 截面歐拉梁轉(zhuǎn)子 11 圖 于等截面歐拉梁轉(zhuǎn)子模型的受力圖 11 圖 動(dòng)軸承外圈損傷示意圖 16 圖 動(dòng)軸承內(nèi)圈損傷示意圖 17 圖 動(dòng)軸承滾珠損傷示意圖 18 圖 子等分示意圖 19 圖 驗(yàn)和計(jì)算模態(tài)分析的原點(diǎn)加速度頻響函數(shù)比較 20 圖 驗(yàn)與計(jì)算模態(tài)振型比較 (第 1、 2、 3、 4 階振型 ) 21 圖 子水平方向響應(yīng)轉(zhuǎn)速 21 圖 承外圈故障時(shí)軸承座處加速度信號(hào)波形圖 22 圖 承外圈故障時(shí)軸承座處加速度信號(hào)包絡(luò)譜 22 圖 承內(nèi)圈故障時(shí)軸承座處加 速度信號(hào)波形圖 23 圖 承內(nèi)圈故障時(shí)軸承座處加速度信號(hào)包絡(luò)譜 23 圖 承滾珠故障時(shí)軸承座處加速度信號(hào)波形圖 24 圖 承滾珠故障時(shí)軸承座處加速度信號(hào)包絡(luò)譜 24 圖 信號(hào)分離的一般模型 28 圖 合分析方法示意圖 31 圖 承外圈故障加速度信號(hào)的前 3 層小包包絡(luò)譜 32 圖 源分離后軸承外圈故障頻譜 32 圖 承內(nèi)圈故障加 速度信號(hào)的前 3 層小包包絡(luò)譜 33 圖 源分離后軸承內(nèi)圈故障頻譜 33 轉(zhuǎn)子 承滾珠故障加速度信號(hào)的前 3 層小包包絡(luò)譜 34 圖 源分離后軸承滾珠故障頻譜 34 圖 承外圈故障加速度信號(hào)的前 3 層小包包絡(luò)譜 35 圖 源分離后軸承外圈故障頻譜 35 圖 承內(nèi)圈故障加速度信號(hào)的前 3 層小包包絡(luò)譜 36 圖 源分離后軸承內(nèi)圈故障頻譜 36 圖 承外圈和內(nèi)圈耦合故障加速度信號(hào)的前 3 層小包包絡(luò)譜 37 圖 源分離后軸承外圈和內(nèi)圈耦合故障頻譜 37 圖 承滾珠和內(nèi)圈耦合故障加速度信號(hào)的前 3 層小包包絡(luò)譜 38 圖 源分離后軸承內(nèi)圈和滾珠耦合故障頻譜 38 圖 承外圈和滾珠耦合故障加速度信號(hào)的前 3 層 小包包絡(luò)譜 39 圖 源分離后軸承外圈和滾珠耦合故障頻譜 39 圖 策樹到規(guī)則轉(zhuǎn)化 43 圖 動(dòng)軸承故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái) 44 圖 臺(tái)的 策樹算法生成的決策樹及其可視化形式 47 圖 常軸承測(cè)試結(jié)果 48 圖 圈故障軸承測(cè)試結(jié)果 48 圖 圈故障軸承測(cè)試結(jié)果 49 圖 常軸承測(cè)試結(jié)果 49 圖 圈故障軸承測(cè)試結(jié)果 50 圖 圈故障軸承測(cè)試結(jié)果 50 圖 珠 故障軸承測(cè)試結(jié)果 50 圖 動(dòng)軸承測(cè)試系統(tǒng)硬件組成 52 圖 動(dòng)軸承數(shù)據(jù)采集與智能診斷軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 53 圖 動(dòng)軸承數(shù)據(jù)采集界面圖 54 圖 動(dòng)軸承診斷系統(tǒng)界面圖 55 圖 于知識(shí)規(guī)則的滾動(dòng)軸承故障診斷流程圖 56 表 動(dòng)軸承主要計(jì)算參數(shù) 6 表 動(dòng)軸承故障特征頻率 6 表 速度傳感器性能參數(shù) 7 表 錘性能參數(shù) 8 表 由梁函數(shù)系數(shù) 12 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 子 20 表 承幾何尺寸（單位 20 表 子圓盤與法蘭盤計(jì)算參數(shù) 20 表 算頻率和實(shí)驗(yàn)頻率 21 表 承幾何尺寸（單位 44 表 承各部件故障頻率倍數(shù) 44 表 動(dòng)軸承部分樣本 47 表 則驗(yàn)證的結(jié)果 48 轉(zhuǎn)子 釋表 左端軸承座之間的橫向和垂 向支承阻尼 右端軸承座之間的橫向和垂向支承阻尼 pp,道轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 外圈與左端軸承座之間的橫向和垂向彈性支承剛度 左端軸承座之間的橫向和垂向支承剛度 右端軸承座之間的橫向和垂向支承剛度 轉(zhuǎn)子圓盤質(zhì)量 ，法蘭盤質(zhì)量 滾動(dòng)軸承外圈質(zhì)量 質(zhì)量 左端軸承的支承反力 右端軸承的支承反力 盤對(duì)轉(zhuǎn)軸的 x 和 y 向作用力 M 11 , 圓盤對(duì)轉(zhuǎn)軸的 x 和 y 向作用力 矩 E, I, L, , A 轉(zhuǎn)軸 彈性模量、截面慣性矩、轉(zhuǎn)軸長度、轉(zhuǎn)軸密度、轉(zhuǎn)軸截面積 盤對(duì)轉(zhuǎn)軸的 x 和 y