双转子-中介轴承系统动力学仿真与实验研究

针对双转子系统复杂的动力学特性以及总是存在的质量不平衡现象,建立内外双转子系统动力学模型,通过轴心轨迹图、时域图、频谱图、庞加莱截面图和分岔图分析其振动特性,并通过双转子系统实验台升速和不平衡实验验证了理论和仿真结果。结果表明:双转子系统在升速过程中会发生2次振幅突然加剧的现象,2次主共振分别由内、外转子转速达到系统固有频率引起;双转子系统在不同的转速下会呈现出不同的振动特性;增大内转子的不平衡量,不仅会影响内转子系统振动响应,还会影响外转子系统振动响应,并且对前者的影响更显著。

基于灰狼算法优化极限学习机的中介轴承故障诊断方法

针对中介轴承故障振动信号具有传递路径复杂、强背景噪声干扰等特点,其故障特征不易提取的问题,提出基于自适应噪声完全经验模态分解(CEEMDAN)与灰狼算法(GWO)优化的极限学习机(ELM)相结合的中介轴承故障诊断方法。利用CEEMDAN和相关系数-能量比-峭度准则(CEKC)对振动信号进行分解、筛选、重构;再提取重构信号的时域和频域特征构成特征矩阵;然后以平均错误率作为GWO的适应度值,对ELM的输入层与隐含层的权值和隐含层阈值进行优化后重新构建ELM;最后将特征矩阵输入ELM得到故障诊断结果。应用于中介轴承故障诊断中,ELM在GWO优化后故障诊断正确率有明显提升,其中45°方向传感器数据正确率由93.33%提升到99.17%。结果表明:该方法能够有效诊断中介轴承故障类型,表现出了较强的泛化能力。

含中介轴承波纹度的双转子系统振动特性分析

针对双转子系统中存在中介轴承波纹度的问题,以含变截面外转子的双转子-轴承系统为研究对象,考虑中介轴承滚动体和内、外圈滚道波纹度,基于有限元法建立了双转子-轴承系统的动力学模型,采用四阶Runge-Kutta数值解法求解方程,分析了波纹度激励对系统频谱特征和幅频响应曲线的影响。结果表明:内、外圈滚道存在波纹度时系统会出现内、外转子转频和保持架转频的组合频率,滚动体存在波纹度时系统会出现偶数倍的滚动体自转频率;考虑转子不平衡激励,外圈滚道波纹度会增大外转子主激励的共振区域的振动,且随着波纹度幅值的增加,系统的振动会在整个转速范围内增大,而内圈滚道波纹度与不平衡激励两者的振动响应会在内转子主激励的第二次共振区域出现近似同频反相的现象,系统的振动会随着波纹度幅值的增加而降低,在其他区域的振动会增大,相对于高转速区域,滚动体波纹度对低转速区域的振动特性会有较大影响。

基于ITD-LE指标的航空发动机中介轴承复合故障识别

为了基于航空发动机整机机匣振动信号实现中介轴承复合故障的有效识别,从信号的复杂性角度出发,利用图谱中的拉普拉斯能量(Laplace Energy, LE)指标对信号的复杂性进行描述,提出了将固有时间尺度分解(Intrinsic Time Scale Decomposition, ITD)与LE指标相结合的故障诊断方法。为实现复合故障的有效分离,基于ITD算法对某型航空发动机整机机匣振动加速度信号进行分解,并对分解后获得的固有旋转分量(Proper Rotation Components, PRCs)基于奇异值差分谱进行降噪。然后利用LE指标对分量信号进行筛选,对筛选后的信号进行重构,最后根据重构信号的平方解调谱,对实际航空发动机中介轴承的复合故障进行识别。结果表明:所提出的方法,可以基于航空发动机的整机机匣振动信号,准确有效地提取出中介轴承复合故障的特征频率,实现中介轴承复合故障类型的有效识别。

基于改进SE-ResNet-BiLSTM的航空发动机中介轴承故障诊断

针对现阶段航空发动机中介轴承振动信号易受噪声干扰,故障特征难提取导致的故障诊断精度较低的问题,提出一种基于改进残差注意力网络和双向长短期记忆神经网络(BiLSTM)的航空发动机中介轴承故障诊断方法。首先,将原始振动信号作为模型输入,利用一维宽卷积从原始数据中提取局部空间特征并抑制高频噪声;然后,使用结合改进通道注意力的残差网络增强模型对重要特征的关注,减少模型运算量,将处理后的特征输入到BiLSTM中,进一步提取时序相关性特征;最后,将特征输入到Softmax层进行故障分类。使用哈工大航空发动机中介轴承数据集进行实验验证,结果表明,即使在信噪比为-4 dB的高噪声环境,所提模型仍能保持98.64%的诊断精度,优于其他对比模型,证明该模型具有更好的特征提取能力和抗噪性。

基于LMD与AO-PNN的中介轴承故障诊断方法

针对航空发动机中介轴承受噪声干扰大、传递路径复杂导致采用传统方法难以进行故障诊断的问题,提出了一种基于局部均值分解(LMD)与相关系数-能量比-峭度准则、结合天鹰座优化算法(AO)优化概率神经网络(PNN)的中介轴承故障诊断方法。使用LMD对传感器采集的振动信号进行分解;利用相关系数-能量比-峭度准则判决筛选分解得到的PF分量,重构筛选后的信号;计算重构信号的多尺度排列熵(MPE),以构建特征向量;通过AO优化的PNN的平滑因子,将优化后的神经网络用于中介轴承的故障诊断。基于中介轴承故障试验数据对诊断结果进行了分析,结果表明:提出的方法可以有效诊断高背景噪声、复杂路径干扰下的航空发动机中介轴承的典型故障,与粒子群优化的概率神经网络方法(PSO-PNN)和传统的PNN方法相比,其诊断准确率分别提高了3.875%和8.125%,具有较好的全局收敛性和计算鲁棒性。

基于局部能量密度的中介轴承故障特征提取与诊断方法

针对航空发动机中介轴承振动信号在复杂传递路径和强背景噪声条件下的故障特征提取难题,本文提出了一种基于局部能量密度(LED)的中介轴承故障特征提取与诊断方法。首先,采用奇异谱分析对故障信号进行初步的降噪处理,并通过基于余弦值的方法确定最优的重构阶次,以保留信号中的关键故障信息。接着,引入新指标LED,用于量化故障特征频率及其谐波在局部频率范围内的能量比例。该指标不仅能有效提取微弱的故障特征,而且对于实际故障频率与理论故障频率之间可能存在的偏差表现出较强的鲁棒性。以LED作为适应度函数,通过人工蜂鸟算法优化的最大相关峭度解卷积(MCKD)增强奇异谱分析降噪后信号中的故障特征。最后,通过包络谱分析完成故障诊断。本文通过中介轴承故障模拟实验和加噪实验验证了所提方法的有效性,实验结果表明,与现有的故障诊断技术相比,本文所提出的方法的故障特征系数(FFC)和LED分别增加20.7%~218%和22.9%~134%。在0 dB,-4 dB和-10 dB噪声条件下,该方法仍准确地识别到外圈故障的特征频率及倍频,表明所提出的SSA_MCKD能有效降低信号噪声并提取滚动轴承的故障特征。

基于蜣螂算法优化深度极限学习机的中介轴承故障诊断方法

针对中介轴承故障信号传递路径复杂、受背景噪声干扰大、故障特征提取难,且传统诊断模型准确率受限于测点位置的问题,提出了一种基于自适应噪声完全经验模态分解(complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise,CEEMDAN)与蜣螂算法(dung beetle optimizer,DBO)优化深度极限学习机(deep extreme learning machine,DELM)结合的中介轴承故障诊断方法。首先,使用CEEMDAN和由能量比-相关系数-峭度值组成的固有模态分量筛选准则对原始信号进行分解、筛选、重构,在重构信号的时域与频域中提取特征组成特征矩阵;其次,将诊断准确率作为DBO的适应度值,对DELM模型的初始权重进行优化构建出全新的DELM;最后,将特征矩阵输入DELM完成故障诊断。以中介轴承故障数据为例,经DBO优化后的DELM诊断准确率取得了较大提升,在诊断较为困难的45°方向上诊断准确率仍达到了98.75%。结果表明,该诊断方法有效识别了中介轴承故障类型,展现了较强的鲁棒性与泛化能力。

中介轴承剩磁超标的原因及控制方法

某型发动机在定期检查过程中发现轴承间隙超标问题,进行拆解分析排查后发现,中介轴承外钢套和滚珠有磨损痕迹,其原因为外钢套剩磁超标吸附滚珠,使滚珠运动形式由滚动变为滑动,进而严重影响发动机的安全运行,为此,讨论了航空发动机中介轴承剩磁超标的原因及其控制方法。梳理了中介轴承磁粉检测后到装配之间所有能产生强磁场的环节,分析了产生剩磁超标的原因,并通过试验制定了改进措施,以保证装机的中介轴承的剩磁处于标准规定范围内。

中介轴承波纹度对双转子系统动力学特性的影响

针对航空发动机双转子系统,根据转子动力学理论和拉格朗日方程建立中介轴承-双转子系统模型,采用数值仿真方法获得系统动力学特性,借助时变刚度曲线、幅频响应曲线、三维瀑布图、分岔图以及庞加莱截面图等,对比分析了理想中介轴承-双转子系统和考虑波纹度的中介轴承-双转子系统的时变刚度特性、中介轴承力、主共振、频谱特征以及分岔与混沌特性。结果表明,中介轴承波纹度使双转子系统运动状态更加复杂,尤其在较低转速下,波纹度会对双转子系统的动力学特性产生显著影响。

中介轴承对双转子振动的影响

在现代航空发动机中,广泛使用双转子加中介轴承的设计方案,以达到减轻发动机重量而提高推重比的目标。这种结构型式使发动机高、低压转子的振动特性具有很强的耦合性,而中介轴承是关键部件,也是薄弱部件。运用解析方法,分析了采用中介轴承的双转子系统振动特性,发现中介轴承刚度的各向异性会产生"重力临界"现象,而机动飞行的惯性载荷会加剧转子的"重力响应"。除此之外,转子不平衡会激起组合频率振动成分。

中介轴承外圈故障动力学建模及仿真分析

为了研究航空发动机中介轴承故障特征,基于Hertz非线性接触理论,建立了一种考虑时变位移激励的4自由度中介轴承外圈故障动力学模型。采用双转子试验台对中介轴承外圈故障进行实验模拟,实验结果和动力学模型数值求解结果一致,验证了所建立模型的准确性。采用动力学模型仿真分析了中介轴承外圈存在缺陷情况的振动响应。研究了中介轴承振动方根幅值、波形因子、脉冲因子、峰值因子和峭度因子随缺陷大小、径向载荷的变化规律。结果表明:随着缺陷尺寸或径向载荷增大,中介轴承振动方根幅值呈增大趋势。脉冲因子、峰值因子和峭度因子等无量纲参数随着缺陷尺寸增加,先增大后减小。随着径向载荷增加,以上三个无量纲参数呈增大趋势。同时,证明方根幅值、脉冲因子、峰值因子和峭度因子等特征参数对中介轴承外圈故障敏感。

圆柱滚子中介轴承拟静力学分析

航空燃气涡轮发动机为了提高性能经常采用中介轴承。中介轴承对发动机转子系统的动力特性的影响很大,但国内外对中介轴承动力学特性的研究却很少。本文采用拟静力学法,通过分析圆柱滚子中介轴承的运动关系和受载情况,建立了相应的计算模型。本文应用所建立的模型,计算了圆柱滚子中介轴承的动力学特性,并将计算得到的滚子打滑率与试验结果进行了比较。在此基础上,进一步对内外圈反向旋转,且内圈与高压转子联接、外圈与低压转子联接的中介轴承进行了分析,研究了保持架转速、滚子自转转速以及滚子与保持架的接触力随径向载荷变化的关系。研究结果表明,随着径向载荷的增加,保持架转速、滚子自转转速以及滚子与保持架的接触力均增大。

航空发动机中介轴承的特性分析

针对内外圈同向旋转和内外圈反向旋转的两种航空发动机圆柱滚子中介轴承,应用拟静力学法对其进行了分析,讨论了它们的保持架转速与滚子自转转速随径向载荷变化的规律,并且比较了二者在各自的工作方式下的工作特性.由特性对比可知,在内外圈反向旋转,内圈转速大于外圈转速的工作方式下,中介轴承具有较低的打滑率,较高的疲劳寿命,并且有利于密封和转子的振动稳定性;在内外圈同向旋转,内圈转速小于外圈转速的工作方式下,中介轴承受载区滚子自转转速较低,有利于提高滚子的使用寿命.

考虑弹流润滑影响的表面局部缺陷中介轴承动力学建模

航空发动机中介轴承位于发动机高、低压转子之间,其内、外环随高、低压转子同向或反向旋转,相对转速高和润滑条件恶劣造成中介轴承故障频发。针对表面局部缺陷中介轴承的振动故障诊断,考虑弹流润滑影响和时变位移激励,提出了一种带局部缺陷的中介轴承动力学建模方法。采用双转子实验台开展中介轴承外圈故障模拟实验,采集振动信号并进行分析。对比动力学模型数值模拟结果和故障轴承实验结果,验证了所建动力学模型的准确性。基于所建立动力学模型对有、无润滑的中介轴承在不同缺陷尺寸条件下的振动响应进行数值模拟。研究结果表明:该模型能够准确模拟中介轴承在不同状态、不同缺陷尺寸下的振动响应变化规律,可用于中介轴承故障机理分析。

基于峰值保持降采样算法的中介轴承故障声发射数据缩减技术

针对声发射信号数据量大、分析和保存困难的缺点,提出一种峰值保持降采样(PHDS)和谱峭度(SK)算法相结合的声发射信号数据缩减技术。采用双转子试验台开展中介轴承外圈故障模拟实验并采集声发射信号。同时,建立动力学模型对外圈故障进行数值仿真。利用PHDS-SK技术对实验和仿真结果进行数据缩减。结果表明:实验和仿真信号数据量分别缩减为原始数据的1/1250和1/400,故障信号数据缩减的同时保留了中介轴承外圈故障的周期冲击特征,并在缩减后的信号中准确提取出中介轴承外圈故障频率。

有局部缺陷的滚动体中介轴承动力学建模及仿真研究

在考虑径向间隙及滚动体缺陷通过内、外圈时接触变形量发生变化基础上,建立两种支承形式下滚动体含单一故障缺陷的中介轴承动力学模型。对比研究不同支承形式及内、外圈不同旋转方向对中介轴承振动影响。结果表明,采用内圈支承于高压转子、外圈支承于低压转子结构振幅大于内圈支承于低压转子、外圈支承于高压转子结构;内、外圈同向旋转振幅大于反向旋转;内、外圈反向旋转冲击振幅小不利于发现故障,反向旋转时缺陷冲击滚道频繁,同等运行条件下,反向旋转中介轴承潜在危险更大;保持架旋转频率为中介轴承振动信号的主要调制频率,且内、外圈反向旋转较同向旋转调制效果更强烈。

航空发动机中介轴承局部故障边带差值诊断法

针对航空发动机中介轴承局部故障难以诊断的问题,提出了航空发动机中介轴承局部故障边带差值诊断法。该方法利用中介轴承内外环均旋转的运转特点,将其故障振动信号的调制边频带分量作为故障信息,建立了一套完整的故障诊断步骤,在实验器上对具有外环剥落故障的某型中介轴承进行实验,准确判断了该轴承故障。理论分析和诊断实例表明,该方法可以识别中介轴承局部故障,是一种适合航空发动机中介轴承局部故障诊断的有效方法。

考虑中介轴承弹流润滑时双转子系统振动特性

为研究中介轴承在弹流润滑作用时双转子系统的非线性振动特性,针对航空发动机双转子系统,根据弹流润滑理论和转子动力学理论,建立中介轴承弹流润滑接触模型和中介轴承-双转子系统模型.采用数值仿真方法获得系统动力学特性,对比分析了考虑弹流润滑作用和忽略弹流润滑作用两种工况下,双转子系统的幅频响应特征,并比较了中介轴承赫兹接触刚度、径向游隙以及润滑油黏度对系统特性的影响.结果表明:中介轴承弹流润滑作用对高压转子和低压转子一阶共振峰附近的振幅及共振峰位置影响较小,对高转速区间的共振峰影响较大,使共振峰右移并且共振峰处振幅减小;分别改变中介轴承赫兹接触刚度和径向游隙,考虑弹流润滑作用与不考虑弹流润滑作用相比,一阶共振峰处振幅改变小于5%,在二阶共振峰处振幅改变百分数在4%~9%之间;一阶共振峰位置未发生偏移,二阶共振峰向高频移动2%~8%;改变润滑油黏度,对低压转子和高压转子振动幅值影响小于1%.最后利用气体驱动双转子实验台对仿真结果进行验证.

中介轴承复合故障动力学建模与振动特征分析

准确获取中介轴承多点复合故障振动特征,对提高其故障诊断准确性具有重要意义。该研究基于非线性Hertz接触理论,采用时变位移激励函数描述滚子的多点局部缺陷,建立了中介轴承多点复合故障的4自由度动力学模型,分析了内圈多点故障、外圈多点故障和内外圈复合故障的动力学特性。搭建了中介轴承故障模拟试验台,开展中介轴承内圈多点故障、外圈多点故障与内外圈复合故障模拟试验,并采集振动信号,对所建立的动力学模型进行验证。研究表明,基于该研究建立的多点复合故障动力学模型计算的故障特征频率值与试验值的误差小于1%,仿真模拟的时域波形和包络谱中的故障成分分布规律与试验结果一致,证明所建内、外圈多点故障及内外圈复合故障动力学模型准确有效。