人工自愈与动力机械振动故障靶向抑制

人工自愈是在故障机理和风险分析的基础上,通过仿生设计赋予机器自发作用的维持健康状态的能力,从而使机器储存、补充和调动自愈力以维持机体的健康状态。透平压缩机、发电机组和航空发动机等动力机械是工业和国防的心脏设备,一旦发生故障将导致事故和巨大损失,在运行中通过自监测、自诊断和主动控制来抑制故障的发生以实现自愈化,是机器向高级智能阶段发展研究中的一个重要方向。本文总结了北京化工大学诊断与自愈工程(DSE)研究中心在人工自愈与动力机械振动故障靶向抑制方面的主要研究工作及成果,并以转子轴系不平衡和压缩机转子失稳振动为例,证明了靶向抑制方法的有效性。以上成果可为自主开发具有自愈功能的智能动力机械提供科学依据。

基于变分时频分解与随机森林的柴油机气门故障诊断方法

柴油机气门间隙异常作为常见的柴油机故障,对其进行状态监测和诊断对柴油机的高效正常运行具有重要意义。针对柴油机气门间隙异常典型故障,提出一种基于变分时频分解与随机森林算法的气门故障诊断方法。首先,由于不同气门故障所引起的冲击信号存在冲击差异,利用变分时频分解方法可以自适应提取冲击信号中的单频率单冲击成分的特点,实现振动信号的分解并进行特征值提取;然后,利用随机森林算法对特征值进行训练;最后,在柴油机试验台上通过调整气门间隙开展模拟试验。实际试验结果表明,所提方法在气门间隙异常故障诊断中的整体准确率为96.42%,验证了所提方法的有效性。

可倾瓦滑动轴承摩擦功率损耗特性研究

为了在降低轴承能耗的同时保证透平机械的高效安全运行,对轴承-转子系统进行了更准确的建模仿真。首先对转子和轴承间隙内的油膜厚度进行了精细建模,考虑润滑油温粘效应及轴瓦变形,结合小扰动法计算轴承转子动力学参数,开发出计算五瓦可倾瓦轴承程序(COMDYN-Bearing),并将文献数据与本文数据对比,以验证本模型在多项参数中尤其是功率损耗计算的准确性。最后以某合成氨装置工业汽轮机为例,实证研究轴承宽径比、预负荷等结构参数对功率损耗以及转子稳定性的对应关系,结果表明:随着轴承预负荷的增大,轴承功耗和最高瓦温随之降低,但转子的稳定性也随之降低;随着宽径比的增加,轴承最大瓦温降低,但功耗增加,转子稳定性降低。

基于无线温度监测的内燃机连杆轴瓦故障诊断技术研究

针对内燃机连杆轴瓦故障频发且监测手段有限的技术难点,提出了基于无线温度监测的连杆轴瓦磨损类故障诊断方法。通过分析连杆轴瓦与轴径相对运动时的摩擦力学关系,在考虑润滑的前提下推导出轴瓦温升计算方程,作为基于温度监测的轴瓦故障诊断方法的理论依据,以TBD234V12型柴油机为对象,搭建连杆轴瓦故障模拟实验台模拟轴瓦磨损故障,并配置无线测温系统捕捉异常温度信号,对比正常情况下的温度信号可知,磨损的连杆轴瓦表面温度相比正常轴瓦温度有明显上升。理论和模拟实验结果表明,基于无线温度监测的内燃机连杆轴瓦故障诊断方法具有较高实用价值。

基于瞬时转速信号的柴油机角域转换方法

针对往复机械故障分析诊断中通过平均转速等间隔划分角度的方法诊断效果不精确的问题,提出了一种利用瞬时转速对柴油机时域信号进行角域转换的方法。分析了转速波动较大工况下平均转速等角度划分方法中影响相位偏差产生的主要因素,根据转速波动量的大小以及预期的角域精度范围设定阈值参数,再通过该阈值实现角域转换方法的自动选择。研究结果表明,在转速波动工况下采用瞬时转速对时域信号进行角域转换能够有效避免相位偏差,为基于角域的柴油机故障诊断奠定基础。

基于ReliefF-PCA和SVM的发动机故障诊断方法研究

针对柴油发动机机组振动信号非线性和非平稳性以及机组实际故障案例样本数据少的特点,提出了一种基于Relief F、主成分分析(PCA)以及支持向量机(SVM)的柴油发动机故障诊断方法。首先提取发动机冲击信号的特征参数,运用Relief F选择出其中的敏感特征以降低处理过程的计算难度;然后采用PCA进一步提取敏感特征,消除各特征之间的相关性,避免冗余;最后利用SVM实现机组的故障分类,诊断不同类型的故障。将本文方法应用于柴油机实际典型故障案例中,结果表明该方法能有效提取柴油机缸盖振动信号中的故障敏感特征,并实现多种典型故障的诊断。

单盘转子系统受强动载荷作用的刚-塑性动力学响应

通常转子系统的响应分析是在弹性变形假设下进行的,但当转子受到强动载荷撞击时将产生塑性变形。本文结合转子动力学和塑性动力学,分析了单盘转子受强动载荷作用时的刚-塑性动力学响应。首先,将单盘转子系统简化为中间带质量块的简支梁,给出了在阶跃载荷作用下系统的各阶段响应模式。在此基础上,详细讨论了单盘转子在跨度中点受撞击时的动力学响应完全解,并结合龙格-库塔法得到了单盘转子的瞬态变形。所得结果可为转子系统的动力响应和失效分析提供依据。

基于缸盖振动信号包络线相关分析的柴油机故障预警方法研究

针对柴油机故障特征易受到环境、载荷等因素的干扰,从而导致许多传统意义上的故障特征参数不再敏感的问题,提出了一种基于缸盖振动信号包络线相关分析的柴油机故障预警方法,对一台6缸柴油机的缸盖振动信号对比了希尔伯特变换和n阶极值插值两种方法的包络线提取效果,并对其包络线进行相关分析,得到了相似系数、距离标准差以及余弦相似度等相关分析结果。研究结果表明:在传统特征参数不敏感的情况下,相关分析可以更好地反映机组的故障状态。本文研究结果可为实现柴油机故障的早期预警奠定基础。

转子-轴承系统中电磁作动器的Ansys仿真及实验研究

通过有限元软件对电磁作动器进行实验工况下的三维有限元仿真,分析在不同电流和转子定子间气隙下的电磁力;建立了电磁作动器电磁力测量装置,对相应电流和间隙下的电磁力进行静态工况下的测量,验证磁场分析结果的准确性。在此基础上根据模拟数据预测轴承的电流刚度和位移刚度,并分析逐渐增大电流达到磁饱和时电磁力随电流变化规律。研究结果表明,基于Ansys软件的三维有限元分析得出的静态电磁力与实验值相比误差小于10%,Ansys软件能够较准确的模拟电磁轴承静态时的电磁力及相应的电流刚度和位移刚度。

高速电主轴热特性仿真与实验研究

对高速电主轴温度场分布随转速的变化规律进行了研究。通过在外壳上布置一定数量的温度传感器,对不同转速下的外壳温度进行实时测量,并将实验结果与ANSYS的模拟结果进行对比,验证了采用在电主轴外壳上布置多个测点测量与仿真相结合的方法来预测电主轴内部温度场分布的可行性;另外还分析了在不同转速下,高速电主轴关键部位的温升,仿真结果表明:主轴在6000~10000 r/min时,温升呈线性增加,在大于10000 r/min后,温升以指数规律增加。

基于高速深沟球轴承支撑的平衡盘优化设计

为了解决配重块在高速旋转中产生的离心力造成平衡盘形变,严重时破坏平衡盘的稳定自锁状态、使配重块位置滑动或平衡盘卡死无法转动的问题,利用ANSYS建立了带深沟球轴承的平衡盘三维模型。在保证平衡盘平衡能力不变的前提下,分析了不同配重块形状、不同转速、不同轴承材料以及两配重块不同平衡能力对平衡盘变形的影响。仿真结果表明:通过优化设计配重块形状、改用陶瓷轴承支撑以及两配重块设计成相同平衡能力的方法,能够有效降低平衡盘的径向以及轴向变形,提高平衡盘的允许工作转速及稳定性能。

橡胶黏弹性对橡胶O形圈密封性能的影响

运用Ansys软件对橡胶密封圈进行瞬态动力学分析,研究橡胶材料的黏弹性对橡胶密封圈密封性能的影响。利用APDL参数化语言施加位移载荷,模拟橡胶密封结构在常温下的压缩追随性能,并在此基础上研究了橡胶O形圈的截面直径、间隙张开量、间隙张开时间、压缩率和压力对密封圈密封性能的影响。通过观察O形圈上表面的接触压力随时间的变化,探索在考虑振动工况和材料黏弹性的情况下O形密封圈的设计依据。研究结果表明,密封圈截面直径越大,其回弹时间越长,回弹量越小,压缩率、内压及密封面接触压力越大,追随间隙波动能力和密封性能越好。

半主动笼式调谐质量阻尼器控制转子振动的研究

对调谐质量阻尼器在旋转机械振动控制中的应用进行了研究,不改变原有转子系统支撑形式,设计了一种半主动笼式调谐质量阻尼器.提出基于转速的分段开关控制策略,并开发了一套基于laborary virtual instrument engineering workbench(LabVIEW)的转子振动实时闭环控制系统,可根据转速对该笼式调谐质量阻尼器通过变质量实现在线动态调节自振频率,实现半主动控制.搭建了单跨转子调谐质量阻尼实验台装置,对转子过临界转速的振动进行了实验研究.结果表明:基于开关控制的半主动笼式调谐质量阻尼器能有效降低转子过临界振动,减振幅度可达83.4%,并能很好避免调谐质量阻尼器引起的新的共振峰.

裂纹参数对汽轮机叶片振动特性影响研究

为了建立叶片裂纹参数同叶尖振动幅值、频率特征值之间的对应关系,首先分析了裂纹长度变化引起的悬臂梁叶片频率转向和振型转化现象,其次采用接触裂纹有限元模型,讨论了转速对裂纹叶片非线性特性的影响,最后分析了裂纹深度与位移响应值的关系;在此基础上,分析了两种不同实际汽轮机叶片模型,讨论了裂纹深度变化引起的动频、瞬态位移响应等动力学响应的变化规律。研究结果表明:裂纹长度增大会使加悬臂梁叶片出现明显的频率转向、振型转换现象,对于实际汽轮机叶片振型转换现象不明显;随转速增大,裂纹会由不断开合状态转化为持续张开状态;变截面扭转叶片会出现特有的双响应峰现象。

超超临界汽轮发电机组N+1支撑轴系失衡振动特性分析

建立了1000 MW超超临界汽轮发电机组N+1支撑轴系的有限元动力学模型,对该种轴系的动力学特性及不平衡振动故障进行了仿真分析,归纳了该轴系轴向不同位置不平衡激起的轴系振动响应特性及转子间的相互影响规律,为该类机组的故障诊断及现场动平衡提供参考和依据。

离心压缩机中带密封功能的电磁作动器性能仿真研究

主动控制是旋转机械振动控制的有效手段之一,然而如何在旋转机械上安装作动器则在实际中存在困难。本文结合离心压缩机平衡盘结构的特点、孔型阻尼密封的加工方式以及电磁轴承的结构,设计了一种带密封功能的电磁作动器。运用Ansys对该作动器进行电磁场分析,比较磁极上开密封孔和不开密封孔两种情况下电磁力的区别,分析开孔率、孔深度对电磁力的影响,并模拟了密封体中的损耗。研究结果表明,开孔后作动器中的电磁力小于不开孔情况下的电磁力;电磁力随开孔率的增大、孔深的加深而减小;密封体中的损耗对作动器总体损耗影响很小,且开孔后密封体中的损耗降低。

整体齿轮增速式离心压缩机振动耦合动力特性研究

以一台在役的六级整体齿轮增速式离心压缩机为研究对象,基于转子动力学和齿轮动力学理论,建立了全自由度齿轮-轴承-转子耦合系统有限元模型。计算了考虑齿轮啮合接触的转子系统固有频率、模态振型和不平衡响应,得出了这种复杂轴系的模态特征与振动传递特性。在此基础上,研究了不同支撑型式下转子振动响应特性,并探讨了齿轮螺旋角对转子振动的影响。研究结果表明,耦合轴系的固有频率和不平衡响应峰值都有所增大;转子系统在可倾瓦轴承支撑下,无论过临界还是工作转速振动幅值均较低;当齿轮螺旋角为15°时,转子振动幅值最小。

轴承载荷对整体齿轮增速式离心压缩机转子动力学行为的影响研究

以一台在役的六级整体齿轮增速式离心压缩机为研究对象,运用流固耦合方法,考虑可倾瓦滑动轴承轴瓦热膨胀的同时,分析不同的载荷大小和载荷角度导致的轴承刚度和阻尼的变化,并在此基础上建立四平行轴系转子系统三维模型,研究不同载荷下齿轮转子系统的不平衡响应规律和动力学行为。研究结果表明,对齿轮轴系的动力学行为分析,不仅要考虑轴瓦的热膨胀和轴承载荷的变化,还需考虑耦合转子的动力学行为。

基于LabVIEW的振动加速度信号积分方法研究

在工程应用中,振动加速度信号因受噪音、趋势项误差等因素的干扰,其积分后的数据精度会受到严重影响,制约该类传感器的使用。为了克服该问题,本文分别介绍了修正后的时域积分法和频域积分法。且基于LabVIEW虚拟仪器平台,分别编写了两种算法的仿真程序,定量对比了两种算法积分精度。最终以旋转机械振动故障诊断实验台为对象,实时采集振动加速度信号并进行积分运算。结果表明,修正后的频域积分法结果与实际振动速度、位移信号更为接近。

在线自动平衡装置中永磁自锁力的影响因素研究

研究了电磁式自动平衡装置中自锁力的影响因素及优化方法。首先详细介绍了自动平衡头的永磁自锁结构和磁性材料性能,并通过电磁平衡头的永磁自锁磁路分析得到了影响自锁力的主要结构参数;在此基础上建立了自动平衡头的三维简化模型,基于有限元法研究了不同结构参数下配重盘在"步进"过程中的自锁力,总结了"步进"过程中自锁力的变化规律,为驱动电流设计提供了理论依据,并提出了提高自锁力的方法;在满足自锁功能的前提下,研究了自锁力对最大角加速度、配重块质量的影响,得到了三者之间的量化关系,并核算了某一配重块质量的平衡头在不同自锁力下所能承受的最大角加速度。根据仿真结果,设计了自动平衡实验装置,进行了实验验证,研究结果表明自锁力分析结果准确可靠。