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旋转机械阶比分析研究与软件实现

作　者: 赵晓平
导　师: 张令弥
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 旋转机械非平稳信号阶比分析瞬时频率估计基于Viterbi算法的Gabor阶比跟踪(V_GOT) 自适应Vold-Kalman滤波阶比跟踪(AVKF_OT)
分类号: TH165.3
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 219次
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内容摘要

旋转机械故障诊断是近年来国内外发展较快的一门新兴技术,在航空、大型石油、电力、化工行业的发动机、气轮机、发电机、鼓风机等旋转机械设备中有着广泛的应用前景。大型旋转机械振动监测与诊断系统的研究与应用对于避免巨额经济损失和灾难事故的发生有着重要意义。在旋转机械故障诊断过程中,尤其是启停非平稳阶段,最重要、最关键而且最困难的问题就是故障特征信息提取。这是故障诊断中的瓶颈问题,直接关系到故障诊断的准确率和故障早期预报的可靠性。因此,为了从根本上解决故障诊断信息提取这个关键问题,必须借助于信号处理、特别是现代信号处理的理论方法和技术手段,探索故障特征信息提取的途径,发展新的故障诊断理论和技术。从而,阶比分析技术应运而生。本文在对旋转机械典型故障特征、振动信号的测量、传统特征分析方法和非平稳信号的时频分析技术进行详细介绍的基础上,对旋转机械特征分析的主要手段——阶比分析技术进行了深入研究,利用信号的瞬时频率与旋转机械的对应关系提出了各阶分量瞬时频率提取和实现阶比分析的途径,并通过实验台和实际旋转机械实验证明了这一途径的正确性。首先对传统的阶比分析方法进行了深入的研究,从而为新的旋转机械阶比分析理论的研究打下坚实的基础。提出了一种新的旋转机械非平稳信号的瞬时频率估计方法——STFT-Viterbi Fit(STFT _VF)法。STFT _VF算法在精度和效率上优于传统的STFT谱峰检测法。解决了STFT谱峰检测法对高噪声、高干扰和复杂旋转机械振动信号(包含邻近阶比和交叉阶比)的分析无能为力的问题。通过对传统的Gabor阶比跟踪(GOT)进行了深入研究,针对GOT方法对高噪声信号精度低、不能分析复杂机械信号的问题,提出了一种基于Viterbi算法的GOT(V_GOT)方法。此算法和传统的GOT的主要区别在于不再采用时频滤波实现阶比分量的提取,而是采用高效快速的Viterbi算法来实现。利用Kalman滤波器的自适应原理,实现了基于瞬时频率估计算法(短时傅立叶变换STFT和Viterbi算法相结合的STFT_VF)的自适应Vold-Kalman阶比跟踪,简称为AVKF_OT(Adaptive Vold-Kalman Order Tracking),此方法无需安装鉴相装置,从而简化了阶比分析对硬件的要求;用软件的方法实现了对振动信号的阶比跟踪,此方法是对原有阶比跟踪技术的有力补充。基于以上研究成果,在法国OROS公司R3.4动态信号分仪和NVGate噪声和振动信号分析软件的基础上开发了旋转机械阶比分析软件(OrdTra)。OrdTra软件实现了对平稳信号和非平稳信号的在线和离线的阶比分析。文中主要研究了软件设计和编程技术、平台结构、多线程和网络通信等问题。最后,从软件的使用角度通过实验全面验证了OrdTra各个工程模块的有效性和实用性。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-19
第一章绪论  19-25
  1.1 本文研究背景  19-20
  1.2 国内外阶比分析研究现状  20-23
    1.2.1 阶比跟踪算法分类  20-22
    1.2.2 各种阶比跟踪算法比较及存在的问题  22
    1.2.3 旋转机械阶比分析研究课题  22-23
  1.3 本文研究意义  23
  1.4 本文的主要工作、内容及创新  23-25
    1.4.1 本文的主要工作和内容  23-24
    1.4.2 本文工作的主要创新点  24-25
第二章旋转机械升降速阶段振动信号特征、测量及分析方法  25-49
  2.1 引言  25
  2.2 旋转机械典型故障的机理和特征  25-29
    2.2.1 转子不平衡  26
    2.2.2 转子不对中  26-28
    2.2.3 转子碰摩  28-29
  2.3 旋转机械非平稳信号的测量  29-37
    2.3.1 振动信号的测量  29-35
    2.3.2 鉴相信号测量  35-37
  2.4 振动特征提取和分析方法  37-48
    2.4.1 时域分析方法  38
    2.4.2 频谱分析（FFT 分析）法  38-39
    2.4.3 轴心轨迹分析法  39-41
    2.4.4 转速跟踪分析法  41-46
    2.4.5 统计分析方法  46-47
    2.4.6 二维全息谱分析方法  47-48
  2.5 本章小结  48-49
第三章旋转机械传统阶比分析技术  49-60
  3.1 引言  49
  3.2 硬件式阶比跟踪  49-50
  3.3 计算阶比跟踪（COT）  50-59
    3.3.1 抗混叠滤波器截止频率与采样频率的设定  51-52
    3.3.2 数字跟踪滤波  52-53
    3.3.3 重采样  53-56
    3.3.4 阶比分析  56-58
    3.3.5 COT 的程序实现与试验数据验证  58-59
  3.4 本章小结  59-60
第四章旋转机械振动信号的瞬时频率估计的研究  60-72
  4.1 引言  60-61
  4.2 瞬时频率  61-63
    4.2.1 瞬时频率的定义  61-62
    4.2.2 瞬时频率估计  62-63
  4.3 STFT_VF 瞬时频率估计算法  63-69
    4.3.1 短时傅立叶变换（STFT）  63-65
    4.3.2 Viterbi 算法  65-68
    4.3.3 STFT_VF 瞬时频率估计  68-69
  4.4 仿真算例  69-70
  4.5 实测实验  70-71
  4.6 本章小结  71-72
第五章基于VITERBI 算法的GABOR 阶比跟踪研究  72-84
  5.1 引言  72
  5.2 离散 Gabor 展开  72-75
  5.3 有限似正交离散GABOR 展开  75-77
  5.4 基于VITERBI 算法的GABOR 阶比跟踪研究  77-80
    5.4.1 基于Viterbi 的Gabor 系数瞬时频率估计算法  77-79
    5.4.2 VA_GOT 实现过程  79
    5.4.3 对偶函数对Gabor 展开的影响  79-80
  5.5 仿真算例  80-82
  5.6 工程实例  82-83
  5.7 本章小结  83-84
第六章基于瞬时频率估计的自适应VOLD-KALMAN 阶比跟踪研究  84-100
  6.1 引言  84-85
  6.2 自适应KALMAN 滤波器的性能特征  85-87
    6.2.1 带宽和频质因数  85
    6.2.2 滤波器频域特性  85-86
    6.2.3 滤波器时域特性  86-87
  6.3 自适应VOLD-KALMAN 阶比跟踪理论基础  87-90
    6.3.1 信号模型  87-88
    6.3.2 状态方程  88-89
    6.3.3 观测方程  89-90
  6.4 基于STFT_VF 瞬时频率估计的AVKF_OT  90-96
    6.4.1 权重因子r  90
    6.4.2 权重因子与状态噪声、过程噪声的关系  90-91
    6.4.3 阶比跟踪过程  91-92
    6.4.4 权重因子与滤波器带宽、过渡时间的关系  92-95
    6.4.5 权重因子对阶比跟踪结果影响的算例  95-96
  6.5 实验验证  96-99
    6.5.1 仿真实验  96-98
    6.5.2 实测实验  98-99
  6.6 本章小结  99-100
第七章 ORDTRA 软件研制  100-118
  7.1 引言  100-101
  7.2 OR34 动态信号分析仪与NVGATE 噪声和振动分析软件  101-104
    7.2.1 OR34 动态信号分析仪  101-102
    7.2.2 NVGate 噪声和振动分析软件  102-104
  7.3 ORDTRA 软件结构设计  104-106
  7.4 操作界面设计  106-111
    7.4.1 OrdTra 软件参数设置  106-107
    7.4.2 图形显示设计  107-109
    7.4.3 保存设置  109
    7.4.4 系统通信  109-111
  7.5 文件管理  111-113
  7.6 核心编程技术  113-116
    7.6.1 SOCKET/MTP 技术  113-114
    7.6.2 OrdTra 软件与NVGate 软件通信  114-116
  7.7 本章小结  116-118
第八章振动信号阶比分析的应用及验证  118-140
  8.1 引言  118
  8.2 软件操作流程  118-119
  8.3 旋转机械实验台功能验证  119-131
    8.3.1 实验目的  119
    8.3.2 实验装置及测试参数介绍  119-121
    8.3.3 配置项目  121-123
    8.3.4 两跨转子启动阶段的不对中实验  123-126
    8.3.5 转子启动阶段的不平衡实验  126-128
    8.3.6 单跨转子启动阶段的碰摩实验  128-131
  8.4 卧式螺旋离心机实验  131-139
    8.4.1 卧式螺旋离心机的结构和工作原理  131-132
    8.4.2 实验装置及参数介绍  132-134
    8.4.3 时域波形  134-135
    8.4.4 时频谱分析  135
    8.4.5 计算阶比分析  135-136
    8.4.6 STFT_VF 瞬时频率估计  136
    8.4.7 基于STFT_VF 的AVKF_OT  136-138
    8.4.8 基于Viterbi 算法的Gabor 阶比跟踪  138-139
  8.5 本章小结  139-140
第九章全文工作总结与展望  140-143
  9.1 本文的主要工作及贡献  140-141
  9.2 后续研究工作展望  141-143
参考文献  143-151
致谢  151-152
在学期间的研究成果及发表的学术论文  152

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