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Hilbert-Huang变换在旋转机械振动信号分析中的应用研究

作　者: 胡爱军
导　师: 安连锁；唐贵基
学　校: 华北电力大学（河北）
专　业: 热能工程
关键词: 旋转机械振动故障诊断 Hilbert-Huang变换数学形态学
分类号: TB533
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
下　载: 930次
引　用: 15次
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内容摘要

采用振动信号进行监测与诊断是目前大型旋转机械设备维护管理的主要手段。由于大多数旋转机械故障的振动信号是非平稳信号,因此研究先进的非平稳信号处理方法,对于保证大型旋转机械设备的安全可靠运行有重要意义。基于经验模态分解(EMD)的Hilbert-Huang变换(HHT)是一种新的时频分析方法,被认为是近年来对以傅里叶变换为基础的线性和稳态谱分析的一个重大突破,广泛用于越来越多的工程领域。本文结合旋转机械故障特点,针对HHT存在的问题,提出了改进算法,并通过转子台模拟试验和实际故障数据,分析了几种典型故障的Hilbert谱特征,为旋转机械故障诊断提供依据。论文主要创新点包括:1.研究了HHT的算法改进,针对HHT的边界处理,分析了HHT端点效应产生的原因,总结了现有边界处理算法的特点,提出了采用波形特征匹配延拓的处理方法,通过一次延拓,可以同时处理HHT中的两种边界问题;为解决三次样条插值存在的过冲与欠冲,提出了基于约束样条插值的包络拟合算法,减小了EMD分解误差,提高了HHT的信号分辨能力;针对EMD存在的过分解产生的虚假分量,提出了采用互信息实现虚假分量的识别方法;研究了HHT中异常事件引起的模态混叠现象,指出EMD中第一阶IMF的分解结果对后续分解的影响最大,减小第一个IMF的分解误差,可以提高整个数据的分解精度,结合旋转机械振动信号的特点,提出了通过加入高频谐波解决模态混叠的方法。2.研究了数学形态学在振动信号预处理中的应用问题,提出了采用开-闭和闭-开组合数学形态滤波器实现振动信号降噪的方法,分析了数学形态滤波器对不同类型和强度噪声的处理能力。将数学形态滤波器应用于HHT信号分析的预处理,可以有效降低复杂异常事件对EMD分解的影响,提高HHT分析效果。3.将HHT应用于振动信号分析,通过转子试验台故障模拟试验,给出了转子冲临界过程、局部碰摩和油膜失稳等故障下的转子升速过程的Hilbert谱;分析总结了转子启动过程、不平衡、转子局部碰摩与全周碰摩、油膜涡动与油膜振荡等几种典型旋转机械故障的Hilbert谱特征,并应用于碰摩、油膜振荡等实际故障分析。

全文目录

中文摘要  5-6
英文摘要  6-11
第一章引言  11-28
  1.1 旋转机械振动信号分析研究的意义  11-12
  1.2 旋转机械振动信号分析的研究现状  12-19
    1.2.1 旋转机械故障诊断的研究内容  12-15
    1.2.2 旋转机械故障诊断中的振动信号处理方法  15-19
  1.3 主要时频分析方法及应用  19-24
    1.3.1 短时傅里叶变换  19-20
    1.3.2 小波变换  20-22
    1.3.3 Wigner-Ville 分布  22-23
    1.3.4 自适应时频分析  23-24
  1.4 Hilbert-Huang 变换的提出和研究现状  24-26
    1.4.1 Hilbert-Huang 变换的提出  24-25
    1.4.2 Hilbert-Huang 变换的研究现状  25-26
    1.4.3 Hilbert-Huang 变换存在的困难  26
  1.5 本文研究内容  26-28
第二章 HHT 的基本方法  28-42
  2.1 瞬时频率与本征模函数  28-31
    2.1.1 瞬时频率  28-30
    2.1.2 本征模函数  30-31
  2.2 Hilbert-Huang 变换  31-37
    2.2.1 EMD 方法的基本原理  31-34
    2.2.2 EMD 方法的性质  34-36
    2.2.3 Hilbert 谱和Hilbert 边际谱图  36-37
  2.3 HHT 的数值仿真  37-42
第三章HHT 中的边界处理  42-48
  3.1 HHT 中边界问题  42-43
  3.2 HHT 中边界处理方法分析  43-44
    3.2.1 极值延拓  43
    3.2.2 数据/极值预测  43-44
    3.2.3 波形延拓  44
  3.3 波形特征匹配延拓  44-48
    3.3.1 波形特征匹配延拓原理  44-46
    3.3.2 波形特征匹配延拓验证  46-48
第四章 EMD 包络曲线拟合研究  48-56
  4.1 三次样条插值  48-49
    4.1.1 三次样条插值方法  48-49
    4.1.2 三次样条插值的过冲与欠冲  49
  4.2 约束三次样条插值方法  49-52
  4.3 基于约束三次样条插值的EMD 分解  52-56
第五章基于互信息的HHT 虚假分量识别  56-61
  5.1 互信息的基本理论  56-57
  5.2 基于互信息的虚假分量识别方法  57-61
第六章HHT 的模态混叠研究  61-70
  6.1 异常事件与模态混叠  61-62
  6.2 HHT 中模态混叠处理方法回顾  62-63
  6.3 基于高频谐波的模态混叠处理  63-66
    6.3.1 高频谐波法对含间断信号的分解  64
    6.3.2 高频谐波法对含噪信号的分解  64-65
    6.3.3 高频谐波法对含脉冲信号的分解  65-66
  6.4 高频谐波法的应用实例  66-70
第七章数学形态学在振动信号预处理中的应用  70-82
  7.1 常用信号预处理方法  70-72
    7.1.1 数字滤波算法  70-71
    7.1.2 数字滤波器  71-72
    7.1.3 数字滤波技术的新进展  72
  7.2 数学形态滤波的基本原理  72-75
    7.2.1 数学形态基本变换  73-74
    7.2.2 形态开闭组合滤波器  74
    7.2.3 形态结构元素  74-75
  7.3 基于数学形态滤波器的振动信号滤波  75-78
    7.3.1 对脉冲干扰的数学形态滤波  75-76
    7.3.2 对随机噪声的数学形态滤波  76-77
    7.3.3 对混合噪声的数学形态滤波  77-78
  7.4 基于数学形态滤波预处理的HHT  78-82
第八章基于HHT 的转子系统故障模拟试验研究  82-99
  8.1 试验装置简介  82
  8.2 转子冲临界过程试验研究  82-84
  8.3 转子碰摩故障试验研究  84-93
    8.3.1 转子不平衡故障试验分析  85-86
    8.3.2 转子启动过程的局部碰摩故障试验分析  86-90
    8.3.3 转子全周碰摩故障试验分析  90-93
  8.4 转子油膜失稳故障试验研究  93-99
第九章结论与展望  99-101
  9.1 本文总结  99-100
  9.2 研究展望  100-101
参考文献  101-113
致谢  113-114
个人简历、在学期间参加的科研工作及学术论文发表  114
  个人简历  114
  在学期间参加的科研工作  114
  学术论文发表  114

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