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高压大流量乳化液泵状态监控与故障诊断研究

作　者: 韩晓明
导　师: 杜长龙
学　校: 中国矿业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 乳化液泵状态监控曲柄轴承磨损泵阀弹簧断裂
分类号: TD350.6
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
下　载: 367次
引　用: 1次
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内容摘要

高压大流量乳化液泵是为煤炭企业百万吨级综采工作面支护设备设计的液压动力源,是实现工作面高产高效的关键设备,其工作的连续性、稳定性与可靠性对于保证煤炭企业的安全生产和提高经济效益具有非常重要的意义。论文在电液卸载阀、反冲过滤器及电控自动配液器等自动装置研制成功的基础上,根据目前煤炭企业对乳化液泵的实际需要以及对状态监控系统的功能要求,选定八路状态参数作为监测对象,选用以可编程控制器为主体的监控方案,研制出高压大流量乳化液泵状态监控系统。试验结果表明,设计开发的基于可编程控制器的乳化液泵状态监控系统达到了设计技术指标的各项要求,保障了设备的安全运行。曲柄轴承作为乳化液泵曲柄连杆机构的关键部件,也是动力传递过程中极易损坏的薄弱环节,曲柄轴承的磨损失效是高压大流量乳化液泵的主要失效形式。论文通过对乳化液泵曲柄轴承在流体动压润滑情况下轴心偏心率及最小油膜厚度的分析,总结出偏心率及最小油膜厚度随半径间隙变化的发展规律。为曲柄连杆机构的设计及检修维护提供了理论基础,并揭示出曲柄轴承磨损故障的机理及表现特征,为利用振动信号诊断曲柄轴承磨损故障提供了理论依据。在曲柄轴承磨损故障机理的研究基础上,论文对其故障特征信息提取及故障识别方法开展了进一步的研究。通过对小波滤波后不同磨损状态下的振动信号的功率谱分析,总结出曲柄轴承不同磨损状态下信号的信息特征及能量的变化规律。利用小波包频带能量分析法实现了对信号各频带相对能量信息特征的准确提取,为曲柄轴承磨损故障的识别提供了定量的依据。针对乳化液泵曲柄轴承磨损故障的渐变性以及井下实测的故障样本数量有限的特点,本文提出了模糊支持向量机的模式识别方法,并构建出基于小波包频带能量分析与模糊支持向量机相结合的曲柄轴承磨损故障诊断模型。诊断结果表明,该诊断模型能够充分利用曲柄轴承不同磨损状态的模糊信息,准确地实现对曲柄轴承磨损故障的早期诊断。泵阀弹簧断裂是高压大流量乳化液泵的另一种常见典型故障,极大地影响了乳化液泵的容积效率。论文根据泵阀在正常状态及吸、排液阀弹簧分别断裂状态下泵阀运动微分方程数学模型的求解,得出泵阀的运动规律,揭示出泵阀弹簧断裂故障的机理及表现特征,为利用振动信号识别和定位泵阀弹簧断裂故障提供了理论依据。在泵阀弹簧断裂故障机理的研究基础上,论文对基于连续小波变换的奇异性分析方法进行研究,提出了改进的具有良好稳健性和有效性的基于最小中位二乘法的Lipschitz指数计算方法,确定了泵阀弹簧断裂故障的判断准则。诊断结果表明,该方法可以实现对信号中奇异点的准确定位,识别出弹簧断裂状态下阀盘对阀座或升程限制器产生冲击的时刻,准确有效地判断出泵阀弹簧断裂的故障。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-22
1 绪论  22-34
  1.1 课题来源（SUBJECT SOURCE）  22
  1.2 课题意义（SUBJECT SIGNIFICANCE）  22-23
    1.2.1 课题研究应用价值（APPLICATION VALUE OF SUBJECT RESEARCH）  22-23
    1.2.2 课题研究理论意义（THEORY SIGNIFICANCE OF SUBJECT RESEARCH）  23
  1.3 课题相关背景（RELATED BACKGROUNDS OF SUBJECT）  23-32
  1.4 研究内容（RESEARCH CONTENTS）  32-33
  1.5 小结（SUMMARY）  33-34
2 乳化液泵状态监控系统设计研究  34-54
  2.1 高压大流量乳化液泵结构及工作原理（STRUCTURE AND OPERATING PRINCIPLE OF EMULSION PUMP WITH HIGH PRESSURE AND LARGE DISCHARGE）  34-40
  2.2 工况特征参数选择（RUNNING PARAMETERS SELECTION）  40-42
  2.3 监控系统功能要求（FUNCTIONAL REQUIREMENTS OF MONITORING SYSTEM)  42-43
  2.4 监控系统方案设计（SCHEMATIC DESIGN OF MONITORING SYSTEM）  43-44
  2.5 监控系统的硬件系统设计（HARDWARE SYSTEM DESIGN OF MONITORING SYSTEM）  44-46
  2.6 监控系统的软件系统设计（SOFTWARE SYSTEM DESIGN OF MONITORING SYSTEM）  46-50
  2.7 监控系统的试验研究（EXPERIMENTAL RESEARCH ON MONITORING SYSTEM)  50-52
  2.8 小结（SUMMARY）  52-54
3 乳化液泵曲柄轴承磨损故障机理  54-74
  3.1 载荷分析（LOAD ANALYSIS）  54-60
    3.1.1 曲柄连杆机构运动学分析（Kinematic Analysis of Crank Connecting Rod Mechanism）  54-57
    3.1.2 曲柄连杆机构动力学分析（Dynamic Analysis of Crank Connecting Rod Mechanism）  57-59
    3.1.3 曲柄轴承载荷分析（Load Analysis of Crank Bearing）  59-60
  3.2 曲柄轴承润滑特性分析（LUBRICATION CHARACTER ANALYSIS OF CRANK BEARING）  60-73
    3.2.1 流体动压润滑形成原理（Formation Theory of Hydrodynamic Lubrication）  60-62
    3.2.2 流体动压润滑边界条件（Boundary Condition of Hydrodynamic Lubrication）  62-64
    3.2.3 曲柄轴承流体动压润滑模型（Hydrodynamic Lubrication Model of Crank Bearing）  64-67
    3.2.4 模型求解（Model Solution）  67-68
    3.2.5 曲柄轴承轴心轨迹分析（Axis Trajectory Analysis of Crank Bearing）  68-73
  3.3 小结（SUMMARY）  73-74
4 曲柄轴承磨损故障诊断研究  74-100
  4.1 曲柄轴承磨损故障实验研究（EXPERIMENT RESEARCH ON CRANK BEARING WEAR FAULT）  74-79
    4.1.1 实验内容与目的（Experiment Contents and Objective）  74
    4.1.2 实验装置（Experiment Device）  74-76
    4.1.3 实验方法（Experiment Method）  76-77
    4.1.4 实验原始数据（Original Experiment Dates）  77-78
    4.1.5 原始数据分析（Original Dates Analysis）  78-79
  4.2 振动信号的小波滤波分析（WAVELET FILTRATION ANALYSIS OF VIBRATION SIGNAL）  79-86
    4.2.1 小波分析（Wavelet Analysis）  79-80
    4.2.2 多尺度分析（Multi-Scale Analysis）  80-82
    4.2.3 信号消噪分析（Noise Canceling Analysis of Signal）  82-84
    4.2.4 信号功率谱分析（Power Spectrum Analysis of Signal）  84-86
  4.3 小波包频带能量分析（WAVELET PACKET FREQUENCY BAND ENERGY ANALYSIS)  86-90
    4.3.1 小波包分析（Wavelet Packet Analysis）  86-88
    4.3.2 频带能量特征提取（Energy Feature Extraction of Frequency Bands)  88-89
    4.3.3 结果分析（Result Analysis）  89-90
  4.4 基于模糊支持向量机的磨损故障诊断（WEAR FAULT DIAGNOSIS BASED ON FUZZY SUPPORT VECTOR MACHINE）  90-99
    4.4.1 支持向量机（Support Vector Machine, SVM）  91
    4.4.2 模糊支持向量机诊断模型（Diagnosis Model of Fuzzy Support Vector Machine）  91-92
    4.4.3 诊断模型算法（Diagnosis Model Algorithm）  92-98
    4.4.4 诊断结果分析（Diagnosis Result Analysis）  98-99
  4.5 小结（Summary）  99-100
5 乳化液泵泵阀弹簧断裂故障机理  100-118
  5.1 泵阀工作原理（OPERATION PRINCIPLE OF PUMP VALVE）  100-101
  5.2 泵阀运动分析（MOVEMENT ANALYSIS OF PUMP VALVE）  101-104
  5.3 泵阀运动数学模型（MATHEMATICAL MODEL OF PUMP VALVE MOVEMENT）  104-107
  5.4 泵阀运动仿真模型（SIMULATION MODEL OF PUMP VALVE MOVEMENT）  107-109
  5.5 仿真结果及分析（SIMULATION RESULT AND ANALYSIS）  109-110
  5.6 弹簧断裂泵阀运动数学模型及仿真（MATHEMATICAL MODEL AND SIMULATION ○F PUMP VALVE MOVEMENT WITH FRACTURE SPRING）  110-116
    5.6.1 吸液阀弹簧断裂的泵阀运动数学及仿真模型（MATHEMATICALAND SIMULATION MODEL OF PUMP VALVE MOVEMENT WITH FRACTURE SPRING OF SUCTION VALVE）  111-113
    5.6.2 仿真结果及分析（SIMULATION RESULT AND ANALYSIS）  113-114
    5.6.3 排液阀弹簧断裂的泵阀运动数学及仿真模型（MATHEMATICALAND SIMULATION MODEL OF PUMP VALVE MOVEMENT WITH FRACTURE SPRING OF DISCHARGE VALVE）  114-115
    5.6.4 仿真结果及分析（SIMULATION RESULT AND ANALYSIS）  115-116
  5.7 小结（SUMMARY）  116-118
6 泵阀弹簧断裂故障诊断研究  118-132
  6.1 泵阀弹簧断裂故障实验研究（EXPERIMENT RESEARCH ON FRACTURE FAULT OF PUMP VALVE SPRING）  118-121
    6.1.1 实验内容与目的（Experiment Contents and Objective）  118
    6.1.2 实验装置（Experiment Device）  118-119
    6.1.3 实验方法（Experiment Method）  119
    6.1.4 实验原始数据（Original Experiment Dates）  119-121
    6.1.5 原始数据分析（Original Dates Analysis）  121
  6.2 信号奇异性分析（SIGNAL SINGULARITY ANALYSIS）  121-131
    6.2.1 信号奇异性与Lipschitz 指数（Signal Singularity and Lipschitz Exponent)  121-123
    6.2.2 小波奇异性分析（Singularity Analysis with Wavelets）  123-124
    6.2.3 故障诊断中小波奇异性分析的改进（Improvement of Singularity Analysis with Wavelets in Fault Diagnosis）  124-126
    6.2.4 正常状态下泵阀信号奇异性分析（Singularity Analysis of Pump Valve Signal in Normal Condition）  126-127
    6.2.5 进液阀弹簧断裂的泵阀信号奇异性分析（Singularity Analysis of Pump Valve Signal under Condition of Suction Valve Spring Fracture）  127-128
    6.2.6 排液阀弹簧断裂的泵阀信号奇异性分析（Singularity Analysis of Pump Valve Signal under Condition of Discharge Valve Spring Fracture）  128-131
  6.3 小结（SUMMARY）  131-132
7 结论与展望  132-135
参考文献  135-143
作者简历  143-145
学位论文数据集  145

高压大流量乳化液泵状态监控与故障诊断研究

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