軋機非線性振動的診斷分析與預測

1、軋機非線性振動的診斷分析與預測1、 課題調(diào)研和定位1） 專業(yè)定位充分結(jié)合機械工程實際背景開展研究2） 工程機械發(fā)展趨勢 致力于解決的基本問題：改善勞動者的勞動條件；提高機器的生產(chǎn)率、降低工作損耗 21世紀將廣泛采用的技術(shù)：電子監(jiān)測技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、衛(wèi)星控制技術(shù) 工程機械的研究方向：機械自動化、燃油發(fā)動機節(jié)能化、機電一體化（階段進化研究、電液集成控制、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等）3） 機械故障診斷的意義 機械設備占國有資產(chǎn)總值60%70% 現(xiàn)代生產(chǎn)機械日益高速化、大型化、精密化、自動化對可靠性、安全性要求日益提高4）確定研究目標：軋機振動監(jiān)測 對象特點: 設備大型化、高速化、自動化、精密化；巨大動載荷危害

2、成為生產(chǎn)的瓶頸 軋機振動形式：主傳動扭轉(zhuǎn)振動、軋件和軋輥垂振、軸向振動 扭振危害：傳動系統(tǒng)零部件疲勞失效或斷軸；與垂振共同影響產(chǎn)品質(zhì)量；與電氣系統(tǒng)產(chǎn)生機電共振；引起低頻振動噪音 現(xiàn)有研究領(lǐng)域軋機動力學設計分析（TAF計算、頻率振型計算、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設計）研究工藝參數(shù)變化對扭振狀態(tài)的影響（如傳動間隙、阻尼、滑動摩擦系數(shù)）異常軋制狀態(tài)研究（如打滑和自激振動機理）非線性軋制振動狀態(tài)研究（如有間隙和振動邊界的自激振動系統(tǒng)的非線性振動） 研究手段：動力學建模、分析、動態(tài)特性研究、頻譜分析等 現(xiàn)存問題動力學建模存在誤差、非線性振動機理研究不完備、分析方法沒有針對性2、 機械故障診斷的技術(shù)容、基本特點和主要

3、方法1） 基本環(huán)節(jié) 狀態(tài)檢測（信號檢測、狀態(tài)分析） 故障診斷（故障模式識別、定位） 決策形成（趨勢預測、治理措施）機械故障診斷的基本原理2） 基本特點 交叉學科(計算機科學、信號分析與系統(tǒng)、動力學理論與方法、人工智能等)、 理論性和實踐性俱強 新理論和新技術(shù)密集3） 主要方法（根據(jù)所利用狀態(tài)特征信號的性質(zhì)不同分類） 振動診斷方法（拾取并分析振動特定部位的振動位移、速度或加速度信號） 噪聲診斷方法（如聲發(fā)射技術(shù)） 溫度診斷方法（如超聲波、紅外測溫） 油液分析方法（分析有代表性油液中的磨粒，判斷設備磨損情況） 4) 振動診斷方法的特點 振動參數(shù)值是動態(tài)特性的直接綜合反映，因而參量測取少、分析預測準

4、確 動力學系統(tǒng)中故障和響應之間存在程度不同的映射關(guān)系，便于有效分析 測試分析儀器價格相對較低，且容易實現(xiàn)測量，因而診斷成本較低 正問題求解（故障分析建立診斷知識庫）和逆問題求解（故障診斷解讀實測數(shù)據(jù)和圖譜）結(jié)合 根據(jù)所依據(jù)的對象動力學原理不同，分為線性振動診斷方法和非線性振動診斷方法3、線性振動理論和非線性振動理論的比較 1）定義不同： 線性振動系統(tǒng)質(zhì)量不變、彈性力和阻尼與運動參數(shù)成線性關(guān)系的系統(tǒng)；數(shù)學描述為線性常系數(shù)常微分方程，通過求解其頻率、振幅、相位、激勵、響應、模態(tài)等分析振動狀態(tài)；是振幅足夠小的大多數(shù)情況下振動對象的近似描述）的振動系統(tǒng)。非線性振動系統(tǒng)區(qū)別于線性振動系統(tǒng)的振動系統(tǒng)2）研

5、究角度不同：前提：非線性是機械系統(tǒng)動力學的固有屬性，工程中的絕大多數(shù)振動系統(tǒng)都是非線性。條件是考慮機械系統(tǒng)中的非線性因素：作用力非線性（電場力、磁場力、萬有引力）、運動學非線性（法向加速度、科氏加速度）、材料非線性（非線性本構(gòu)關(guān)系）、幾何非線性（彈性大變形）等。線性振動理論是在一定圍將診斷對象線性化，利用線性系統(tǒng)成熟的研究方法和結(jié)論，降低問題的理論難度和計算工作量，且所的結(jié)果基本符合實際。非線性振動理論適用于當對象的非線性較為突出，或者故障狀態(tài)發(fā)生時（故障狀態(tài)時系統(tǒng)非線性行為更加顯著，如振動狀態(tài)突變、組合共振、混沌振動等），此時線性振動理論存在較大分析誤差和局限性。4、 非線性振動的研究方法分

6、類根據(jù)非線性現(xiàn)象的物理本質(zhì)，研究和建立非線性系統(tǒng)的數(shù)學模型和計算方法，確定系統(tǒng)的定性特征和定量規(guī)律，包括：1） 定性幾何方法（直接由運動微分方程出發(fā)，通過相平面、相軌跡、奇點、極限環(huán)等幾何性質(zhì)作定性分析，用于研究系統(tǒng)可能發(fā)生的穩(wěn)態(tài)運動平衡狀態(tài)和周期運動。其數(shù)目和穩(wěn)定性可隨系統(tǒng)參數(shù)變化而突然變化的現(xiàn)象叫分岔現(xiàn)象）2） 定量解析方法（對于若非線性系統(tǒng)，在線性系統(tǒng)界的基礎上尋求非線性微分方程的近似解析解，得到運動規(guī)律與參數(shù)條件依賴關(guān)系）3） 參數(shù)識別方法 （非線性對象分析方法，見下文）4） 特殊機理法（混沌、分岔理論）。5、非線性振動的主要形式：1） 自由振動和受迫振動（含非線性小量（高次項小系數(shù)）

7、的弱非線性系統(tǒng)，如周期激勵時的主共振、亞諧波共振、超諧波共振）2） 自激振動（輸入能量與耗散能量達到平衡而維持等幅振動，如電鈴）3） 參數(shù)振動（由外界激勵產(chǎn)生，但激勵對系統(tǒng)的作用通過系統(tǒng)參數(shù)的周期改變實現(xiàn)，且穩(wěn)定性決定于能量的數(shù)入與耗散的關(guān)系有三種狀態(tài)：不穩(wěn)定、漸進穩(wěn)定、周期運動。如變長度擺、秋千）4） 混沌振動（產(chǎn)生于確定性系統(tǒng)的敏感依賴于初始條件的往復性穩(wěn)態(tài)非周期振動，非線性系統(tǒng)特有振動形式，類似于隨機振動而具有長期不可預測性）6、非線性對象分析研究的主要方法1） 分析處理方法：時域、頻域分析、頻譜分析、功率譜分析、小波分析、分形等2） 識別預測方法：l 唯理預測模型：需要對系統(tǒng)運行機理有

8、徹底了解，從而建立預測模型，如各種統(tǒng)計預測（參數(shù)自回歸）、雙線性模型、狀態(tài)依賴模型等。l 唯象預測模型：只利用現(xiàn)存歷史數(shù)據(jù)或經(jīng)驗構(gòu)造模型，推測未來，屬于黑箱膜型。如神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）、小波網(wǎng)絡（WNN）、模糊系統(tǒng)(FS)、演化算法、混沌預測等。7、軋機非線性振動分析預測的研究步驟1) 軋機非線性振動形式、特點和影響因素分析（如自激振動、參激共振等）2）研究不同振動的表現(xiàn)形式和機理，建立診斷知識庫3）根據(jù)振動的不同形式研究不同分析手段（擬采?。﹍ 小波網(wǎng)絡預測模型（非線性系統(tǒng)的狀態(tài)故障非線性映射實現(xiàn)或非線性函數(shù)逼近問題）文獻摘錄1：文獻摘錄2：l 混沌預測模型（具有混沌特征的振動時間序列分析、預

9、測方法） 基于吸引子的混沌預測模型混沌預測的具體算法：(1) 在設備運轉(zhuǎn)時，每隔時間，測取機械系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，獲得狀態(tài)時間序列： 簡寫為。（2）建立相空間。對時間序列所表征的吸引子，設嵌入維數(shù)為，延遲時間為，將該時間序列進行相空間重構(gòu)：因此，（3）通過計算相空間的分維數(shù)、雅普諾夫指數(shù)和柯爾莫哥洛夫熵等參數(shù)，對系統(tǒng)是否為混沌行為進行判定，如果是就可以利用混沌吸引子的特征進行混沌預測，如果不是，即改用別的方法；（4）計算其最大可預測時間尺度；（5）在相空間中計算各點到中心點之間的歐式距離找出的臨近點個，在時間尺度，利用加權(quán)局域預測法求得；（6）根據(jù)相空間重構(gòu)理論有：和則對應，所以將的最后一維取出，

10、可得的預測值神經(jīng)網(wǎng)絡預測與混沌預測的比較： 綜合決策模型 (基于信息融合理論和綜合集成技術(shù)的復雜系統(tǒng)診斷預測)復雜機械系統(tǒng)多傳感器信號采集特征提取和優(yōu)化分類層 局部信息融合診斷層NN1NN2NNI綜合決策輸出層人 機 接 口 模 塊多源過程信息監(jiān)測狀態(tài)結(jié)論. 集成決策網(wǎng)絡實現(xiàn)原理圖局部融合子系統(tǒng)NN1NN2NN3 特征矩陣決策融合子系統(tǒng)NN1NN2NNJ 關(guān)聯(lián)分析監(jiān)測狀態(tài)輸出 信息綜合決策系統(tǒng)實現(xiàn)原理圖֪ʶ¹æÊä³ö智能故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)振動、噪聲等 現(xiàn) 場工況信息局部信號分析監(jiān)測測 量方

11、 程建 立求 解系統(tǒng)動力建模分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、材 料 等工藝信息典 型動 力特 性分 析運行狀態(tài)綜合決策診斷專家經(jīng)驗、學習樣本和人機接口局部狀態(tài)信息關(guān)聯(lián)與 分 類集成神經(jīng)網(wǎng)絡識別與 決 策狀 態(tài)監(jiān) 測結(jié) 果 、故障早期診斷小波神經(jīng)網(wǎng)絡分析系統(tǒng)4）需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題 非線性振動的動力學定性分析和參數(shù)識別方法的有機結(jié)合（基于灰箱理論的狀態(tài)參量故障形式診斷知識庫建立） 狀態(tài)界定：建立實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行和故障狀態(tài)定性分界的有效方法，從而采用不同分析模型（非線性序列預測方法） 邊界判別：建立不同非線性振動狀態(tài)的有效判別方法，從而采用不同適用方法分析預測（不同參數(shù)作用下振動特征分析） 確定軋機振動監(jiān)測需要提取

12、的狀態(tài)參量類型：如扭轉(zhuǎn)力矩、橫向力矩、聲發(fā)射信號等（基于軋機工作振動機理和信息耦合原理） 研究溫度、材料參數(shù)變化等非故障非線性因素對分析帶來的誤差（包括測量溫度場分布、彈性模量E、極慣性矩Ip等材料參數(shù)隨溫度變化情況） 8、課題研究的幾點體會1）文獻閱讀、調(diào)研階段l 有的放矢、提高效率、脈絡清晰：l 書籍和文獻結(jié)合；l 略讀和精讀結(jié)合；l 綜述文獻和專題研究結(jié)合；l 基礎理論和最新進展結(jié)合；l 前人研究線索和自身思路對象結(jié)合2）研究階段、逐層深入l 由淺入深；l 由改進、結(jié)合、完善到提出、建構(gòu)、創(chuàng)新；l 由方法平移轉(zhuǎn)換到針對對象完善方法；l 由對象深入了解到理論挖掘建構(gòu) 3）課題研究態(tài)度和精神

13、l 找準方向、持之以恒；l 集中精力、階段突破；l 自我定位、團隊精神l 戒驕戒躁、科學附談：誠實的勝利-非典病原體確認為冠狀病毒始末（ 2003年05月16日14:01 南風窗 ） 讀 后本刊特約記者 廖懷凌摘要：二三月份，廣東醫(yī)學界查找病原體的過程中，盡管遭遇過如此的曲折、艱難，但他們依然尊重科學，實事?，F(xiàn)在全世界都知道非典的病原體是冠狀病毒了，記者在這里追溯二三月份廣東醫(yī)學界查找病原體的過程中遭遇過的曲折和艱辛，也許會有人并不樂意。但這是無法改變的歷史原貌。記者也希望人們不要帶著太多情緒回顧這段歷史，因為這些日子非常不容易：不管有沒有找到病原體，廣東的診治標準證實是正確的，正因此，廣東創(chuàng)

14、造了全球最低的非典死亡率3.5%，遠低于世界衛(wèi)生組織5月7日公布的1415%的全球平均數(shù)，也低于的20%和加拿大的10%。草率的宣布省衛(wèi)生廳接到衛(wèi)生部通知，說國家疾病控制中心在廣東送去的兩例死亡病例的肺組織標本切片里，用電子顯微鏡看到了非常典型和清楚的衣原體顆粒圖像，其他如支原體、立克次體等也會引起非典型肺炎的病原體都沒有發(fā)現(xiàn)。看電鏡的專家是中國最權(quán)威的電子顯微鏡專家洪濤院士。那天晚上7時的中央臺新聞聯(lián)播正式宣布：“中國疾病預防控制中心病毒病預防控制所報告，通過電鏡觀察發(fā)現(xiàn)兩份死于本次肺炎病人的尸檢肺標本上有典型的衣原體包含體，肺細胞漿衣原體顆粒十分典型。廣東省部分地區(qū)非典型肺炎的病原基本確定

15、為衣原體?！?。在兩例死亡病例的肺組織找到衣原體，只能證實這兩個病人攜帶了衣原體，并不能證實衣原體是致病原因，更不能代表廣東全部305個病例(當時公布的最新病例數(shù)是305例)。有的專家還尖銳指出，中國疾病控制中心沒有征詢廣東臨床專家意見就急于宣布結(jié)論，是非常草率的科研態(tài)度。國家疾病控制中心不應該在僅僅完成第一步就急于公布結(jié)論。媒體：多種聲音2月19日早上報紙非常精彩，有的日報干脆就報道“新華社消息”不加任何評論；有的日報則旗幟鮮明地提出“非典型肺炎病原有爭議”、“非典型肺炎病原是衣原體？廣東專家保留意見”。這是記者工作接近四年來，第一次看到中央和地方的媒體有完全不同的聲音。廣市呼研所所長鐘南山院

16、士接受記者采訪時表示震驚：“怎么可能是衣原體？我們用了那么多抗衣原體的抗生素怎么會一點效果都沒有？”廣軍區(qū)總醫(yī)院黃文杰主任快人快語：“如果按照衣原體治療，將產(chǎn)生可怕的后果。”2月19日中午，中央電視臺播出的國家疾病控制中心主任立明的訪談，他推薦了幾種對衣原體有效的抗生素，并強調(diào)對這種衣原體肺炎的治療要全程、足量使用抗生素。廣東專家經(jīng)歷了一次重大的考驗：他們最后決定，為了對病人負責，適當調(diào)整治療方案，在維持原來的治療原則的基礎上對病人同時使用四環(huán)素和紅霉素類的抗生素治療。一句話，就是“大包圍”，使用針對細菌、病毒、衣原體的多種藥物和對癥支持療法。廣東專家堅持原有治療方法國家和廣東的病原體之爭沒有

17、結(jié)束。2月26日，有熟悉情的朋友透露，國家疾病控制中心首席專家洪濤院士再次向廣東報告，在送檢的10份標本中檢出衣原體陽性，其中1份呈強陽性，特效藥是利福平。人命關(guān)天。以工程院院士鐘南山為首的廣東專家再次堅持原來的治療原則，沒有采用利福平治療。3月1日，廣東的臨床和流行病學專家經(jīng)過討論，一致認為本次非典型肺炎是病毒感染的可能性大。衣原體不是肇事的司機，它只是車上的一個乘客。3月4日晚上，鐘南山在廣醫(yī)學院接受記者采訪時，再次表達“屬病毒感染引起的肺炎”的看法。鐘南山不是廣東醫(yī)療界惟一表達持“病毒”觀的專家，基本上當時所有的臨床專家都根據(jù)經(jīng)驗判斷是病毒性肺炎，但鐘南山以工程院院士之尊敢于站出來反對國

18、家疾病控制中心的權(quán)威說法，給廣東醫(yī)療界打了一支強心針。3月25日，美國疾病控制中心和大學微生物系宣布，非典病原體是來自豬的“冠狀病毒”。不久，世界衛(wèi)生組織的多個實驗室也陸續(xù)找到冠狀病毒。3月28日，世界衛(wèi)生組織正式將這次非典型肺炎命名為“冠狀病毒嚴重呼吸系統(tǒng)綜合癥”，英文簡稱SARS，世衛(wèi)組織并指出SARS已在全球蔓延。3月中旬已分離到冠狀病毒中國醫(yī)學界查找病原體的步伐沒有停止。4月10日下午，在市外事辦公室舉行的有關(guān)非典型肺炎的防治知識介紹會上，中國疾病預防控制中心病毒形態(tài)學研究室主任洪濤院士說，一個來自流行病源、傳染、病毒、免疫等學科的25名專家組成的防治“非典型肺炎”攻關(guān)小組，已于8日成立，目前兩種主要致目前哪種病毒為主要致病病因尚不清楚，洪濤傾向于兩種病毒聯(lián)合發(fā)生作用。國家疾病控制中心終于也找到了冠狀病毒。但洪濤院士仍然對自己最早報告的“衣原體說”情有獨鐘。這名通訊員還向我透露了一個令呼研所科研人員驚詫不已的消息：廣市呼研所分離到冠狀病毒的報告一周前已經(jīng)層層上交，但國家疾病控制中心對此做了搶先發(fā)布。4月12日，廣東媒體