軋機(jī)非線性振動的診斷分析與預(yù)測

1、軋機(jī)非線性振動的診斷分析與預(yù)測1、 課題調(diào)研和定位1） 專業(yè)定位充分結(jié)合機(jī)械工程實(shí)際背景開展研究2） 工程機(jī)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(jī)器的生產(chǎn)率、降低工作損耗 21世紀(jì)將廣泛采用的技術(shù)：電子監(jiān)測技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、衛(wèi)星控制技術(shù) 工程機(jī)械的研究方向：機(jī)械自動化、燃油發(fā)動機(jī)節(jié)能化、機(jī)電一體化（階段進(jìn)化研究、電液集成控制、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等）3） 機(jī)械故障診斷的意義 機(jī)械設(shè)備占國有資產(chǎn)總值60%70% 現(xiàn)代生產(chǎn)機(jī)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(biāo)：軋機(jī)振動監(jiān)測 對象特點(diǎn): 設(shè)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(jī)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(jī)電共振；引起低頻振動噪音 現(xiàn)有研究領(lǐng)域軋機(jī)動力學(xué)設(shè)計分析（TAF計算、頻率振型計算、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)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(jī)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(xué)建模、分析、動態(tài)特性研究、頻譜分析等 現(xiàn)存問題動力學(xué)建模存在誤差、非線性振動機(jī)理研究不完備、分析方法沒有針對性2、 機(jī)械故障診斷的技術(shù)容、基本特點(diǎn)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(yù)測、治理措施）機(jī)械故障診斷的基本原理2） 基本特點(diǎn) 交叉學(xué)科(計算機(jī)科學(xué)、信號分析與系統(tǒng)、動力學(xué)理論與方法、人工智能等)、 理論性和實(shí)踐性俱強(qiáng) 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(shè)備磨損情況） 4) 振動診斷方法的特點(diǎn) 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(yù)測準(zhǔn)

4、確 動力學(xué)系統(tǒng)中故障和響應(yīng)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(shí)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(shí)測數(shù)據(jù)和圖譜）結(jié)合 根據(jù)所依據(jù)的對象動力學(xué)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(yùn)動參數(shù)成線性關(guān)系的系統(tǒng)；數(shù)學(xué)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(yīng)、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(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)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(jī)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(yùn)動學(xué)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(shí)際。非線性振動理論適用于當(dāng)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(xué)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(yùn)動微分方程出發(fā)，通過相平面、相軌跡、奇點(diǎn)、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(yùn)動平衡狀態(tài)和周期運(yùn)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(chǔ)上尋求非線性微分方程的近似解析解，得到運(yùn)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(jī)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(xiàng)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(dá)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(shí)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(jìn)穩(wěn)定、周期運(yùn)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(fù)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(jī)振動而具有長期不可預(yù)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(yù)測方法：l 唯理預(yù)測模型：需要對系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理有

8、徹底了解，從而建立預(yù)測模型，如各種統(tǒng)計預(yù)測（參數(shù)自回歸）、雙線性模型、狀態(tài)依賴模型等。l 唯象預(yù)測模型：只利用現(xiàn)存歷史數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)構(gòu)造模型，推測未來，屬于黑箱膜型。如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、小波網(wǎng)絡(luò)（WNN）、模糊系統(tǒng)(FS)、演化算法、混沌預(yù)測等。7、軋機(jī)非線性振動分析預(yù)測的研究步驟1) 軋機(jī)非線性振動形式、特點(diǎn)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(jī)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（擬采取）l 小波網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型（非線性系統(tǒng)的狀態(tài)故障非線性映射實(shí)現(xiàn)或非線性函數(shù)逼近問題）文獻(xiàn)摘錄1：文獻(xiàn)摘錄2：l 混沌預(yù)測模型（具有混沌特征的振動時間序列分析、預(yù)

9、測方法） 基于吸引子的混沌預(yù)測模型混沌預(yù)測的具體算法：(1) 在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時，每隔時間，測取機(jī)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(shè)嵌入維數(shù)為，延遲時間為，將該時間序列進(jìn)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(jìn)行判定，如果是就可以利用混沌吸引子的特征進(jìn)行混沌預(yù)測，如果不是，即改用別的方法；（4）計算其最大可預(yù)測時間尺度；（5）在相空間中計算各點(diǎn)到中心點(diǎn)之間的歐式距離找出的臨近點(diǎn)個，在時間尺度，利用加權(quán)局域預(yù)測法求得；（6）根據(jù)相空間重構(gòu)理論有：和則對應(yīng)，所以將的最后一維取出，

10、可得的預(yù)測值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測與混沌預(yù)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(fù)雜系統(tǒng)診斷預(yù)測)復(fù)雜機(jī)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(jī) 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(luò)實(shí)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(shí)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(yùn)行狀態(tài)綜合決策診斷專家經(jīng)驗(yàn)、學(xué)習(xí)樣本和人機(jī)接口局部狀態(tài)信息關(guān)聯(lián)與 分 類集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(xué)定性分析和參數(shù)識別方法的有機(jī)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)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(yù)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(yù)測（不同參數(shù)作用下振動特征分析） 確定軋機(jī)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(jī)工作振動機(jī)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(diǎn)體會1）文獻(xiàn)閱讀、調(diào)研階段l 有的放矢、提高效率、脈絡(luò)清晰：l 書籍和文獻(xiàn)結(jié)合；l 略讀和精讀結(jié)合；l 綜述文獻(xiàn)和專題研究結(jié)合；l 基礎(chǔ)理論和最新進(jìn)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(jìn)、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(zhǔn)方向、持之以恒；l 集中精力、階段突破；l 自我定位、團(tuán)隊(duì)精神l 戒驕戒躁、科學(xué)附談：誠實(shí)的勝利-非典病原體確認(rèn)為冠狀病毒始末（ 2003年05月16日14:01 南風(fēng)窗 ） 讀 后本刊特約記者 廖懷凌摘要：二三月份，廣東醫(yī)學(xué)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(xué)，實(shí)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(xué)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?yàn)檫@些日子非常不容易：不管有沒有找到病原體，廣東的診治標(biāo)準(zhǔn)證實(shí)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(yuǎn)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(biāo)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)?？措婄R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(yù)防控制中心病毒病預(yù)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(biāo)本上有典型的衣原體包含體，肺細(xì)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(shí)這兩個病人攜帶了衣原體，并不能證實(shí)衣原體是致病原因，更不能代表廣東全部305個病例(當(dāng)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(yīng)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(diǎn)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(qiáng)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(yàn)：他們最后決定，為了對病人負(fù)責(zé)，適當(dāng)調(diào)整治療方案，在維持原來的治療原則的基礎(chǔ)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(xì)菌、病毒、衣原體的多種藥物和對癥支持療法。廣東專家堅(jiān)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(biāo)本中檢出衣原體陽性，其中1份呈強(qiáng)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(jiān)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(xué)專家經(jīng)過討論，一致認(rèn)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(jī)，它只是車上的一個乘客。3月4日晚上，鐘南山在廣醫(yī)學(xué)院接受記者采訪時，再次表達(dá)“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(dá)持“病毒”觀的專家，基本上當(dāng)時所有的臨床專家都根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)心針。3月25日，美國疾病控制中心和大學(xué)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(shí)驗(yàn)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(yán)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(xué)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(yù)防控制中心病毒形態(tài)學(xué)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(xué)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(dú)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