力學(xué)大會2015集基于EMD的裂紋油膜渦動故障診斷

基于EMD的裂紋-油膜渦動故障診斷，（西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院，陜西西安以轉(zhuǎn)軸存在橫向裂紋且兩端支承存在非線性油膜力的剛性Jeffcott轉(zhuǎn)子為研究對象，建立轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)運動的微分方程，采用數(shù)值模擬的方法研究系統(tǒng)特性，將EMD方法引入到轉(zhuǎn)子故障診斷中，可以EMD方法對于裂紋-油膜渦動耦合故障診斷的有效性，為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障診斷提供了新思路。 來，產(chǎn)生一系列具有不同特征尺度的數(shù)據(jù)序列，每個序列稱為一個特征模態(tài)函數(shù)（IntrinsicModeFunction，簡稱IMF）。等提出了基于EMD和最大峭度解卷積算法的滾動軸承故障特征提取方法[1]，等研究了頻率調(diào)制經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解在軸承故障診斷中的應(yīng)用[2]Wang等人提出了基于支持向量機的改進(jìn)EMD算法[3]，ZhanEMD提取了數(shù)控機床振動信號特征[4]EMD在振動EMDEMD對裂紋-油膜渦動為彈性c1為轉(zhuǎn)子在軸承處阻尼系數(shù)c2為轉(zhuǎn)子圓盤阻尼系數(shù)，軸承長度L，半徑R，初始相位角為；對于轉(zhuǎn)軸的橫向裂紋，采用開閉模型[6][7]，裂紋深度為a，無裂紋時彈性軸剛度為k，初始相位角為，裂紋開關(guān)函數(shù)為，裂紋張開狀態(tài)下和方向的彈性軸剛度與無紋時剛度之差為k、kLR設(shè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在O1處位移x1y1，在O2x2y2，fx、fy為非線性油膜力，建立 xkcos2tksin2txx kky1y2sintcostfxx1,y1,x1,y1 ykcostk

txx

kk xsint

fx,y,x,ym

mxcx2kxxkcos2tksin2txx2 2

kky2y1sintcostm2e2mycy2kyykcos2tksin2txx2 2 kkx2x1sintcostm2e2sintm力，為平均油膜厚度，將式(1)綱化xc1x xx

kcos2ksin2xx 2m yfx,y,x, 1ky1sincosyfx,y,x, m y

c1y

yy

kcos2ksin2xx 2m kkxxsincos

fx,y,x,y

m 1 x

c2x

2kxx

kcos2ksin2xx 2m 2k yysincose22 c2

2

2my2y12mk

ksinx2x1 ekkxxsincos e

sin

uRLR2

L2G s 2R

f x2yy2x3xVx,y,sinGx,y,2cosSx,y, f

1

3xVx,y,cosGx,y,2sinSx,y,Vx,y,2ycosxsinGx,y,Sx,y,

1x2y2xcosysin1xcosysin

ycosxsin Gx,y, arctan 1x2y2 1x2y21/2 y2 y2x x2

signx

signy2x

本文采用四階方法對式(2)進(jìn)行數(shù)值計算，積分步長為1000，為了得到系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)e0.05mm，R25mm，L12mm，0.11mmc11050Nsm，c22010Nsm，k2.5107N/mk0.2563k0.0399u0.018Pas。當(dāng)轉(zhuǎn)子激在300~2000rad/s2所示分岔圖，從中可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在周期運動、擬周期運動、混沌運動等多種運動形式[9]，如圖3所示。2x4隨變化的分岔(a)=900rad/ (b)=1100rad/ (c)=1900rad/圖3不同轉(zhuǎn)速下將式(2)中的非線性油膜力fx和fy取為0，則式(2)為裂紋轉(zhuǎn)子方程，通過計算前述三個轉(zhuǎn)速下只存在轉(zhuǎn)軸橫向裂紋時的響應(yīng)，得到如圖4所示頻譜：(a)900rad/ (b)1100rad/ (c)1900rad/4不同轉(zhuǎn)速下裂紋故障頻將式(2)中的剛度差k和k0，則式(2)為油膜渦動轉(zhuǎn)子方程，通過計算前述三個轉(zhuǎn)速下只存在非線性油膜力時的響應(yīng)，得到如圖5所示頻譜：(a)900rad/ (b)1100rad/ (c)1900rad/5不同轉(zhuǎn)速下油膜渦動故障頻5所示的油膜渦1/2、1/3/、2/3、3/4等分頻，縱坐標(biāo)所顯示的主要頻率對應(yīng)幅值變化較小，如表1所示。1單一故障頻率分900rad/1100rad/1900rad/1IMF1頻譜 (c)IMF2頻譜圖6900rad/s轉(zhuǎn)速下響應(yīng)的EMD和前兩階IMF頻譜IMF1頻 (c)IMF2頻71100rads轉(zhuǎn)速下響應(yīng)EMDIMF頻IMF1頻 (c)IMF2頻81900rads轉(zhuǎn)速下響應(yīng)EMDIMF頻6~8EMD，可以看出頻率成分主要集中兩階IMF，對前兩階IMF做頻譜分析，如表2所示。2IMF頻率900rad/1100rad/1900rad/12EMDIMF頻譜反映了IMF的頻譜分析，進(jìn)行分析，通過對頻率成分的辨別，實現(xiàn)了故障的診斷。驗證了EMD對于裂紋-油膜渦動非線性耦 用3WangLuYan，WangQiang，WangXiaoLong，ZhangMeiJun，MaYuHao.AnimprovedextensionmethodofEMDbasedonSVRM.AppliedMechanicsandMaterials，2014：2697～2701.5.含裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)剛度及動力學(xué)特性研究[D].杭州:浙江大學(xué),6，，椿.開閉裂紋轉(zhuǎn)軸剛度的解析研究.振動與沖擊7J-JSinou，AWLees.Anon-linearstudyofacrackedrotor.EuropeanJournalofMechanicsA/Solids26 ,THEFAULTDIAGNOSISOFCRACKANDOILFILMVORTEXBAESDONLu (NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi'anShanxi710129RigidityJeffcottrotorsupportedbyshortbearingisregardedastheresearchobjectinthispaper,itsbearinghasatransversecrack,andtherearenonlinearoilfilmonbothends.Establishthedifferentialequationofthisrotorsystem,selecttheappropriateparameters,usethemethodofnumericalsimulationtoresearchitscharacteristicsandgetthedynamicresponse.UseEMDtoyzetheresponse,distinguishthecouplingfaultfromthefrequencyspectrum.Theresultsshowthatsystemrespectivelyincracksandoilwhirl