一种转子横向裂纹系统的有限元仿真与故障诊断方法

1.本发明属于故障诊断方法技术领域，具体涉及一种转子横向裂纹系统的有限元仿真与故障诊断方法。


背景技术：

2.旋转机械在现代工业社会中占据着重要的地位，广泛应用于交通、能源、矿冶及制造等行业，典型的旋转机械有发电机、汽轮机、离心压缩机和航空发电机等。随着工业生产需求的不断提高，对设备的安全性也提出了更高的要求。旋转机械一旦发生故障，设备的维修和非计划停机将会造成严重的经济损失和巨大的社会危害。转子是旋转机械的核心零部件之一，转子裂纹是一种常见的、潜伏性强且极具危害性的故障，通常由于材料自身的缺陷、恶劣的运行环境和随机的荷载作用，转子容易产生裂纹。裂纹的存在会严重影响转子系统的安全运行,国内外因转子裂纹故障而导致的灾难性事故屡见不鲜，因此，及时诊断出转子裂纹故障具有及其重要的意义。
3.为了探究清楚转子裂纹故障的特征信息，准确的实现转子裂纹故障的诊断，通常需要进行裂纹故障模拟实验，以信号处理的方法实现裂纹故障特征的提取，但提取出来的特征存在机理不清晰，搭建实验平台的成本高，模拟故障不准确以及故障样本少等特点。
4.针对以上存在的问题，提出了一种转子横向裂纹系统的有限元仿真与故障诊断方法。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明设计了一种转子横向裂纹系统的有限元仿真与故障诊断方法，从机理的角度解释了裂纹故障的原因，解决实验平台模拟裂纹故障成本高、不准确以及故障样本少等问题，并且所提出的方法能更好的提取转子横向裂纹故障特征，实现转子裂纹故障诊断。
6.为了达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：一种转子横向裂纹系统的有限元仿真与故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.step1：建立转子横向裂纹系统的有限元模型，获得系统的运动方程，根据系统方程利用数值积分方法计算系统的振动响应信号；
8.step2：对系统的振动响应加入白噪声模拟实际信号，并对强噪声背景下的信号进行cycbd(最大2阶循环平稳盲解卷积)降噪处理，得到降噪后的信号；
9.step3：对降噪后的信号进行teager能量解调，通过包络谱图提取裂纹故障信息，实现转子裂纹故障的诊断。
10.进一步的，所述step1中的转子横向裂纹系统有限元模型包括圆盘负载、转子、轴承三个部件，该转子横向裂纹系统所产生的裂纹位于转子轴与圆盘负载交界附近处的转子轴上；
11.将整个转子裂纹系统分为n个子单元，每个单元分为两个节点，每个节点有8个自
由度，为x和y方向的平动和转动位移，则转子横向裂纹系统的有限元运动方程：
[0012][0013]
其中，m、c和g分别为系统的整体质量、阻尼矩阵和陀螺矩阵，f为总的外力向量，k为无裂纹转子系统的整体刚度矩阵；为了便于分析计算，此处矩阵m、c和k均保持不变，k1和k2为转子裂纹故障运行过程时的时变刚度矩阵，从而模拟转子裂纹故障；
[0014]
建立裂纹单元截面的坐标系，xoy坐标系为通过转子中心o的固定坐标系，x轴为水平方向，y轴为竖直方向，xoy为转动坐标系，随转子一起同步旋转，为通过截面形心并切平行与xoy的坐标系，由如下公式可计算刚度矩阵k1和k2为：
[0015][0016][0017]
其中，i为完好转子的截面惯性矩，为裂纹单元横截面面积a1在x轴对应的截面惯性矩，为裂纹单元横截面面积a1在x轴对应的截面惯性矩；
[0018]
采用傅里叶级数余弦展开式对整体面积惯性矩进行逼近，f1(t)和f2(t)为傅里叶级数，其计算公式如下：
[0019][0020][0021]
其中，ω为角速度，n、p为正偶数。
[0022]
进一步的，所述step2中具体步骤为：
[0023]
step2.1：对转子裂纹系统的振动响应加入白噪声干扰成分模拟实际信号，得到带噪声的信号x；
[0024]
step2.2：从含噪声的振动信号x中提取故障冲击信号y，即
[0025]
y＝xf
[0026][0027]
式中，f为滤波器系数矩阵，n为滤波器的长度，l为振动响应信号x的采样点数；
[0028]
step2.3：求取2阶循环平稳性(ics2)，其一般表达式为
[0029][0030][0031][0032][0033]
式中，α为循环频率，与故障冲击的周期t有关；
[0034]
step2.4：通过迭代过程，选取一个最优的滤波器f，使2阶循环平稳性最大。
[0035]
本发明的有益效果是：
[0036]
(1)本发明所涉及的一种转子横向裂纹系统有限元仿真与故障诊断方法，以实际转子裂纹故障模拟平台为对象，建立转子横向裂纹系统有限元模型，解决了搭建实验平台成本高以及模拟实际运行工况不准确的问题，同时，该方法提供了一种严格的数学推导，可为转子裂纹故障诊断提供理论支撑；
[0037]
(2)在实际应用中难免会受噪声的干扰，本发明将所得的系统响应加入白噪声模拟实际信号，采用cycbd对含有噪声的振动响应进行降噪处理，对降噪信号进行teager能量包络谱分析来识别转子裂纹故障，进而实现裂纹故障的特征提取，更好的完成了对转子裂纹故障的诊断。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039]
图1为转子横向裂纹系统的有限元仿真与故障诊断方法流程图；
[0040]
图2为转子裂纹系统的有限元模型示意图；
[0041]
图3为裂纹转子横截面坐标系；
[0042]
图4为转子横向裂纹故障的振动响应；
[0043]
图5为裂纹故障的包络谱图。
具体实施方式
[0044]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]
实施例1
[0046]
参阅图1至图4所示，一种转子横向裂纹系统的有限元仿真与故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0047]
step1：建立转子横向裂纹系统的有限元模型，获得系统的运动方程，根据系统方程利用数值积分方法计算系统的振动响应信号；
[0048]
所述step1中的转子横向裂纹系统有限元模型包括圆盘负载、转子、轴承三个部件，该转子横向裂纹系统所产生的裂纹位于转子轴与圆盘负载交界附近处的转子轴上；
[0049]
将整个转子裂纹系统分为n个子单元，每个单元分为两个节点，每个节点有8个自由度，为x和y方向的平动和转动位移，则转子横向裂纹系统的有限元运动方程：
[0050][0051]
其中，m、c和g分别为系统的整体质量、阻尼矩阵和陀螺矩阵，f为总的外力向量，k为无裂纹转子系统的整体刚度矩阵；为了便于分析计算，此处矩阵m、c和k均保持不变，k1和k2为转子裂纹故障运行过程时的时变刚度矩阵，从而模拟转子裂纹故障；
[0052]
建立裂纹单元截面的坐标系，xoy坐标系为通过转子中心o的固定坐标系，x轴为水平方向，y轴为竖直方向，xoy为转动坐标系，随转子一起同步旋转，为通过截面形心并切平行与xoy的坐标系，由如下公式可计算刚度矩阵k1和k2为：
[0053][0054]
[0055]
其中，i为完好转子的截面惯性矩，为裂纹单元横截面面积a1在x轴对应的截面惯性矩，为裂纹单元横截面面积a1在x轴对应的截面惯性矩；
[0056]
采用傅里叶级数余弦展开式对整体面积惯性矩进行逼近，f1(t)和f2(t)为傅里叶级数，其计算公式如下：
[0057][0058][0059]
其中，ω为角速度，n、p为正偶数。
[0060]
step2：对系统的振动响应加入白噪声模拟实际信号，并对强噪声背景下的信号进行cycbd(最大2阶循环平稳盲解卷积)降噪处理，得到降噪后的信号；
[0061]
所述step2中具体步骤为：
[0062]
step2.1：对转子裂纹系统的振动响应加入白噪声干扰成分模拟实际信号，得到带噪声的信号x；
[0063]
step2.2：从含噪声的振动信号x中提取故障冲击信号y，即
[0064]
y＝xf
[0065][0066]
式中，f为滤波器系数矩阵，n为滤波器的长度，l为振动响应信号x的采样点数；
[0067]
step2.3：求取2阶循环平稳性(ics2)，其一般表达式为
[0068][0069][0070][0071][0072]
式中，α为循环频率，与故障冲击的周期t有关；
[0073]
step2.4：通过迭代过程，选取一个最优的滤波器f，使2阶循环平稳性最大。
[0074]
step3：对降噪后的信号进行teager能量解调，通过包络谱图提取裂纹故障信息，实现转子裂纹故障的诊断。
[0075]
实施例2
[0076]
所补充的基于cycbd的转子裂纹故障特征提取方法，其仿真系统的转速设置为
1500rpm，在建立的有限元模型基础上仿真出了转子裂纹故障的振动响应，其仿真时间为4s,采样频率f设置为1000；根据得到的振动响应，对其添加-10db的高斯白噪声，以模拟实际工况，利用cycbd对信号进行处理，滤波器的长度n设置为40，然后对其进行teager能量解调，通过包络谱图提取裂纹故障信息，实现转子裂纹故障的诊断，裂纹故障的包络谱图如图5所示。
[0077]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0078]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。