故障诊断

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

旋转机械是以转子、齿轮、轴承等回转部件为主体的设备，在企业生产中处于核心

地位。当它们发生故障时，会带来一系列的经济损失。随着旋转机械运转速度的日益提高，机械设备集成化发展，系统的非线性将更加突出，可能直接（或间接）导致转子系

统发生不平衡、不对中、碰摩、松动等故障。其中，转静碰摩是其非常普遍的一种故障[1] ，其发生频率随转定子间的密封间隙的减少而增加。与其它故障相比，碰摩故障更容

易引起整机振动过大，引起耦合效应，导致系统结构破坏，生产效率低下，缩短其使用

寿命等一系列后果。因此，探究转子碰摩故障机理，研究其故障信号特征的提取，实现

智能诊断，获得可靠有效的诊断结果具有十分重要的现实指导意义。

碰摩故障是一种典型的多发性事件，是由其他故障或是由耦合故障所带来的“二次

效应”[2] 。碰摩故障一般伴随有不平衡、不对中故障，两种或两种以上故障相互影响形成耦合。尽管目前不少研究人员针对不平衡-碰摩、不对中-碰摩耦合故障进行了研究，

但由于耦合故障的振动响应呈现非线性特点，对信号的分解存在一定难度，不能很好地

提取出故障的特征。

含有碰摩故障的耦合振动信号具有冲击、不平稳的特性，这给耦合故障的检测和特

征提取带来一定难度。常用的信号处理方法，对单一故障的特征提取，具有很好地分析

效果，但在研究耦合故障时，难以得到有用的特征信息。因此，以碰摩和碰摩耦合故障

为研究对象，研究出能够处理非均布信号的方法，实现故障特征提取和诊断，具有十分

重要的现实意义。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 转子碰摩故障机理的国内外研究现状

目前，人们针对碰摩故障的机理从非线性动力学模型、动力学响应等方面进行了研

究，发表了许多有价值的的论文。Agnieszka Muszynska [3] 就在其《Rotor Dynamics》—

书中，建立了边界约束条件较为完备的转子碰摩力模型，引入弹性恢复力来表示碰摩产

生的碰撞，详细描述了碰摩的分类情况，并分析了局部碰摩和整周碰摩的故障特征，但

没有考虑定子的弹性。Muszynska [4] 在建立的模型中引入了弹性恢复系数，为了降低动

力学分析的难度，假设定子在碰摩的过程中不发生弹性变形，计入碰摩过程中的能量损失，由此该模型只能用于研究单点和局部碰摩的情况。SawiCki [5] 建立的动力学模型中，郑州轻工业学院硕士学位论文

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将定子简化为具有一定质量弹性的基础支承，假设转定子碰撞过程收到了弹性力和切向

摩擦力，计算弹性力的的摩擦系数与转定子之间的相对转速有关。沈小要[6] 建立了具有初始弯曲的不平衡Jeffcott转子碰摩力模型，在非线性油膜力的作用下，判断是否发生了

碰摩，并动态检测出碰摩开始时的转速。

在转子碰摩的动力学响应分析方面，Ehrich [7] 研究了局部碰摩的动力学响应，在过

渡区域中的超谐波阶段里，出现了混沌现象。胡鸾庆[8] 建立了偏心Jeffcott碰摩模型，考虑局部碰摩力变化，在不同平衡力、阻尼、转速的情况下，仿真分析局部碰摩的拟周期

结果和混沌、分叉现象，并提出了检测早期微弱碰摩信号的方法：Duffing方程外轨解的

最大轨道所对应的分叉阈值法。吴敬东[9] 研究了理想转子的单点碰摩情况，绘制Poincare 截面图，研究碰摩产生的周期分岔、拟周期和混沌运动形式。褚福磊和张正松[10] 分析了碰摩转子系统在油膜力的作用下，产生的倍周期分叉和拟周期运动，并将转速和不平衡

量作为控制参数研究运动的路径和形式。

1.2.2 转子碰摩耦合故障机理的国内外研究现状

由于转子质量不平衡、不对中等引起碰摩故障是导致系统失稳的主要原因。因此对

其耦合故障进行动力学特性和故障机理的研究。

针对不平衡-碰摩耦合故障的模型研究，Mevel和Guyader [11] 考虑了由不平衡作用下

导致刚度变化引起的VC振动；Kim和NoaIl [12] 考虑了不平衡力以及轴承的间隙非线性的影响，但未考虑不平衡产生的VC振动。Tiwari和Gup [13] 的研究既考虑了不平衡、轴承间隙、VC振动影响又引入了非线性赫兹接触力。

在不平衡-碰摩耦合故障的动力学特性响应方面，刘献栋和李其汉[14] 针对具有质量

偏心的Jeffcott转子碰摩模型，建立了转子动力学方程，用二维全息谱理论提取了碰摩的

重要特征。并从经典的碰撞理论出发，仿真分析碰摩的稳定性和Hopf分叉现象。季进臣

等[15] 研究了摩擦系数、恢复系数、不平衡量等参数对碰摩瞬态响应的影响，用轨迹图描述不同的数学模型的特性。

针对不对中-碰摩耦合故障，黄志伟[16] 建立了动力学模型和微分方程，采用数值积

分方法研究平行不对中量和偏角对系统动力学行为的影响。研究结果表明，当转子系统

存在平行不对中量和偏角时，局部碰摩过程非常复杂，存在周期运动和复杂的拟周期运动，其故障的特征频率除l倍频以外，还存在较大的0.3-0.4倍频的谐波分量。张俊红[17] 等将有限元与数值计算相结合的仿真方法，研究了柔性转子不平衡-不对中-碰摩耦合故

障的动力学响应，对比分析单一故障和两种故障耦合的振动特征图，得出了不对中对转

第一章绪论

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子系统振动的影响最为明显的结论。

1.2.3 转子碰摩和碰摩耦合故障实验的国内外研究现状

通过大量的实验反复验证理论研究成果，缩小理论和实践之间的差距，使理论研究

转化为实践，为故障的在线检测与诊断提供现实指导意义。为了将转子的典型故障重现，达到研究故障发生演化规律的目的，国内外学者进行转子模拟的实验研究。

在碰摩现象的实验研究方面，Piccoli和Weber [18] 在垂直安放的碰摩转子实验台上进

行实验，研究了碰摩过程中产生的混沌运动，验证其仿真分析的结果。高艳蕾[19] 等测取了转子单、双点碰摩的振动响应，计算出机匣的传递函数。清华大学的褚福磊[20] 在转子实验台上模拟碰摩现象，研究其动力学特性。邹新元等[21] 设计了转子碰摩模拟实验台，通过安装了碰摩施力装置，可以控制碰摩力的大小。崔淼等[22] 研究了采用铜、铁、钢、铝四种材料的碰摩装置的振动响应问题，得到了理论成果。陈果[23] 等在航空发动机转子试验台进行碰摩实验，验证其建立的转子-轴承-定子动力学模型，取得了良好的实验结

果。马超[24] 在不同轴承支承处安装了声发射传感器，采集碰摩故障实验信号，诊断出碰摩的位置。

转子耦合故障的实验研究水平目前仍然较低，理论成果指导实践应用不足。耦合故

障动力学研究大多采用数值仿真计算的方法，与实际应用存在较大的差距，不能解决工

程实际中的问题。李洋[25] 搭建了转子碰摩故障诊断实验系统，研究了不平衡激励下转子碰摩在不同转速下的振动响应情况，并基于SVD和改进的ITD方法进行故障特征提取。

傅忠广、杨昆等[26] 在转盘上加不同偏心，对其碰摩响应情况进行了实验研究。李兴阳[27] 建立了转子-轴承系统不对中-碰摩耦合故障的动力学模型，采用数值积分的方法，仿真

分析了不对中和碰摩分别对转子系统非线性动力响应的影响，并采用ZT-3型多功能转子

模拟试验台进行实验验证，但仅针对联轴器的平行不对中进行了研究。

1.2.4 故障诊断方法的国内外研究现状

传统的故障诊断方法在分析转子的耦合故障时，其分析结果往往不尽如人意。耦合

故障信号具有强弱故障信号成分分布不均，信号之间存在因果关系等特点，因此，在耦