● 摘要
转子系统的碰摩故障是电力、机械、航空等领域中的旋转机械经常发生的主要故障之一。一旦汽轮机或航空发动机等大型机械中的转子与静子发生碰摩，不但影响机械的正常运行及使用寿命，往往还会造成严重的后果。此外，为了提高旋转机械的输出功率常常要缩小转子与静子之间的间隙，导致了转子与静子之间的碰摩可能性增大。因此为了保证设备的安全及稳定工作，必须对转静件碰摩故障的诊断方法与诊断工具进行研究。 经过多年的研究，转静件碰摩故障诊断都有了长足的进步，但由于碰摩转子是强非线性系统，而且碰摩振动信号通常比较复杂，导致碰摩故障诊断困难，现有的诊断方法不能满足工程实际要求。因此随着对旋转机械的完整性和可靠性要求的提高，迫切需要深入解决碰摩故障诊断的若干关键问题，诸如：1）与实际更为接近的碰摩力模型；2）噪声背景下碰摩特征的提取；3）碰摩故障严重程度识别。此外，故障诊断工具开发也很重要。本文重点研究了碰摩故障诊断中的上述关键问题，进行了以下几个方面的研究： (1) 双转子系统转静件碰摩有限元接触分析模型及故障信号特征研究。考虑了航空发动机具体结构，建立了转子－机匣相互作用的非线性有限元模型，在求解转静子之间的碰摩力与法向相对位移之间的关系的基础上得到了碰摩力模型，并与整体传递系数法相结合建立转静件碰摩的动力学方程，进而求解了双转子系统的瞬态响应。利用频谱分析和小波变换对响应进行了分析，得出了相关的故障特征。 (2) 背景噪声下提取突变信息的改进奇异值分解方法及其应用。提出了基于选择轨迹矩阵中反映突变信息明显的奇异值进行信号重构的方法来检测信号中的突变信息，并对重构奇异值的选择进行了研究，给出了简便的改进方法。改进的奇异值分解方法能够更有效地应用于信号的奇异性检测。并成功地将该方法用于旋转机械动静件较轻碰摩和较重碰摩故障实验信号的检测，获得了满意的结果。 (3) 基于奇异值分解的信号处理频域机理及其应用。研究了信号中谐波分量与重构矩阵奇异值分布的关系，得出了基于奇异值分解的信号处理方法是一种按频带能量进行信号处理的方法，并由此给出了该方法对信号的趋势项提取、降噪与突变信息提取的频域机理。分析了背景光滑信号、突变信号和噪声的谐波成分对频带能量的影响，从而改进了基于奇异值分解方法的突变信息提取方法。并基于其机理提出了监测突发故障的新方法。 (4) 带碰摩故障的航空发动机振动信号特征和处理方法研究。针对航空发动机碰摩故障诊断的实际情况，分析了各种诊断方法的应用局限性，引入并改进了适用于航空发动机碰摩诊断的基于奇异值分解的碰摩特征提取方法：提出数据边界延拓以消除边界振荡，并发展了适合短时间序列和长时间序列的奇异值分解处理方法，探讨了简便实用的奇异值选择方法。基于试验器碰摩故障振动信号检验了处理效果，并用到某航空发动机故障信号的处理中，得出了正确的结果。 (5) Hilbert-Huang变换的改进及其在转静子碰摩诊断中的探索研究。针对Hilbeit-Huang变换(HHT)的不足和现有改进HHT的局限性，应用时间序列重构矩阵奇异值分解的能量分析方法改进了HHT，并提出了用来识别伪固有模态函数(IMF)的方法。利用仿真信号检验了改进HHT的效果。并将改进后的HHT应用到某双转子航空发动机轻碰摩故障仿真结果的检测中，与改进前HHT和小波分析的结果进行了比较，得出了改进后的HHT具有较大优势。 (6) 旋转机械转子系统碰摩故障诊断软件系统开发及验证。基于前面的研究结果、结合传统的旋转机械转静件碰摩诊断方法，建立了功能丰富而且便于操作的旋转机械碰摩故障诊断软件系统。利用诊断软件分析了各种工况下碰摩振动信号的特征。并将该系统用于两种型号的发动机碰摩故障的诊断，验证了系统的有效性。