双截面信息融合在故障诊断中的应用

第52卷第1期2010年2月汽轮机技术TURBINETECHN0L0GYV0I52NO1FEB20LO双截面信息融合在故障诊断中的应用董辛雯，韩捷，石来德1郑州大学振动工程研究所，郑州，450002；2同济大学机械工程学院，上海200092摘要讨论了转子运动和单截面信息融合的相关理论，提出了基于双截面信息融合的旋转机械故障诊断方法，建立了基于双截面融合能量谱的旋转机械常见故障诊断BP神经网络模型。模拟实验结果表明与基于单截面数据的诊断结果对比，将双截面融合应用于旋转机械常见故障诊断，可有效提高故障诊断的准确率。关键词旋转机械；故障诊断；信息融合；BP神经网络分类号THI7；TPB06；TB53文献标识码A文章编号10015884201001006503INFORMATIONFUSIONOFTOWSECTIONSANDITSAPPLICATIONINFAULTDIAGNOSISFORROTARYMACHINERYDONGXINMINHANJIE，SHILAIDE1VIBRATIONENGINEERINGRESEARCHINSTITUTE，ZHENGZHOUUNIVERSITY，ZHENGZHOU450002，CHINA；2MECHANICALENGINEERINGSCHOOL，TONGJIUNIVERSITY，SHANGHAI200092，CHINAABSTRACTTHEROTORMOTIONANDTHEINFORMATIONFUSIONOFSINGLESECTIONWEREDISCUSSED；THEFAULTDIAGNOSISMETHODFORROTARYMACHINERYBASEDONTHEINFORMATIONFUSIONOFTWOSECTIONSWASPUTFORWARD，ANDTHEBACKPROPAGATIONNEURALNETWORKMODELWASESTABLISHEDENGINEERINGPRACTICEINDICATEDTHATTHEFAULTDIAGNOSISACCURACYBASEDONTHEINFORMATIONFUSIONOFTWOSECTIONSWASHIGHERTHANTHATBASEDONTHEINFORMATIONFUSIONOFSINGLESECTIONKEYWORDSROTARYMACHINERY；FAULTDIAGNOSIS；INFORMATIONFUSION；BACKPROPAGATIONNEURALNETWORK0前言现代大型旋转机械如汽轮机、发电机、压缩机等，是电力、冶金、石油、化工、机械、煤炭等国民经济支柱产业中的重要设备。研究旋转机械的转子振动特性及信息识别方法，对于安全生产、提高企业的经济效益和社会效益具有非常重要的意义。目前，对于转子振动特性及信息识别方法一般是基于单通道信息进行的。同时，也产生了一些转子单截面上两个通道信息融合的研究成果，包括全息谱。、全矢谱以及全谱J。由于转子的振动属于空间运动，仅仅依靠单通道或单截面信息判断机器的工作状态或故障势必造成误判。本文尝试性地提出了一种转子双截面信息融合方法，试图提高旋转机械故障诊断准确率，并通过实验验证了其有效性。1转子质心运动图1为一JEFFCOTT转子一滑动轴承系统示意图。对其进行振动状态监测时，一般在转轴的一O，一，截面简称截面1处正交安装电涡流传感器、Y，O。为转轴在截面1处的几何中心简称轴心，在转轴的一O一Y截面简称截面2处正交安装电涡流传感器、Y，O为转轴在截面2处的几何中心。O为转子质心，L为截面1到圆盘中心O的距离，L为截面2到圆盘中心O的距离。HRL广IP,OL口R_Z|T|ZF1J图1JEFFEOTT转子一滑动轴承系统转子轴心的运动是由若干简谐运动I1，2，组合而成的稳态涡动。0。的运动方程可以表达为收稿日期20090326基金项目国家自然科学基金资助项目THENATIONALNATURALSCIENCEFOUNDATIONOFCHINAUNDERGRANTNO50675209；河南省杰出人才创新基金THEOUTSTANDINGTALENTEDPERSONINNOVATIONFOUNDATIONOFHENANUNDERGRANTNO0621000500。作者简介董辛曼1968，博士研究生，主要研究方向机械设备信息融合及故障诊断。、JL，F甜呈嘴、甜，LY汽轮机技术第52卷其中，X。03、YL03为谐波轨迹在。、Y。方向上的振幅；。、。为谐波轨迹在、Y方向上的初始相位。可以证明在谐波下，O。的运动轨迹为一椭圆，如图2所示。风兄，卜一椭圆的长半轴RY一椭圆的短半轴卜长半轴与轴的夹角图2谐波轨迹假定和Y分别是在。、Y方向上采集到的离散序列，根据矢谱分析技术可求得0。谐波轨迹椭圆的长半轴R和短半轴RM。1。LIZLLLZL一L】K0，1，2，N2121RBIK寺【LZLLLZ。_1K0，1，2，N213其中，为样本长度；Z是离散序列。和Y。构成的复数序列Z1的FOURIER变换。同样，在谐波03下，O的运动轨迹也为椭圆，椭圆的长半轴尺和短半轴R为【IZ2IZ21K0，1，2，N2一I4Z2L_LZ2I1K0，1，2，N215其中，N为样本长度；Z2是离散序列和Y2构成的复数序列2的FOURIER变换。2双截面信息融合能量谱、Y。方向上的幅值谱、YL实际上分别是轴心O。的运动矢量在。、Y方向上的投影谱。由于安装位置的原因，X。、YJ的频谱结构很可能差异很大，已经证实以X。或YL为依据进行故障诊断时很可能得出截然不同的结论J。同样，以、Y2的幅值谱、Y2为依据进行故障诊断时存在同样的弊端。所以，以单通道数据进行故障诊断会降低诊断准确率。全息谱、全矢谱、全谱等研究成果融合了截面上双通道的信息，避免了单通道信息的不足，应用于旋转机械故障，取得了良好效果，其中全矢谱融合以其频域分辨率高、可与传统的谱分析诊断方法兼容等特点应用效果最佳。基于全矢谱融合方法，可用轨迹椭圆的长轴的平方、椭圆的面积或椭圆周长作为谐波能量进行能量谱分析，可避免基于单通道信息分析的不足，能有效提高故障诊断的准确率。但由于各种因素的影响，转子振动在转轴不同截面处的表现特征比如上述的能量谱可能存在差异，以不同截面的特征进行故障诊断时也可能得出截然不同的结论。本文尝试用转子质心O的运动表征转子运动特征，并以此特征得到唯一故障诊断结论。假设研究对象为N性转子，根据图1几何关系可得质心O的运动方程为F盟J6盟T,1T2由式6知质心O的运动融合了截面1、截面2上全部4个通道的信息，涵盖了转子运动的所有信息。因此，用质心运动的特征进行故障分析诊断只能得出唯一的结论。本文采用双截面融合运动能量谱E表征质心O运动的频谱特征，其计算公式如下【K0，1，2，N217其中，X。、YI分别为离散序列，和Y。的FOURIER变换；、Y2分别为离散序列和Y2的FOURIER变换；为样本长度。3实验分析在BENTLEYRK4转子试验台上模拟转子3种旋转机械常见故障为不平衡、为碰摩、为基础松动。以双截面融合能量谱作为故障特征，基于MATLAB编写3层BP神经网络程序进行模式识别，以测试双截面融合能量谱的有效性。31输入向量的确定根据旋转机械故障诊断知识，本文选择频域6个不同频段上的双截面融合能量特征值作为BP网络的输入值。表1为网络的训练样本目标输入。表1故障特征值其中，SL05F；S2为051F099F；S3为1OF；S4为2OF；S5为3OF5OF；S65OFOF为设备工作频率。32输出向量的确定BP网络输出节点输出值的范围为0，1，表示故障发生的可能性大小。表2为网络训练的样本目标输出。33实验分析选择转轴两截面处，分别相互正交地安装。和Y。、和Y4支传感器通道，如图3所示。每种故障状态下同步采集了4通道数据样本2组，采样点数为1024，采样频率为工作频率的32倍。根据式8计算每组数据的能量谱E，第1期董辛曼等双截面信息融合在故障诊断中的应用67表2样本的目标输出并归一化处理，即L其中，N为数据采用点数。8图3BENTLEYRK4转于实验台为丫对比研究，本文分别采用归一化的两截面轴心谐波轨迹椭圆面积谱S、S表征两截面轴心的运动特征，计算如下”S可墨99L弋R一RRSS墨102R尺其中，N为数据采用点数。分别用S、SL和E作为网络输入，如表3。计算中，网络主要参数取值为隐层节点数10；学习步长0OL；动量项系数O95；最小均方误差110；最小梯度110。为了避免结果的偶然性，每组数据进行L0次网络训练、识别，统计的正确识别率如表4所列。由对比分类结果可知基于双截面信息融合的识别准确率明显比基于单截面信息的要高。4结束语双截面信息融合可有效避免单通道和单截面数据的信息不完整、不精确和不准确等不足。本文将双截面的信息融合能量谱和BP神经网络相结合用于转子试验台的典型故障诊断实验，并对比分析了基于单截面数据和融合数据的诊断结论，结果表明将双截面的信息融合技术应用于旋转机械故障诊断，能提高故障诊断的准确率，具有非常重要的工程应用价值。表3输入样本下转第8页8汽轮机技术第52卷基宝、罂图11不同拉紧力下转子的幅频特性曲线左右，二阶I临界转速增加了L660RMIN左右，可见拉杆的拉紧力对拉杆转子的影响是比较大的。6结论通过对上述分布式拉杆转子模型的计算分析，可以得到以下几个结论1本文提出的接触刚度模型考虑了转角的变化，在小转角情况下，所得的刚度值与文献4的方法计算结果一致；在转角较大时，刚度值与转角呈指数关系增长。2轮盘问的接触刚度随拉紧力的增加逐渐增加，并趋近于常数。3拉杆转子各阶临界转速随着接触刚度的增加都逐步增大，并趋近于连续转子所对应的各阶临界转速。上接第3L页4拉紧力的大小对拉杆转子的临界转速影响比较大。参考文献1林公舒，杨道刚现代大功率发电用燃气轮机M北京机械工业出版社20072刘万琨，魏毓璞，赵萍，等燃气轮机与燃气一蒸汽联合循环M北京化学工业出版社，20063焦树建燃气一蒸汽联合循环M北京机械工业出版社，20004饶柱石拉杆组合式特种转子力学特性及其接触刚度的研究D哈尔滨工业大学博士学位论文，19925饶柱石，夏松波，汪光明粗糙平面接触刚度的研究J机械强度，1994，1627L一756饶柱石，夏松波，汪光明组合式特种转子振动模态的实验研究与计算J振动与冲击，1996，15168707QJY，RUIG，ZHENPINGFANALYSISOFDYNAMICCHARACTERISTICSOFGASTURBINEROTORCONSIDERINGCONTACTEFFECTSANDPRETI【GHTERINGFORCECPROCEEDINGSOFASMETURBOEXPOBERLINGERMANY，2008GT2008503968高锐，袁奇，高进，等燃气轮机拉杆转子有限元模型研究及临界转速计算A中国动力工程学会透平专业委员会2008年学术研讨会论文集C南京20089施丽明，张艳春拉杆式模型转子固有频率的试验与研究J振动与冲击，2008，27847491O施丽铭，张艳春燃气轮机转子模态试验与分析J燃气轮机技术，2007，204474911GREENWOODJA，WILLIAMSONJCONTACTOFNOMINALLYFLATSURFACESJMATHEMATICALANDPHYSICAL，1966，2953003L9参考文献1王德伟6OOMW机组润滑油系统特性仿真J汽轮机技术，2007，495371373，3842许卫民330MW汽轮机润滑油系统改造J热力发电，2004，37114344，503王鹏，史小平，余天星汽轮机润滑油温模糊调节系统的仿456真研究J控制工程，2007，143236238，273谢诞梅，刘勇，戴义平发电厂热力设备及系统M北京高等教育出版社，2008郑艳汽轮机润滑油系统数学模型及仿真J南京工程学院学报自然科学版，2003，121123128周李军汽轮机润滑油系统建模与仿真D重庆重庆大学2OO5上接第67页23参考文献QNLIANGSHENG，LIUXI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