（机械工程专业论文）压缩机预知维护关键技术及监测系统研究.pdf

摘要 压缩机作为流程制造业的重要构成装备，其安全高效运行对流程制造业生产 经营至关重要。维护作为保障压缩机安全稳定高效运行的重要技术手段得到了学 术界和企业界的广泛关注。如何构建先进的压缩机维护策略和相应维护支撑工具 是设备维护领域的重要研究课题。本文在国家自然科学基金项目、中国石油化工 股份有限公司科技攻关项目和长沙市科技计划项目的支持下，对压缩机的非线性 故障机理、故障诊断方法、故障智能诊断技术和状态预测技术进行了深入系统地 研究，并结合背景企业典型压缩机组的预知维护需求设计开发了相应的监测系统， 主要研究工作和创新性研究成果有： 1 、在建立转子一轴承系统非线性动力学模型的基础上，通过计算机仿真，分 析了系统参数变化对系统响应形式的影响规律以及对系统响应稳定性的影响，发 现了如下规律： ， ( 1 ) 、压缩机转子一轴承系统的激励频率、偏心量和轴承支座质量对系统的分 叉与混沌运动有决定性的影响，在满足一定条件下，系统响应将出现周期运动、 概周期运动和混沌等复杂的运动形式，转子系统通向和离开混沌的途径主要有倍 周期分叉、阵发性分叉以及概周期运动； ( 2 ) 、滑动轴承的油膜力对系统的运动状态有本质影响，系统的稳态周期响应 存在着倍周期分叉和阵发性分叉等有可能使各系统的运动发生本质变化的分叉现 象，倍周期分叉和概周期运动是系统通向和离开混沌的道路之一； ( 3 ) 、从系统的分叉图可以看出，系统响应对参数的变化敏感，参数的微小变 化可能引发系统响应形式的巨大变化。 上述规律为转子系统的故障机理与特征分析提供了理论基础和依据。 2 、针对分形维数对噪声敏感的特点，提出了关联维数与e m d 降噪相结合的 转子系统故障诊断方法，通过对仿真信号的分析诊断，验证了该方法的有效性， 为压缩机松动、碰摩和松动碰摩耦合故障的诊断提供了新思路。针对广义解调时 频分析方法特别适用于处理多分量调幅一调频信号的特点，提出了基于广义解调时 频分析的压缩机齿轮故障诊断方法，通过对齿轮启动过程仿真和实验信号的分析 诊断，结果表明该方法较小波等时频分析方法能有效性地提取齿轮振动信号的调 制特征，为齿轮故障诊断提供了新方法。 3 、研究了基于案例推理的压缩机智能诊断技术，考虑到案例推理技术在智能 诊断应用中存在的案例无法共享交换与集成、推理过程不具有重用性和推理检索 方式单一等不足，设计了基于本体的案例表示方法和相应检索机制，实现了基于 案例推理的设备故障智能诊断，并以某石化企业的压缩机组为实施对象，将基于 案例推理的智能诊断技术应用于工程实践，取得了良好的应用效果。 4 、针对压缩机状态预测问题，研究提出了支持向量机与e m d 结合的状态预 测方法，该预测方法不仅适用于小样本统计机器学习，而且在预测步数较长的情 况下仍然具有很好的预测效果，具有很强的推广能力。对压缩机实际监测数据的 预测表明，该方法较单一的支持向量机预测方法在预测精度上有显著改进。 5 、以大机组的预知维护实施为目标，研究了大机组的群监测技术，该技术利 用设备机组群在结构特性、运行工况和技术参数等方面的相似性提升了设备监测 的准确性和经济性。以背景企业k 5 4 0 3 压缩机为具体监测对象，借助软件组态技 术、虚拟仪器技术和面向对象技术，设计开发了压缩机群监测系统，该系统运行 稳定、功能完善、结构可扩展性强，可有效应用于流程企业压缩机群监测。 关键词：压缩机；预知维护；非线性动力学；关联维数；经验模态分解；广义解 调时频分析；案例推理；本体；支持向量机；群监测； a b s t r a c t a sa ne s s e n t i a lc o n s i s t i n gf a c i l i t yi np r o c e s si n d u s t r y , c o m p r e s s o r ss a f ea n d e f f i c i e n to p e r a t i o np l a y sac r i t i c a lr o l ei nt h ep r o d u c t i o na n dr u n n i n gi n p r o c e s s i n d u s t r y m a i n t e n a n c e ，a sa ni m p o r t a n tt e c h n i q u em e a s u r et oe n s u r et h es a f e ，s t a b l e a n de f f i c i e n to p e r a t i o no fc o m p r e s s o r ，h a sb e e nw i d e l yc o n c e r n e db ya c a d e m i ca n d b u s i n e s sc i r c l e s h o wt oc o n s t r u c ta d v a n c e dm a i t e n a n c es t r a t e g yo fc o m p r e s s o ra n d t h ec o r r e s p o n d i n gm a i n t e n a n c e s u p p o r t i n gt o o l si sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hs u b je c t s p o n s o r e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ，s i n o p e cs c i e n t i f i ca n d t e c h n o l o g i cp r o j e c ta n ds c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp l a no fc h a n g s h a ，t h ep r e s e n tp a p e r d i dap r o f o u n da n ds y s t e m a t i cr e s e a r c ho nn o n l i n e a rf a u l tm a c h e n i s m ，f a u l td i a g n o s i s m e t h o d s ，i n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i st e c h n i q u ea n dc o n d i t i o np r e d i c t i o nt e c h n i q u e c o n s i s d e r i n gd e m a n do fp r e d i c t i v em a i n t e n a n c eo ft y p i c a lc o m p r e s s o ru n i ti nt h e c o o p e r a t i o ne n t e r p r i s e ，ac o r r e s p o n d i n gm o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d t h e m a i nr e s e a r c hw o r ka n do r i g i n a lr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa r e ： 1 b a s e do nt h ee s t a b l i s h m e n to fn o n l i n e a rd y n a m i cm o d e lo fr o t o r - b e a r i n gs y s t e m ， t h ei n f l u e n c eo fs y s t e mf e e d b a c kf o r m sa n dt h es t a b i l i t yc a u s e d b yp a r a m e t e r v a r i a t i o ni sa n a l y z e d ，w h i c hw o u l dt h a n k so fc o m p u t e rs i m u l a t i o n t h ef o l l o w i n g r u l e sh a v eb e e nr e v e a l e d ： a t h ep u m p i n gf r e q u e n c y ，e c c e n t r i cq u a n t i t ya n dq u a l i t yo fb e a r i n gs p i d e ri n c o m p r e s s o r sr o t o r b e a r i n gs y s t e mh a v ead e t e r m i n i n gi n f l u e n c eo nt h e s y s t e m sb i f u r c a t i n ga n dc h a o t i cm o t i o n i ng i v e nc o n d i t i o n s ，s y s t e mf e e d b a c k w i l lb ep e r i o d i c m o t i o n ，a p p r o x i m a t ep e r i o d i cm o t i o n ，c h a o sa n do t h e r c o m p l e xm o t i o n s t h ew a y st oa n do f fc h a o sf o rr o t o rs y s t e ma r em a i n l y p e r i o dd o u b l i n gb i f u r c a t i o n ，p o p p i n gb i f u r c a t i o na n da p p r o x i m a t ep e r i o d i c m o t i o n ； b t h eo i lm e m b r a n ef o r c eo fs l i d i n gb e a r i n gh a sa ne s s e n t i a li n f l u e n c eo nt h e s y s t e mm o t i o ns t a t u s t h e r ea r ep e r i o d d o u b l i n g b i f u r c a t i o n ，p o p p i n g b i f u r c a t i o na n do t h e rb i f u r c a t i o n s ，w h i c hm a yc h a n g et h em o t i o nn a t u r eo f e a c h s y s t e m i n s y s t e ms t e a d y s t a t ep e r i o df e e d b a c k s p e r i o dd o u b l i n g b i f u r c a t i o na n da p p r o x i m a t ep e r i o d i cm o t i o ni so n eo ft h ew a y sf o rt h es y s t e m d i r e c t i n gt oa n do f fc h a o s ； c f r o mt h es y s t e mb i f u r c a t i o nf i g u r e ，w ec a ns e et h a tt h es y s t e mf e e d b a c ki s i i i s e n s i t i v et op a r a m e t e rv a r i a t i o n at i n yp a r a m e t e rv a r i a t i o nm a ya r i s eag r e a t c h a n g ei ns y s t e mf e e d b a c kf o r m s t h ea b o v er u l e sp r o v i d et h e o r e t i c a lp r i n c i p a la n df o u n d a t i o nf o rr o t o rs y s t e m f a u l tm e c h a n i s ma n df e a t u r ea n a l y s i s a i m i n ga tt h es e n s i t i v ef e a t u r eo ff r a c t u r a ld i m e n s i o nt on o is e s ，af a u l td i a g n o s i s m e t h o df o rr o t o rs y s t e mi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r ，i nw h i c hc o r r e l a t i o nd i m e n s i o n a n de m dd e n o s i n gw e r ec o m b i n e d t h ea n a l y s i sr e s u l t sf r o ms i m u l a t i o ns i g n a l s s h o wt h ev a l i d i t yo fp r o p o s e dm e t h o d ，w h i c hp r o v i d ean e wi d e af o rt h ed i a g n o s i s o fc o m p r e s s o rl o o s e ，c o m p r e s s o rc o l l i s i o na n df r i c t i o n ，a n dc o m p r e s s o rl o o s e c o m b i n e dw i t hc o l l i o na n d f r i c t i o n a i m i n g a tt h ef e a t u r et h a tg e n e r a l d e m o d u l a t i o nt i m e f r e q u e n c ya n a l y t i c a l m e t h o di ss u i t a b l ef o r f r e q u e n c y m o d u l a t e da n da m p l i t u d e m o d u l a t e ds i g n a l so fm u l t i p l ec o m p o n e n t s ，a c o m p r e s s o rg e a rf a u l td i a g n o s i sm e t h o dw a sp u tf o r w a r db a s e do ng e n e r a l d e m o d u l a t i o nt i m ef r e q u e n c ya n a l y s i s t h ea n a l y s i sr e s u l t sf r o ms i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n ts i g n a l si ng e a rs t a r t i n gp r o c e d u r es h o wt h a tt h i sm e t h o di ss u p e r i o rt o t h a to ft h ew a v e l e tm e t h o di ne x t r a c t i n gm o d u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sf r o mg e a r v i b r a t i o ns i g n a l s ，w h i c hp r o v i d e san e wm e t h o df o rg e a rf a u l td i a g n o s i s i n t e l l i g e n tc o m p r e s s o rd i a g n o s i sb a s e do nc a s er e a s o n i n gw a ss t u d i e d ，a sw e l l c o n s i s d e i n gt h a tc a s e sf r o mc a s er e a s o n i n gt e c h n i q u e si ni n t e l l i g e n td i a g n o s i s a p p l i c a t i o nc a n n o ts h a r ea n di n t e g r a t e ，t h er e a s o n i n gp r o c e s si sn o tr e u s a b l e ， l a c k i n gi nr e a s o n i n gs e a r c h i n ga n do t h e rd i s a d v a n t a g e s ，c a s ep r e s e n t i n gm e t h o d b a s e do no n t o l o g ya n dc o r r e s p o n d i n gs e a r c h i n gm e c h a n i s mh a v eb e e nd e s i g n e d ， w h i c hr e a l i z e di n t e l l i g e n tp l a n tf a u l td i s g n o s i sb a s e do nc a s er e a s o n i n g t a k ea c o m p r e s s o ru n i tf r o mc e r t a i np e t r o lb u s i n e s sa sa no b je c t ，t h ei n t e l l i g e n td i a g n o s i s t e c h n i q u eh a sb e e na p p l i e dt or e a li n d u s t r ya n dh a sa c h i e v e df a v o r a b l er e s u l t a i m i n ga tt h ep r e d i c t i o no fc o m p r e s s o rc o n d i t i o n ，t h ep r e s e n tp a p e rp r o p o s e da c o n d i t i o np r e d i c t i o nm e t h o dt oc o m b i n es u p p o r t i n gv e c t o rm a c h i n ea n de m p i r i c a l m o d ed e c o m p o s i t i o n t h i sm e t h o dn o to n l ya p p l i e st os t a t i c t i c a lm a c h i n el e a r n i n g o fs m a l ls a m p l e s ，b u ta l s oh a sr e m a r k a b l ep r e d i c t i o nr e s u l t si nt h ec o n d i t i o no f m u l t i s t e pp r e d i c t i o n ，w h i c hi sa p p l i c a b l et ol o t so ff i e l d s t h ep r e d i c i t o no nr e a l m o n i t o r i n gd a t ao fc o m p r e s s o rs h o w st h a tt h i sm e t h o d ，c o m p a r e dw i t hs u p p o r t i n g v e c t o rm e c h i n ep r e d i c t i o nm e t h o d ，i sm u c hm o r ea c c u r a t e i no r d e rt oa c c o m p l i s ht h ep r e d i c t i v em a i n t e n a n c ea p p l i c a t i o no fp l a n tk e yu n i t s ， g r o u pm o n i t o r i n gt e c h n i q u eo fp l a n tk e yu n i t sh a sb e e ns t u d i e s m a k i n gu s eo f p l a n t u n i t s g r o u p ss i m i l a r i t y i ns t r u c t u r e f e a t u r e s ，o p e r a t i o n s i t u a t i o na n d i v 乙 王 乱 殳 t e c h n i c a l p a r a m e t e r ，t h et e c h n i q u ei m p r o v e s t h e a c c u r a c y a n de c o n o m yo f c o n d i t i o nm o n i t o r i n g t a k ek 5 4 0 3c o m p r e s s o rf r o mt h ec o o p e r a t i o ne n t e r p r i s ea s am o n i t o r i n go b j e c t ，w i t ht h eh e l po fs o f t w a r ec o n f i g u r a t i n gt e c h n i q u e ，v i r t u a l i n s t r u m e n t t e c h n i q u e ，a n do b je c t o r i e n t e dt e c h n i q u e ，ac o m p r e s s o rg r o u p m o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e da n dd e v e l o p e d t h i ss y s t e me n jo y ss t a b l e o p e r a t i o n ，c o m p l e t ef u n c t i o na n da d v a n c e ds t r u c t u r ee x p a n d a b i l i t y ，w h i c hc a nb e e f f e c t i v e l ya p p l i e dt oc o m p r e s s o rg r o u pm o n i t o r i n gs y s t e mi np r o c e s si n d u s t r y k e yw o r d s ：c o m p r e s s o r ；p r e d u c t i v em a i t e n a n c e ；n o n l i n e a rd y n a m i c s ；c o r r e l a t i o n d i m e n s i o n ；e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i n g ；g e n e r a ld e m o d u l a t i o nt i m ef r e q u e n c y a n a l y s i s ；c a s eb a s e dr e a s o n i n g ；o n t o l o g y ；s u p p o r t i n gv e c t o rm a c h i n e ；g r o u p m o n i t o r i n g v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 储獬嵋澎彳 蹶彬纠1 月o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：o 加缉t l q d 日 日期：加u 乒年i7 月z0 日 4 厶 馨 b _ j 钎一可 名名签签者师作导 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 1 1 1 设备维护的价值 设备维护作为一项经营活动，其价值可以从企业和社会两个层面加以认识， 在企业层面设备维护作为其经营的主要业务流程之一必然会对企业经营目标的实 现产生贡献，进而影响企业核心竞争力的构成；在社会层面由于设备维护影响到 安全、节能和环保等重要的社会发展因素，因而也具有重要的社会意义。 企业竞争力的核心是客户满意度，这种满意包括包括产品质量( q u a l i t y ) 、产 品采购及使用成本( c o s t ) 、交货周期( t i m e ) 和售后服务( s e r v i c e ) ，这些都是企业核 心竞争力的构成要素。通过设备维护能够延缓设备劣化、避免设备故障，进而影 响产品的质量，优化设备维护这一企业最大的单个可控制费用【1 】能够有效降低企 业的运营成本，借助设备维护确保设备正常运行和避免设备的非计划停车能够保 障既定的交货周期，而设备维护本身就是重要的售后服务构成内容，所以设备维 护是企业核心竞争力的构成要素之一，也是企业经营过程中的重要增值过程，而 不是传统维护价值观所认为的“不可避免的损失( n e c e s s a r ye v i l ) ”1 2 l 。 设备维护对社会进步的贡献主要体现在它能支持社会可持续发展，而影响社 会可持续发展的众多因素中安全、环境和能源因素是三个主要因素，设备维护对 这三个因素都有重要影响。首先设备维护是避免设备事故的关键机制，这源于7 0 左右的事故与设备维护与管理不善有关【3 】；其次，设备维护是影响企业生产经营 与其作业环境协调发展的重要因素，因而“绿色维护【4 】成为设备维护的重要工 作目标；第三，设备维护是制造业的重要节能举措，其内因在于设备维护能保证 设备以能耗最优运行状态运行。 鉴于设备维护对社会发展和企业经营的重要价值，其研究巳成为机械工程领 域和管理工程领域的研究热点，而且必将随着其价值的再认识得到更多的重视。 1 1 2 大机组维护 1 1 2 1 大机组维护在设备维护中的核心地位 所谓大机组通常是指企业生产装置中的那些投资大、功能复杂且往往难以替 代的设备机组，典型代表如大型压缩机、水轮机、汽轮机和大型风机等。作为设 备维护的工作对象之一，大机组维护在整个设备维护工作中属于难点，其困难体 现为大机组对维护的三个要求：运行保障的高可靠性、维护技能的多学科性和维 护决策的科学性。 大机组运行保障的高可靠性要求源于三个方面的原因，一是大机组的投资大， 所以一般是单台无备机，一旦停车没有备用机组或替代方案；二是大机组执行的 往往是企业的关键工艺流程，一旦停车将导致企业整个生产流程的中断，损失巨 大；三是大机组往往是高温高压和高负荷，其运行故障有可能造成灾难性的后果。 所以企业的设备维护工作首先要保障大机组的长周期稳定高效运行，这也是设备 维护工作的核心构成内容。 大机组维护技能的多学科性要求是因为大机组的构成非常复杂，通常包括机 械、液压和电气控制等多个构成部分，而且日趋精密，这类设备的维护不仅要求 企业维护人员具备多学科的知识背景，而且还需要有先进的维护管理工具( 如大机 组的状态监测系统、设备巡检的辅助管理系统和维护资源管理系统等) 来支持，唯 此才有可能实现大机组维护的规范管理和高效执行。 大机组维护决策的科学性要求是指其维护决策要兼顾可靠性和经济性，由于 大机组的维护归根结底仍然是企业的一项经营性活动，所以它必然要服从并服务 予企业的经营目标一一利润，故而大机组的维护决策科学性可以描述为保障机组 运行可靠性条件下的经济性最优。 正是由于大机组维护工作的上述要求，使得其始终是设备维护研究工作关注 的焦点。 1 1 2 2 大型压缩机的设备维护现状 压缩机是一种工业生产中广泛使用的关键机械设备，它依靠在气缸内作往复 运动的活塞或作旋转运转的转子作用，使吸入气体的体积缩小而提高压力，以满 足生产需要。大型压缩机是大机组的典型代表，具备投资大、功能复杂和无备机 的大机组特征。大型压缩机的结构通常都比较复杂，包含机械、电气和液压等多 个部分，且日益朝着大型化、复杂化、高载荷和自动化的方向发展。压缩机在制 造领域的应用十分广泛，就石化行业而言其大型装置普遍采用压缩机做动力，以 适应大流量、长期连续运转等生产要求，由于数量庞大和管理手段相对落后，压 缩机安全事故频频发生，不仅造成巨大的经济损失( 如大化肥装置停车一天，产值 损失在2 0 0 万元以上) ，更造成爆炸和人员伤亡等恶性事故【5 】。鉴于压缩机是大机 组的典型代表和压缩机应用的广泛性，以其为具体对象展开大机组的维护改进研 究就具有很好的普遍意义和重要的应用价值，因而压缩机的维护改进研究也是大 机组维护研究中的重要内容。 鉴于压缩机在生产经营中的重要性，当前的企业对其设备维护工作都给与高 度重视，普遍将压缩机组尤其是大型压缩机组定为特护设备并实施在线监测以支 持其状态维护，基本实现了定人、定点、定量、定周期、定判定标准、定记录和 定工作流程的压缩机管理。但由于大型压缩机维护工作的复杂性、企业设备维护 部门的改制和相应支撑工具的缺乏，大型压缩机的维护工作尚存在如下的几点不 足： 1 、压缩机在线监测的实施成本高，影响了状态维护策略的实施范围。这种高 成本源于两个方面的原因，一是在线监测系统本身的设计、开发和投用费用高； 二是随着企业的设备更新和技术改造，使设备构成始终处于动态变化中，应对这 种动态变化也提升了在线监测系统的维护和改进成本。 2 、压缩机运行状态辨识困难，影响了维护决策的科学性。这种困难源于三个 方面的原因，一是压缩机的故障机理研究尚不充分，这一点在非线性故障机理的 研究方面表现得更为充分；二是诊断分析方法有待进一步改进和完善，以便高效 准确地对机组故障分类和定位；三是现有机组状态评估工具使用要求高，需要借 助知识共享和人工智能等技术改善其易用性。 3 、压缩机的维护策略总体上处于被动处理的状态，对压缩机运行状态的预测 关注程度不够。 1 2 压缩机维护研究进展 当前压缩机维护的改进研究主要围绕上述不足，整体目标是高效低成本地实 现压缩机运行状态的准确评估，以预测研究推进压缩机预知维护的开展。 1 2 1 压缩机转子系统故障的非线性动力学研究 转子系统是压缩机的核心部件，也是压缩机故障机理研究的关键对象。由于 作用在转子系统上的油膜力、密封力和气流激振力等激励源往往具有非线性的特 征，所以转子系统的诸多故障( 如裂纹、基础松动和碰摩故障) 也表现出很强的非 线性特性，需要用非线性理论来研究其动力学问题【6 】。转子系统故障的非线性动 力学主要是求解多种故障工况下的动态响应，分析系统参数变化对系统响应形式 的影响规律以及对系统响应稳定性的影响，研究稳态响应及其稳定性随系统参数 变化的演化规律以及引起的分叉与混沌行为特性等。 转子系统非线性动力学的研究始于5 0 年代，近2 0 年来随着非线性科学、应用 力学及计算机技术的发展，转子系统非线性动力学取得了迅速发展。非线性转子 动力学问题的研究通常可采用定性研究、定量研究和实验研究三种方法，由于转 子动力学问题具有多自由度、强耦合和强非线性等特点，因而需要三种方法的结 厶【7 】 口 。 随着非线性动力学理论的发展，非线性转子动力学理论和方法得到了广泛应 用【跏9 1 ，在大型汽轮发电机组的低频振动分量及其失稳条件【1 0 】、大型滑动轴承中 的油膜涡动、转子裂纹的诊断、弹性结构的颤振、船舶在横浪或纵浪作用下的操 纵稳定性和倾覆机理、高速列车行驶稳定性等问题的研究中得到成功应用。针对 轴承油膜力引起的分叉与混沌问题基本摸清了分叉响应的特点和进入混沌的道路 形式，出版和发表了相关专著和文献。 通过研究人们认识到非线性油膜力对转子的非线性行为影响最大，而且随着 旋转机械设计趋于高速化、轻结构和柔性化，以小扰动为前提的线性油膜力模型 己不再适用，所以从8 0 年代起人们开始关注转子的非线性油膜失稳问题，这构成 了非线性转子动力学的重要研究内容【l 卜1 4 】。当前对非线性油膜力的研究还存在三 个方面的不足：一是对等效力学模型的研究还不够；二是普遍在推导转子运动微 分方程时对油膜力模型作了简化；三是分析中选取的参数较工程实际相差甚远， 大大超出国标规定的范围。上述不足影响了相关研究成果对工程实践的指导意义。 松动和碰摩故障是压缩机转子系统的常见故障，目前对于松动故障的研究都 是基于分段线性的力学模型，其研究成果较为丰富，闻邦椿等【15 j 采用谐波平衡法分 析得到了支承间隙系统的等效刚度。g o l d m a n 等6 j 对具有支座松动故障、转子同 频、倍频及分频振动进行了分析研究。段吉安等【l 7 】考虑当发生松动故障时系统受 到的周期性冲击作用，建立了松动故障的非线性力学模型，并分析了冲击作用对 系统的影响。褚福磊等【1 8 】应用现代非线性动力学理论，分析了带有一端支座松动 故障的简单转子轴承系统的复杂运动现象，讨论了转速变化时系统的多种形式的 周期、拟周期和混沌运动，指出这类系统的某些周期运动的映射点结构具有慢变 的特性。廖明夫等【19 】利用进动分析方法，通过比较进动比函数在较大转速范围内 的明显变化对支座松动故障进行了诊断研究，并通过实验验证了这种分析方法的 有效性。当前针对碰摩故障的研究主要集中在如下几个方面：一是采用基于轴承 间隙的碰摩模型进行理论与数值分析【2 肌2 l 】；二是采用直接数学积分法研究碰摩时 的非线性振动行为与特征【2 2 2 3 】；三是从故障诊断的角度分析各种非线性现象所表 现的特征【2 4 】；四是碰摩故障的检测、测试与实验研究【25 1 。旋转机械的动静件碰摩 所表现的现象是一个极为复杂的演变过程，当前的研究多集中在固定转速时的稳 态或暂态运动的研究上【2 引，而针对碰摩非稳态特性的研究较少；另一方面对碰摩 故障的类型及其振动特征的了解尚不全面，特别是对碰摩过程中的分叉与混沌行 为的认识也不十分清楚。着眼于高速旋转机械的预知维护有必要进一步深入研究 具有各种非线性特征的转子系统在碰摩过程中的振动特征及分叉与混沌现象。 相对于单一的松动和碰摩故障，工程实践中松动一碰摩的耦合故障更为普遍， 且耦合故障转子的动力学行为较单一故障转子更加复杂，其动力学特性和故障机 理研究也较少。李振平1 2 7 1 采用短轴承油膜力模型对含有松动、裂纹和碰摩等多重 故障转子系统的动力学行为及其故障机理进行了深入研究，其结论为耦合故障转 子的故障诊断提供了依据。刘元峰 2 8 - 2 9 】以具有支承松动的j e f f c o t t 转子为研究对 象，并考虑到转子系统转子和定子问的碰摩现象，分析了支承松动和碰摩对转子 系统刚度的影响，建立了转子系统振动微分方程，并用数值方法分析了系统的分 叉与混沌等非线性动力学特性。张韬【3 0 】研究了有挤压油膜阻尼器、转子与静子碰 摩和转轴上的横向裂纹等多种非线性因素作用下的转子系统故障的非线性特性， 发现了三种通向混沌的道路：阵发性通向混沌、倍周期分叉通向混沌和拟周期通 向混沌的道路。耦合故障转子机理研究及其故障诊断既是转子动力学研究的热点， 同时也是难点。 1 2 2 齿轮故障诊断研究 齿轮故障诊断的关键是从齿轮故障振动信号中提取故障特征，但齿轮故障振 动信号往往表现为非平稳特征，对这类信号傅里叶变换只能分别给出信号在时域 或频域的统计平均结果，无法同时兼顾信号在时域和频域中的全貌和局部化特征， 而这些局部化特征恰是齿轮故障的表现。窗口傅里叶变换可以同时提供振动信号 的时域和频域信息，被广泛地用来处理瞬态和非平稳信号 3 0 - 3 2 】，在旋转机械故障 诊断中应用较多。如张绪省等人把窗口傅里叶变换用于冲击信号的分析，用该方 法来获得冲击信号的发生时刻【3 3 】；文献【3 4 ，3 5 】采用移动窗分别实现滚动球轴承 和齿轮箱的故障诊断；林京和屈梁生采用窗口傅里叶变换得到信号的时频分布， 然后建立时频熵识别齿轮裂纹故障【3 6 】。然而，窗口傅里叶变换的窗口大小是固定 的，时间分辨率与频率分辨率不可能同时小，不能满足多尺度信号的分析要求。 窗口傅里叶变换通过对信号的分段截取来处理时变信号，是基于对所截取的每一 段信号认为是线性和平稳的假设。因此，严格地说，窗口傅里叶变换是一种平稳 信号分析方法，只适用于对缓变信号的分析。 为了更好地描述非平稳信号幅频特性随时间的变化情况，国内外学者研究了 直接用信号的时频二维分布对信号进行描述。应用于旋转机械故障诊断的二次型 时频分布主要是w i g n e r 分布。二十世纪八十年代，自c l a a s e n 和m e c k l e n b r a u k e r 首次介绍w i g n e r 分布的离散算法【3 7 3 9 】以后，w i g n e r 分布在信号探测和故障诊断 中得到广泛应用 4 0 4 4 】，如w a n g 将加权的w i g n e r 分布用于提取齿轮振动信号的特 征【4 5 】；文献【4 6 将w i g n e r 分布与基于统计和神经网络的模式识别方法相结合应用 于齿轮箱的故障诊断。在国内也开展了相关的研究工作，并取得了一些成果【4 ，州j 。 邵忍平等采用w i g n e r 分布进行齿轮系统的时频识别，并与a r m a 法和h i l b e r t 法 进行了比较【4 9 】；张金玉等人基于小波包对时变信号的多分辨率分解和重构能力以 及c o n e 时频分布对信号的优良描述特性，发展了基于小波包的时频分析方法， 并用来提取振动信号中的冲击特征【50 1 。然而，由于w i g n e r 分布采用了双线性变 换而不是线性变换，因此对于多分量信号会产生严重的交叉项【5 ，从而有虚假频 率产生，影响了对非平稳、非线性信号的精确分析。 小波分析方法具有可变的时频窗口，使其既能对非平稳信号中的短时高频成 分进行定位，又可以对低频成分进行分析，因此，小波分析被广泛地应用于非平 稳信号的分析【5 2 5 4 1 。近年来小波分析在齿轮故障诊断领域获得了广泛地应用。徐 科等人利用连续小波变换对齿轮振动信号进行分析，发现当齿轮出现局部缺陷时， 振动信号幅值会产生突变【5 5 】；而w a n g 和m c f a d d e n 同时采用离散和连续小波变 换来提取早期齿轮故障引起的非正常瞬态特征【56 。，w a n g 还采用时间频率尺度小 波图探测不同的机械系统瞬态现象【57 1 。有的学者还采用特殊的小波基函数对振动 信号进行分析，如文献【5 8 采用复小波对齿轮箱振动信号进行分析，可以得到幅 值和相位小波谱，并从中提取故障特征；在齿轮故障诊断中，为了更好地对故障 齿定位，文献 5 9 采用极坐标的方法表示小波谱。文献 6 0 在利用小波变换提取齿 轮振动信号的故障特征时，发现对信号做时域同步平均处理后再进行小波变换， 可以取得更好的效果，并将这种方法与其它方法的有效性进行了对比。也可以对 振动信号进行小波分析后再用其它的信号处理方法提取特征，如王志刚等对齿轮 箱振动信号进行小波分解后，再作小波系数的a r 谱，可以有效地用于齿轮和轴 承的故障诊断【6 i j ；文献 6 2 将小波分析和自相关技术相结合以有效地提取直升机 齿轮箱振动信号的特征频率，而且该方法还适合于在线监测；文献 6 3 】首先采用 d 4 小波将振动信号进行小波变换，选择大于某个阈值的小波系数作为特征向量， 输入b p 神经网络，然后识别齿轮和滚动轴承是否具有故障；文献 6 4 将振动信号 进行小波变换得到离散时间尺度谱，进一步计算振动信号的瞬时尺度分布，采用 多层神经网络对齿轮故障分类。 虽然小波分析能同时提供振动信号的时域和频域的局部化信息，具有多尺度 特性和“数学显微”特性，这些特性使得小波分析能识别振动信号中的突变成份。 但是，小波分析本质上是可调窗口傅里叶变换【6 5 , 6 6 】，它虽然具有可变的时频窗1 2 ， 但是和窗口傅里叶变换一样是对时频平面的矩形分割，即将时频平面划分为若干 个平行时间坐标轴的时频块，然而在时频平面中齿轮故障振动信号的能量随着时 间和频率的分布并不是平行于时间坐标轴的直线，而且各个分量的频带相互重叠， 对这类信号，如果采用窗口傅里叶变换和小波变换这类对时频平面进行矩形划分 的方法进行分析，则会对某些分量的时频分布进行人为的分割，势必造成分解过 程存在许多截断和分量之间的混合畸变，显然这样的分析方法不是最合适的。本 文将针对这一问题提出有效的解决方法。 1 2 3 压缩机故障智能诊断研究 随着技术的发展，国内外许多学者纷