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开题报告

机械工程学院

毕业设计（论文）开题报告

毕业设计（论文）题目：

一种多支承转子试验台的设计

学生姓名：

　李冬

指导教师姓名：

庞新宇

专业：

机械测控专业

2012年4月10日

1.课题名称：

一种多支承转子试验台的设计

2.课题研究背景：

随着现代化生产的发展和科学技术的进步，设备的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度也越来越高。

由于许许多多无法避免的因素的影响，有时设备会出现各种各样，以致降低或失去预定的功能，甚至造成严重的以致灾难性的事故，国内外曾经发生的各种空难、海难、爆炸、断裂、倒塌、毁坏、泄露等恶性事故，造成了人员伤亡，产生了严重的社会影响；即使是经常生产中的事故，也因生产过程不能正常运行或机器设备损坏而造成巨大的经济损失。

严重的灾难性事故触目惊心，不但造成巨大的经济损失，而且造成很大的人员伤亡和环境污染，在社会上引起了强烈的反响，例如美国三里岛核电站和前苏联切尔诺贝利合反应堆的核泄露曾引起对核电站安全性的争议，对核能的发展产生了影响；美国挑战者号航天飞机失事使美国航天事业的发展一度陷于停顿，都是对整整一个产业的打击。

还有其他许多事故也是严重的，如1972年日本关西电力公司南海电厂3号机组——600MW汽轮发点机组因振动引起严重的断轴毁机事故，我国1985年大同电厂和1988年秦岭电厂的200MW汽轮发电机组的严重断轴毁机亡事故，都造成了巨大的经济损失。

因此保证设备的安全运行，消除事故，是十分迫切的问题。

现代设备运行的安全性与可靠性取决于两个方面，一是设备设计与制造的各项技术指标的实现，为此设计中要采用可靠性设计方法，要有提高安全性的措施；二是设备安装、运行、管理、维修和诊断措施。

现在，诊断技术、修复技术和润滑技术已列为我国设备管理和维修工作的三项基础技术，成为推进设备管理现代化，保证设备安全可靠运行的重要手段。

设备故障诊断的目的是：

能及时地、正确地对各种异常状态或故障状态做出诊断，预防或消除故障，对设备的运行进行必要的指导，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，以期把故障损失降低到最低水平。

保证设备发挥最大的设计能力，制定合理的检查维修制度，以便在允许的条件下，充分挖掘设备潜力，延长服役期限和使用寿命，降低设备全寿命周期费用。

通过检测监视、故障分析、性能评估等，为设备结构修改、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息。

机械故障诊断是新近发展起来的一门综合性边缘学科。

一方面，随着现代设备的日益大型化，复杂化，自动化和连续化，设备一旦发生故障，给生产和质量以及人们的生命安全财产造成的影响往往大的难以估计，为使设备保持正常运行状态所花的维修费用在企业经营费用中占了很大的比重，因此，为使这一占有重要地位的设备维修工作变得更加高效而科学，就必须对维修对象-设备的劣化，故障状态，故障部位及其原因有正确的了解；另一方面，信息传感技术，信号处理技术以及现代测试技术等相关学科的发展，特别是电子计算机技术的飞速发展，为设备故障诊断提供了极大的技术支持，从而使上述需要成为可能。

经过各国专家，学者以及广大工程技术人员多年来的共同努力，机械故障诊断无论是在广度还是在深度方面都得到了较大的发展，新的理论不断产生，诊断技术也不断的完善，机械故障诊断学日趋科学化，实用化，目前，已基本形成了振动诊断技术，油液分析技术，温度监测技术以及无损探伤技术为主要技术手段的局面。

另外就诊断方法来说除了参数，单一故障的技术诊断外，目前多参量，多故障的综合诊断已兴起，人工智能的研究成果为机械故障诊断注入了新的活力，故障诊断的专家系统不仅在理论上得到了相当的发展，而且国外已有许多成功的应用事例，国内也有许多单位积极从事这方面的探索研究，并取得了一定的进展。

于此同时，人工智能的另一个重要的分支—人工神经网络的研究也逐步渗透到机械故障诊断领域，并已成为机械故障诊断领域的一个最新研究热点，但目前还多处在实验室研究室研究阶段，应用成功的事例还不多。

最近又有人探索将人工神经网络与传统的专家系统结合起来，建造神经网络专家系统。

初步的研究成果表明，这种新型的专家系统能较好的克服传统的专家系统和人工神经网络各自独立的缺陷而具有很多的优势。

就应用领域而言，故障诊断技术已经在旋转机械，往复机械，各种流程工业，机加工过程和各种基础零部件的故障诊断方面获得了应用，这其中以旋转机械的故障诊断应用最广，最为成熟，而往复机械的故障诊断目前还多集中在发动机的振动监测。

在机械故障诊断的方法中，振动诊断技术由于有理论基础雄厚，分析测试设备完善，诊断结果准确可靠，便于实时诊断等诸多优点而在机械故障诊断的整个技术体系中居主导地位。

其不足之处在于因振动涉及信息传感，振动测试，信号管理等诸多领域，因而对设备诊断技术人员的要求较高。

此外，振动诊断技术的另一个特点是部位敏感性。

工程实际中存在着大量的振动问题，零件原始制造误差，运动零部件间的见习和摩擦或者回转部件中不平衡力的存在都会引起振动。

而且，随着零件的磨损，零件表面产生的剥落，裂痕等损伤会使振动进一步加剧。

总之，大量的生产实践经验表明，机械设备的振动与其运行状态之间有着密切的关系，这就为震动技术应用于故障诊断技术提供了可能性。

所谓振动诊断，就是以系统在某种激励下的振动响应作为诊断信息的来源，通过对所测的得振动参量（振动位移，速度，加速度）进行各种分析处理，并以此为基础，借助一定的识别策略，对机械设备的运行状态做出判断，进而对于诊断有故障的机械给出故障部位，故障程度以及故障原因等方面的信息。

振动诊断还包括对环境的预测，即在已知输出和系统特性的前提下研究输入，如噪声源定位等。

由于振动诊断具有诊断结果准确便于实时诊断等诸多优点而收到人们的普遍关注，在机械故障诊断的整个技术体系中居于主导地位，目前已广泛地应用于各种机械设备（包括往复式和旋转式机械）的简易诊断和精密诊断。

为了更好的应用这一技术为生产实践服务，有必要对与之相关的知识进行较全面的了解。

3.课题研究意义：

由多个活动轴承支承的高速支承的高速转子是大型旋转机械的核心部件，广泛应用于电力，核能，机械，石化，航天等部门。

近年来，这类机组在运行中经常出现故障，不稳定因素随时存在。

这类设备多跨系同过不同类型的联轴器连接，共同支承在多个不同类型的滑动轴承上，构成典型的多支承轴承-转子超静定系统。

与单跨轴承转子系统相比,多支承转子系统的动力学特性更为复杂，对此类机组进行研究分析，不仅要掌握系统的单跨特性，还必须解决多支承系统特有的重要问题。

（1）有多滑动轴承支承所引起的静不定系统轴承负荷分配问题。

多支承转子轴承系统轴承负荷发生变化将引起转子系统的剧烈振动，导致重大事故的发生。

（2）多跨系统各跨转子之间的耦合效应。

多支承轴承-转子系统各跨转子之间通过联轴器耦合后，系统的负荷分配，固有频率，稳定性等均发生不同程度的改变。

（3）多支承轴承-转子系统稳定性分析。

本实验台的主要功能是实现多支承子轴承系统振动监测和机械故障诊断。

利用多传感器信息融合技术，对表征机组运行的状态的关键参数（振动，载荷分配）进行监测，并进行机组运行状态估计，为轴系稳定性控制和故障识别及预防提供定性的理论依据。

（1）通过大量阅读相关文献，学习相关理论知识并且深入实际调查研究培养了自己进行综合分析和提高解决实际问题的能力，从而达到巩固、扩大、深化所学知识的目的。

2）通过机构设计，零件的设计，以及标准件的选择，传感器的选用，以及装配图，零件图的绘制，熟悉有关技术政策，运用国家标准、规范、手册、图册等工具书，进行设计计算、数据处理、编写技术文件的独立工作能力。

3）通过独立的机构设计，综合分析机械结构，测试系统的关系，最终完成整个设计完成设计任务，使自己建立正确的设计思想；初步掌握解决本专业工程技术问题的方法和手段；从而使自己受到一次工程师的基本训练。

4.文献查阅概况

（1）多支承转子-轴承系统试验台动力学设计，席文奎（太原理工大学机械工程学院），杨兆建（太原理工大学机械工程学院），梁群龙（太原理工大学机械工程学院）

摘要：

为实现多支承轴承-转子系统振动监测和机械设备故障诊断，设计研制了一台模拟大型旋转机械动力特性的多支承轴承-转子试验台，采用有限元算法，经过系统动力学设计计算好理论分析，表明本试验台具有良好的动力学特性和足够的稳定性裕度，能够进行多种转子动力实验研究，具备机组机械振动监测，故障模拟，轴承负荷在线监测等多项功能。

（2）高速转轴的空间进动及振动特性研究，韩级捷（郑州大学振动工程研究所），石来德（同济大学机械工程学院）

摘要：

探讨了受水平，垂直和轴向振动下高速转子的进动与振动特征，建立了基于转子回转特征的振动矢量强度概念，定义了主振矢，副振矢等回转评价参量；导出了几种基于复合信号的简洁计算公式；考虑轴向激励时高速转子的空间回转特性与平面回转特性有很多相同之处，各谐波下的空间换转轨迹为一平面椭圆，且最大振动矢量在该椭圆的长轴方向，各评价参量均可以由较为简洁的数值计算给出，这对于全方位探讨旋转机械的回转特性及故障诊断具有十分重要的工程意义。

（3）工程机械智能故障诊断技术的研究现状及发转趋势，龚雪（安徽建筑工业学院）

摘要：

随着工程机械的日益复杂化和智能化，传统的故障诊断技术难以满足复杂系统的故障诊断要求，因此智能故障诊断技术得到更广泛的应用。

介绍我国的工程机械研究现状，并阐述工程机械现代智能故障诊断的方法，在此基础上提出工程诊断技术的发展趋势及需要进一步研究的问题。

（4）转子-轴承系统裂纹-碰摩耦合故障的非线性特性研究,罗跃纲（大连民族学院机电与控制工程研究所），张松鹤（东北大学机械工程与自动化学院），闻邦椿（东北大学机械工程与自动化学院）

摘要：

研究了带有裂纹和碰摩耦合故障的弹性转子系统的复杂运动，在同时考虑轴承油膜力和碰摩发生时的动力学模型，针对短轴承油膜力和裂纹-碰摩转子系统的强非线性特点，本文用Runge-Kutta法对转子-轴承系统由裂纹和碰摩耦合故障导致的非线性动力学进行了数值仿真研究，发现该类系统在运行过程中存在着周期运动，拟周期运动和混沌运动等丰富的非线性现象，研究结果为转子-轴承系统故障诊断，动态设计和安全运行提供了理论参考。

（5）故障诊断监测系统的原理与设计，任沙浦（绍兴文理学院）

摘要：

本文讨论了转轴系统的故障诊断理论和相应的监测系统的设计；介绍了对调相信号的调解和相位调剂信号的提取；研究了单片机和微机监测系统的数据监测，系统抗干扰及数据通讯中的一些问题。

（6）基于多传感器数据融合的只能故障诊断系统，许冬芳（华南理工大学自动化学院），邓飞其（华南理工大学自动化学院）

摘要：

多传感器数据融合的典型应用事例就是过程监测和故障诊断，它是智能故障诊断系统中的最基本，最有效的信息处理工具；而智能故障诊断系统通常都是在多传感器数据融合的基础上进行的综合诊断。

研究了许多传感器信息融合系统的层次结构和融合策略，改进了单一D-S证据理论的融合方法；在分析了多传感器数据融合技术和智能故障诊断系统要求后将两项技术进行了有机的结合，最后提出了一种新的基于多传感器数据融合的智能故障诊断系统的结构框架。

（7）转轴故障诊断的频谱分析和监测系统的研究，李梅（绍兴文理学院机电系）

摘要：

介绍了转轴故障自动监测的频谱分析方法和系统研制，分析了转轴传动信息传递规律，并根据转轴振动频谱，对转轴的裂纹进行故障诊断。

（8）转轴故障诊断与监测，王杨斌（绍兴特种设备检测院）

摘要：

讨论了转轴系统的故障诊断原理和相应监测系统的设计；介绍了对调相信号的解调和相位调制信号的提取；研究了PLC和微机监测系统的数据监测，系统抗干扰及数据通讯中的一些问题。

（9）双跨转子轴承系统耦合实验研究，赵荣珍（西安交通大学润滑理论及轴承研究所），张优云（西安交通大学润滑理论及轴承研究所），孟凡明（西安交通大学润滑理论及轴承研究所）

摘要：

在多功能转子试验台上，对具有双跨度，三个圆柱滑动轴承支承的多圆盘弹性转子轴承系统不同位置的振动信号进行分析。

通过对位移信号的快速FFT变换，分析了系统振动信号的基本特征，研究了双侧转子对中间轴颈振动的影响；用信号能量和信号功率指标分析了转子弹性能的分布。

结果表明；中间轴承相对于系统承受最大的模值，同时该轴颈的振动信号包容了系统振动的所有信息，反映了双跨间耦合对中间轴承的作用；振动信号的能量和功率指标验证了上述结论。

（10）旋转机械故障诊断方法概述，戴其兵（东南大学火电机组振动国家工程研究中心），傅行军（东南大学火电机组振动国家工程研究中心）

摘要：

文章概述了旋转机械故障诊断的基本方法和国内外的先进技术，分别阐述了各方法的基本原理，优缺点及典型应用，展望了故障诊断技术的发展趋势和前景）

（11）旋转机械故障诊断研究现状，丁涛（陕西科技大学机电工程学院），王芳（陕西科技大学机电工程学院），任工昌（陕西科技大学机电工程学院）

摘要：

对旋转机械故障产生的机理，特征提取，装置的开发与研究，分别进行了阐述。

并对旋转机械故障诊断的人工智能专家系统，模式识别技术，分形理论，数据挖掘方法，信息融合技术的研究现状进行了综述。

（12）旋转机械故障诊断技术的现状与展望，夏松波（哈尔滨工业大学），张嘉钟（哈尔滨工业大学），徐世昌（哈尔滨工业大学），张礼勇（哈尔滨电工仪表研究所）

摘要：

介绍了旋转机械在振动故障诊断方面的国内外现状。

内容包括：

故障机理的研究，故障信息处理技术的研究，故障诊断专家的研究及有关诊断系统的开发现状，并对今后发展方向进行了阐述。

（13）基于混沌的旋转机械故障诊断，王凤利（大连理工大学机械工程学院），马孝江（大连理工大学机械工程学院）

摘要：

研究了Duffing方程解的特性，应用分形维数来识别混沌运动及其分岔参数，说明混沌振子的非平衡相变对微弱信号的敏感性和噪声的免疫力，通过对混沌振子由混沌运动到大周期运动的相变识别可对旋转机械早期不对中故障信号进行检测和诊断，为工程实际中旋转机械的早期故障诊断提供有效的依据。

（14）神经网络在旋转机械故障诊断中的应用，苏剑飞（中北大学），赵捍东（中北大学）

摘要：

本文介绍了神经网络技术的基本原理及在旋转机械故障诊断中的应用步骤，并通过MATLAB对BP神经网络的故障诊断模拟进行了仿真，结果表明，此方法比传统方法有更好的诊断准确性.

（15）《Diagnosisofelectricalandmechanicalfaultsofinductionmotor》，H,Nakamura,.Ergin，（2006AnnualReportConferenceonElectricalInsulationandDielectricPhenomenon）

Abstract:

ThispaperproposesanewmethodforfaultdiagnosisofinductionmotorsbasedonHiddenMarkovModel,whichiswidelyusedinthefieldofspeechrecognition.Inordertocarryoutpatternrecognition,currentwaveformsrunninginstatorwindingareanalyzedformotorswithshortcircuitfaultinstatorwindingsorwithbrokenrotorbars.Frequencyspectrumofcurrentarealsoinvestigated.Theusefulnessoftheproposeddiagnosismethodisverifiedthroughpatternrecognitionsforarbitrarycurrentwaveformsobtainedbyexperiments.

（16）《InductionMotorFaultDiagnosisBasedOnNeuropredictorsandWaveletSignalProcessing》,KyusungKim,（IEEETRANSACTIONSONMECHATRONICS.VOL.7NO.2.JUNE.2002）

Abstract:

Earlydetectionanddiagnosisofincipientfaultsisdesirableforonlineconditionassessment,productqualityassuranceandimprovedoperationalefficiencyofinductionmotorsrunningoffpowersupplymains.Inthispaper,amodel-basedfaultdiagnosissystemisdevelopedforinductionmotors,usingrecurrentdynamicneuralnetworksfortransientresponsepredictionandmulti-resolutionsignalprocessingfornonstationarysignalfeatureextraction.Inadditiontonameplateinformationrequiredfortheinitialsetup,theproposeddiagnosissystemusesmeasuredmotorterminalcurrentsandvoltages,andmotorspeed.Theeffectiveness

ofthediagnosissystemisdemonstratedthroughstagedmotorfaultsofelectricalandmechanicalorigin.Thedevelopedsystemisscalabletodifferentpowerratingsandithasbeensuccessfullydemonstratedwithdatafrom2.2-,373-,and597-kWinduction

motors.Incrementaltuningisusedtoadaptthediagnosissystemduringcommissioningonanewmotor,significantlyreducingthesystemdevelopmenttime.

（17）《ModelingofaHighSpeedRotorTestRigWithActiveMagneticBearing》,GuoxinLi（JournalofVibrationandAcoustics）

Abstract:

Thispaperreportsonthemodelingandexperimentalidentificationofahighspeedrotor-magneticbearingtestrig.Anaccuratenominalmodelandanuncertaintyofanalyticalmodeling,modelupdating,andidentificationisemployedforeachsystemcomponentandforthesystemasawhole.Thisapproachtakesadvantageoftherotorandthemagneticbearingandinput/outputmodelingmethods.Analyticalmodelsoftherotorandthemagneticbearingsarefirstdevelopedfromphysicallawsandrefinedbycomparisonwiththeexperimentaldata.Thesubstructuremodelisdirectlyidentifiedfromtheexperimentaldatabyastructuredidentificationapproach.Modelsoftheelectronicsystems,suchasthefilters,amplifiers,sensors,anddigitalcontroller,aredevelopedthroughexperimentalidentification.Thesecomponentmodelsarethenassembledtoobtaintheoverallsystemmodel.Closed-looptestsareconductedtoidentifyparametersinthemodel.AdvancedcontroltechniquesbasedonHcontrolandμsynthesisaredevelopedandsuccessfullyimplementedonthetestrig,whichfurthervalidatesthemodel.

5.设计（论文）的主要内容

1.转子系统模拟试验台的整体结构设计；

2．各零件的设计：

包括质量盘，轴，联轴器，轴承及轴承座；

3.润滑系统的设计；

4.测试系统的设计；

5.材料选择，尺寸计算，受力分析；

6.对系统中不同传感器的安装，信号调理进行设计；

7.转子系统的安装，故障及预防措施；

8.计算转子的临界转速。

7.进度安排

第四周查阅文献，收集资料；

第五周阅读文献，翻译外文资料；

第六周编制开题报告；

第七周总体机械结构方案的确定；

第八周各零件的设计包括质量盘，轴，联轴器；

第九周各零件的设计包括轴承及轴承座；

第十周润滑系统的设计；

第十一周测定系统的设计包括传感器的选型与监测量的确定；

第十二周材料选择，尺寸计算；

第十三周受力分析，力学模型的建立；

第十四周对系统中不同传感器的安装，信号调理进行设计；

第十五周通过实验得到系统典型故障的信号输出图；

第十六周整理说明书；

第十七周编写设计计算说明书，形成毕业设计全部文件，准备答辩。

第十八周毕业答辩

8.指导教师意见

签名：

年月日

说明：

斜体字为说明部分或例子，开题报告共8大部分。