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开题报告

北京信息科技大学

硕士学位论文选题报告

选题名称双跨齿轮转子轴承系统耦合故障的机理研究

姓名孔德超

专业、年级机械设计及理论研1002班

指导教师栾忠权教授

协助指导教师马超

报告日期2012-1

填表说明

1.应根据表中所提出的要求作开题报告，听取意见修改后，方可填写此表。

2.封面“指导教师”一栏仅限正式指导教师，“协助指导教师”限在研究生部正式备案的协助指导教师。

3.本表一式三份，经评议组及学科（专业）所在分委会批准后，本人、各分委会和研究生部各持一份。

4.选题报告（连同评分附表）在第三学期末，由所在学科（专业）分委员会签署意见后，统一交研究生部备案。

一、选题背景和立论依据

1.选题背景（课题来源）

北京市教委科技面上项目

2.文献综述（包括选题依据和国内外研究现状、发展动态、课题研究目的、意义等，可加附页，应不少于3000字）

（1）选题依据

随着科学技术的进步和现代工业的发展，旋转机械（如汽轮机、离心压缩机、通风机、轧机、机床等）作为一种含有回转运动部件的机械设备，其在电力、能源、交通、国防和化工等领域中发挥着越来越重要的作用，因此，在实际工程中，旋转机械的安全性和无故障性对工业的安全生产起到了重要保障，而作为旋转机械最为核心的部件齿轮-转子-轴承系统，由于材料性能、技术和设计等原因，该系统常常出现各种不同形式的故障而影响机器正常且有效的运行，有时甚至引发严重的事故，导致重大的损失。

如1956年3月18日，美国匹兹堡电站，GE公司生产的169MVA发电机组在进行超速实验时，发电机转子发生断裂[?

?

]；1969年到1970年，美国某电站，西屋公司制造的六号机组，低压缸末级（第23级）扭叶片两次发生叶根大量断裂事故；1972年，日本海南电厂的一台600MW汽轮发电机组在试运行过程中，发生异常振动，长达51米的主轴断裂飞逸，整台机组全部破坏；1986年4月，前苏联切尔诺贝利核电站四号机组发生严重振动导致核泄漏，致使2000人死亡，经济损失高达几十亿美元。

进入八十年代以后，我国投运的大容量机组也曾发生过多起断轴和其他严重事故，如1985年，山西大同第二热电厂，一台国产200MW汽轮发电机组在移交电厂投运十个月后，发生断轴事故；山西神头电厂在汽轮机快控汽门时，发生了苏制200MW汽轮机组高、中压缸转子一号对轮的十一只连接螺栓不同程度断裂的严重事故；1988年2月，陕西秦岭电厂，一台国产200MW汽轮发电机组在移交电厂投运两年后，由于油膜失稳导致轴系失稳，轴系断为十三段。

全国各电网中在役大机组因出现振动故障而影响电力生产的事故亦是时有发生，比如在1988年10月，北仑电厂一号600MW东芝机组发生高压缸叶片断裂重大事故，直接经济损失2400万人民币。

因此为了安全生产和避免不必要的经济损失，对旋转机械中的齿轮-转子-轴承系统的故障诊断就显得尤为重要，在此背景下，本文对齿轮-转子-轴承系统故障发生的机理进行了理论探讨。

（2）国内外研究现状

对齿轮-转子-轴承系统故障机理的研究，其内容涉及转子动力学和齿轮动力学等，其作为研究旋转机械动力学的新兴学科，在近一百年的发展历程中，取得了许多突破性的研究成果，为工业的发展、社会的进步起到了巨大的推动作用。

我国学者于洪洁研究了带有弓形横向裂纹的单盘柔性轴Jeffcott转子系统，考虑轴颈在非稳态非线性油膜力作用下及转轴刚度、裂纹开闭以及转轴位移三者耦合的影响，并构造了裂纹转子-油膜轴承非线性周期时变系统模型。

也有的文献利用新的短轴承非稳态油膜力模型分析转子系统的动力学特性，并通过数值模拟，得到了该系统随转动角速度变化产生的分岔和混沌特性。

将非线性油膜力模型与密封流体Muszynska密封力模型相结合，建立了具有非线性转子-轴承-密封系统的动力学模型，针对转速等因素对耦合系统动态响应的影响进行了仿真计算。

结果表明，非线性密封力抑制了系统出现倍周期分岔，并且该耦合系统呈现出复杂的动力学行为，产生了包括周期、倍周期和拟周期等丰富的振动现象。

本世纪初，H.H.Jeffcot以单盘转子挠性转子为模型进行研究，得出了转轴在临界转速以上仍能稳定运行的结论，且随着转速的升高，转轴还有自动对心的作用，这是转子振动特性研究的具有开创性的工作。

N.O.Myklested和M.A.Prohl将H.Holzer用来解决多盘转子扭转振动的初参数法成功的推广到转轴的弯曲振动分析中，从而可以利用程序化的传递矩阵法计算临界转速和不平衡响应。

Newkirk发现即使转子经过精密的平衡，滑动轴承支承的转子仍会发生激烈的振动，对此进行实验研究发现轴承油膜力是引起这种自激振动的原因。

他的这一发现是转子动力学发展的一次飞跃。

现在，转子动力学无论是在研究方法还是研究问题本身都处于发展和完善之中。

（3）发展动态

实际的转子在工作过程中，会受到多种力的作用，力的形式亦多种多样，且以非线性力为主。

由于转子动静件的接触，转子的横向位移刚度发生了变化，因此，碰摩是一类典型的非光滑非线性动力学系统，具有较为复杂的动态特性，人们往往通过实验和数值仿真等方法研究其特性。

尽管对碰摩问题各方面的研究已经很多，但动静件碰摩故障的弯扭耦合振动特性方面的报告却很少。

从碰摩的机理分析知道，在动静件接触摩擦阶段，会产生一个切向摩擦力，它将对转子轴心产生一激励力矩；受此力矩影响的扭转响应含有丰富的碰摩特征信息，同时扭转振动也会对弯曲振动产生一定的影响。

齿轮－转子－轴承系统中除了齿轮间隙、时变啮合刚度、静态传动误差和滑动轴承的油膜力等激励因素之外，还包括啮合轮齿之间的形成的动压润滑油膜的激励、挤压油膜阻尼器产生的激励、齿面之间的滑动摩擦力激励等因素。

尤其是同时考虑齿侧间隙和滑动轴承非线性时系统的动力学特性，以及啮合轮齿之间的形成的动压润滑油膜的激励对系统动力学特性的影响规律，目前还很少有相关的研究。

另外，因为非线性系统不满足叠加原理，所以对工程实践中的多级齿轮－转子－滑动轴承系统而言，系统包含了多对齿轮副和多个滑动轴承，故需要建立具有多个齿轮间隙、多时变参数的动力学模型，并研究这些因素对系统非线性振动特性的影响。

研究与齿轮系统非线性振动相关的其它问题，比如齿轮系统的载荷识别、齿轮系统的状态检测故障诊断和齿轮系统的振动设计。

综合考虑各种因素的影响，想方设法减小齿轮－转子－轴承系统的振动水平，为工程实践提供低振动、低噪声和高可靠性的齿轮传动系统。

（4）课题研究目的及意义

随着现代化工业大生产的不断发展和科学技术的日益进步，人类在各个科学技术领域都取得了巨大的成就，机械、航空、航天、土木、建筑、造船、化工、采煤等领域的机械设备或工程结构都在向高速化、大型化、复杂化和智慧化的方向发展，同时机械设备和工程结构的工作环境也更加复杂。

并且伴随着科学技术和人类社会文明的发展，对人的自身安全提出了更高的要求，安全生产是建设和谐社会的重要目标和前提，墨西哥湾的漏油事件、航天飞机的失事、苏联切尔诺贝利核泄漏事故、频发的煤矿矿难事故等等都给环境和人们的生活带来极大的破坏。

由于机械设备机构复杂和运行环境恶劣等因素，故障常常不断出现，只要及时有效提前预报并及时使问题得到解决，既能防止灾难带来的人员伤亡和社会影响，又不会给生产带来巨大的经济损失，保障了整个生产过程的顺利进行。

为了减少事故的发生，要求机械设备故障诊断理论和方法不断的发展，这样才能快速、有效的反应出故障的性质和部位，有目的地进行检修。

同时可节约相当可观的维修费用，因而具有重要的经济意义和社会价值。

3.

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二、研究内容

1.学术构想与思路、主要研究内容及创新点

（1）学术构想与思路

（2）主要研究内容

（3）本课题的创新之处预期取得的突破和创新

2.可行性分析及论证

三、研究手段及条件

1.拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及所需研究条件和实验条件

（1）本课题采用的研究方法

根据以上研究内容，拟采用理论论证、方案设计和实验测试相结合的方法综合开展本项目研究。

汽缸、活塞组、连杆、曲轴组组成了一个曲柄连杆机构。

柴油机工作时，气缸内燃烧压力通过这个机构推动活塞往复运动，然后活塞的往复运动转换为曲柄的回转运动。

由于燃油燃烧爆炸驱动活塞，这使得内燃机工作时振动、噪声、点火电压等参数变化较大，所以必须基于相位参数变化来进行内燃机故障诊断研究。

首先，在前期研究的基础上，提出往复机械系统故障诊断信息融合的诊断方法，并研究其具体实施方案，增加振动参数、油液分析参数、点火电压参数等综合研究内燃机故障。

根据实验测试对象的工作原理和结构特征，确定合适的状态参数测试部位，选择合适传感器并设计加工测试接头，并尽可能开发并行计算机软件和硬件，利用专门测试实验平台和状态测试系统，实现对功能参数和信号的数据采集、信息融合和做出决策。

其次，实施具体的研究方法，当前国内外将发动机信息融合的方法很多，但以成熟的理论方法大致有以下几种：

神经网络作为信息融合，神经网络具有大规模并行处理信息的能力，使得系统信息处理速度很快，并通过学习算法将传感器算法进行融合转化为数字形式；

Dempster—Shafer证据理论的决策层信息融合，D-S证据理论可用于目标识别等方面。

在基于D．S推理算法的目标识别应用中，特征级和数据级的多传感器数据融合处理技术与知识库、专家系统等密切相关；

小波变换法等，在时域和频域具有高分辨力，对高频分量采用逐渐精细的时域和频域步长，可以聚焦到分析对象的任意细节，对于剧烈变化的边缘，比常规的傅里叶变换具有更好的适应性。

神经网络故障诊断方法从信息融合的意义上讲，它属于特征级融合中的特征输入/决策输出过程。

而D一S证据理论是通过对同一识别框架上的各证据体进行融合推理，最终形成决策结果，所以D一S证据理论属于决策级融合中的决策输入/决策输出过程。

所以两者的结合更能够发挥出信息融合的优势，使得诊断的准确性和可靠性得以提高。

如何对大量信息进行融合分析和决策,是本项目要重点研究的内容。

再次，要建立故障诊断的多源信息融合框架，按照数据抽象的三个层次，融合可分为三个层次；数据层融合，特征层融合和决策层融合。

资料层融合

首先将全部传感器的观测数据融合，然后从融合的数据中提取特征向量，并进行判断识别。

这便要求传感器是同质的（传感器观测的是同一物理现象），如果多个传感器是异质的（观测的不是同一个物理量）．那么数据只能在特征层或决策层进行融合。

数据层融合是直接在采集到的原始数据层上进行的融合，在各种传感器的原始测量未经处理之前就进行数据的综合和分析。

图1资料融合

特征层融合

其次是特征融合，特征层融合属于中间层次，先对来自传感器的原始信息进行特征提取（特征可以是被观测对象的各种物理量），然后对特征信息进行综合分析和处理。

特征层融合的优点是实现了信息压缩，有利于实时处理，并且由于所提取的特征值与决策有关，因而融合结果能最大限度地给出决策分析所需要的特征信息。

图2特征层融合

决策层融合

再次是决策融合，决策层融合是一种高层次融合，其结果为检测、控制、指挥、决策提供依据。

决策级融合从具体决策问题出发，充分利用特征层融合的最终结果，直接针对具体决策目标，融合结果直接影响决策水平。

决策级融合主要优点是资料量小，所以融合中心处理代价低，同时系统对信息传输带宽要求也降低了；另外，对传感器的依赖性小，当一个或几个传感器出现错误时，通过适当的融合，系统还能获得正确的结果，所以具有容错性。

图3决策层

决策级融合的缺点是要对原传感器信息进行预处理以获得各自的判定结果，所以预处理代价高。

最后，通过对这些传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多个传感器在空间上或者时问上的冗余或互补信息以某种准则来组合，以获得被测对象的一致性解释和描述。

（2）信息融合故障诊断技术路线

首先建立基于神经网络技术和D一S证据理论的故障诊断模型如图四所示,从该图中可以看出，整个诊断过程分为两层:

（l）基于模块神经网络的初步诊断层;

（2）基于D一S证据推理的融合决策诊断层。

图4内燃机故障诊断检测框图

基于模块神经网络的初步诊断层在该层的诊断过程中，首先，把待诊断设备的故障特征参数空间划分为若干个子参数空间E1，同时根据各子参数空间S，构造相应的故障自空间Ei，其中i=1,2…，N。

其次，根据各子参数空间的定义和相应的子故障空间，独立的构造相应子网的学习样本。

基于D一S证据推理的融合决策诊断层，在融合决策诊层中，用初步诊断层中各子网的输出结果构造证据体，通过证据融合推理分析，得出最终诊断结论，即被诊断设备的故障形式。

（3）实施方案

文献检索国内外先进方法和技术，现场调研。

重视案例研究，从国内外的案例中,发现问题、分析问题,归纳和总结出具有共性的东西,进而在本课题中进行创新。

理论和实践相结合，将研究工作与具体企业的技术创新实际相结合,进行实证研究,在实践中丰富和完善,研究出具有科学性和实用性的成果。

（4）实验研究条件

北京信息科技大学教育部机电系统测控重点实验室、汽车实验室和机械设计实验室等多个相关技术实验室，有较完善的的实验设备和测试仪器，拥有世界先进的往复机械特性分析及故障诊断系统（RECIP-TRAP9260），如图3所示。

图5往复机械特性分析及故障诊断系统

上述实验室和仪器设备为本项目的顺利开展提供了条件保证。

另外，Labview等开发软件，汽油发动机一台，Bently转子故障模拟实验台等。

2.所需经费，包括经费来源及开支预算

研究生课题经费，主要用于购买相关资料、文献检索等费用；

实验室课题经费，主要用于汽油发动机试验台搭建、设备购置安装调试、软件设计学习、现场调研等；

预算50000万左右。

四、拟解决的主要难点、问题

1.研究过程中预计可能遇到的困难或问题

发动机传感器的最佳点选择和监测数据优化组合问题；

多源信号融合造成系统计算和控制过程的复杂性和计算量成倍增长；部分传感器信号提取和隔离