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燃气轮机故障诊断毕业设计
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舰用燃气轮机某关键部件故障诊断方法研究
系别
信息工程系
专业
测控技术与仪器
班级
B141401
学号
姓名
袁斌
指导教师
崔建国
负责教师
崔建国
沈阳航空航天大学北方科技学院
2015年6月
摘要
燃气轮机的关键部件之一滚动轴承是机械设备运行过程中产生最易产生故障的零件，它运行的正常与否直接影响到整台机器的性能。
防止故障升级，发生灾难性事故。
所以对滚动轴承故障诊断技术进行探讨和学习就具有十分重要的意义。
本文主要以燃气轮机的滚动轴承为研究对象，利用测量的轴承振动信号参数来进行故障诊断，利用神经网络技术对某一动态的模拟原理，应用到对滚动轴承故障诊断的具体方面，设计并构建了基于BP神经网络和自适应模糊神经网络（AdaptiveNetworkFuzzyInferenceSystem）的滚动轴承故障诊断系统，在MATLAB软件里对构造的训练样本进行训练，利用训练完成后的神经网络我们就可以对滚动状态故障进行诊断。
关键词：
滚动轴承；BP神经网络；模糊神经网络
Abstract
Rollingbearingisoneofthemostordinarypartsinmechanicalmachine,itsrunningstatecaninfluencetheperformanceofthewholemachinedirectly,theaircraftstabilizerrealtimetoensuretheaircraftflysafety.soitisimportanttostudythetechnologyoffaultdiagnosisforrollingbearing.
Onthebasisofanalyzingthefaultmechanismandvibrationsignalcharacteristicsofrollingbearingsystematically,andafteranalyzingandprocessingthevibrationsignalsofrightandfaultstateofrollingbearing,partialappropriatefeatureparametersareselectedastheinputoftheneuralnetworkaccordingtothetimeandfrequencydomaincharacteristicsofparametersinthisthesis.andthefaultdiagnosissystemforrollingbearingbasedonBPneuralnetworkisbuiltup.Finally,andfuzzyartificialneuralnetworkdiagnosistechniquethetrainingsetofrightandfaultstatesofrollingbearingisbuiltupbyusingthemeasuringdataofrollingbearingfromformerresearch,theneuralnetworkmodelistrainedontheplatformofMatlabsoftware.theoperatingstateofrollingbearingdiagnosedbyusingtheabovenetworkwhichtrainedwell.
Keywords:
rollingbearing;BPneuralnetwork;fuzzyartificialneuralnetwork
1绪论
1.1课题背景和研究的意义
1.1.1研究背景
作为新型的动力设备，燃气轮机具有结构紧凑、安全可靠、运行平稳，具有较高的热效率，可以快速启动并带动负载等优点，而日益受到人们的重视，应用范围也越来越广。
燃气轮机在陆上和航海交通领域中也占有越来越重要的地位，由于其较高的热效率和较小的排气污染，在能源和电力部门也日益成为动力设备的主流产品，它们一旦发生事故或出现故障就会给生产经营造成极其严重的影响。
因此维护燃气轮机在正常状态下运行，避免或及时诊断处理燃气轮机运行故障就显得尤为重要。
由于燃气轮机故障诊断和状态监控能大大提高机组运行的安全性和可靠性，大幅度降低维护和维修成本，所以燃气轮机故障诊断模型的研究有着重要的理论意义和较高的应用价值。
滚动轴承是燃气轮机最重要的零件之一，其运行状态直接影响整台燃气轮机的性能，同时对燃气轮机和操作人员的安全也会造成重大影响。
轴承的故障会导致燃气轮机设备的剧烈振动，产生刺耳的噪声，严重时会引起设备损坏、动力停止甚至机械事故，且燃气轮机滚动轴承造成的事故往往是突发的，若在交通运输中还会引发重大的交通事故，造成人员伤亡。
据统计，约45%的燃气轮机故障是由于轴承的故障所引起的。
因此，对滚动轴承进行故障诊断和状态预测具有重要的实际意义，也是燃气轮机故障诊断领域的重点之一。
此外，与其他机械零部件相比，滚动轴承有一个很大的特点，其寿命离散性很大。
有的轴承已大大超过设计寿命而依然完好地工作，而有的轴承远未达到设计寿命就出现了各种故障。
所以，如果按照设计寿命对轴承进行定时维修，则势必出现以下情形:
一方面，把超过设计寿命而完好工作的轴承拆下来作为报废处理，造成浪费。
另一方面，把未达到设计寿命而出现故障的轴承坚持使用到定时维修时拆下来作为报废处理，使得机械在轴承出现故障后和拆下前这段时间内工作精度下降，或者未到维修时间就出现严重故障，导致整个机械出现严重事故。
由此看来，滚动轴承故障的准确诊断可以减少或杜绝事故的发生，最大限度地发挥轴承的工作潜力，节约开支，具有重大意义。
1.1.2研究意义
作为一个典型的复杂机械系统，燃气轮机是由大量相互联系但工作过程又彼此不同的部件组成，在恶劣的工作条件（高温、高压、强腐蚀、高密度的能量释放）使其成为整个动力系统中故障的敏感多发部位，其故障的发生和发展具有快速和破坏性极大的特点。
因此，对燃气轮机进行故障诊断方法及其应用进行研究，有效判断故障类型，准确确定故障位置，从而节省了大量时间和资金，具有较高的经济应用价值。
其研究的主要意义。
（1）增加设备的安全性
有效的燃气轮机故障诊断系统可以帮助燃气轮机维护人员提前发现异常，迅速查明故障，并给出合理的解决方案，从而保证燃气轮机正常运行，避免发生重大故障，进而造成巨大经济损失甚至人员伤亡。
（2）推动燃气轮机维修理念的改革
传统的燃气轮机维修思想是经验性，即“以预防为主”的思想，维修方式是按预先规定的周期进行定时维修。
开展燃气轮机故障诊断方法及其应用研究可以实现维修思想和维修方式的改变，将维修思想从“以预防为主”转变为“以可靠性为中心”，维修方式从“定时维修”转向“视情维修”。
（3）提高经济效益
燃气轮机故障诊断系统能够在零部件、劳动力、燃油、使用时间和后勤保障方面节省支出，具有较高的经济应用价值。
目前，对燃气轮机的故障诊断大多基于振动信号分析。
采用振动信号分析法对滚动轴承系统相关故障诊断效果较好。
为了及时发现和排除各种故障，必须对燃气轮机常见故障以及常见故障的特征有深刻了解，才能设计出有效的燃气轮机故障诊断系统。
通过建立适合的燃气轮机故障模型，可以为故障诊断系统的开发提供基础。
因此，研究的主要目的是建立起测量参数与故障类型之间的映射，进而准确的判定故障类型。
在动力系统中燃气轮机有着重要地位，而燃气轮机故障诊断技术也是国内外研究的一个热点。
由于燃气轮机故障诊断和状态监控能大大提高机组运行的安全性和可靠性，同时也能大幅度降低维修成本，所以燃气轮机故障诊断模型的研究有重要的理论意义和较强的经济应用价值。
目前研究比较多且相对来说较为成熟的是应用人工神经网络方法为燃气轮机的关键部件进行故障诊断，但是神经网络方法往往需要大量的训练样本才会获得比较好的效果，在小样本情况下的其效果往往不尽如人意。
然而在一般情况下，燃气轮机的故障样本很有限，这就使得其应用有一定难度。
针对这一点，本次课题主要以BP神经网络故障诊断算法为研究对象进行研究和设计。
1.2国内外故障诊断技术研究现状
1.2.1国外现状
在故障诊断技术理论研究方面，被认为是故障诊断的起源之一的是1971年Mehra和Peschon发表在Automatic上的论作《Aninnovationapproachtofaultdetectionanddiagnosisindynamics》。
而1976年，Willsky在发表于Automatic上的论文《Asurveyofsedignmethodsforfailuredetectionindynamicsystems》则被认为是世界上第一篇故障检测和诊断方面的综述性文章。
1978年，一本名为《Faultdetectionanddiagnosisinchemicalandpetrochemicalprocess》的著作，是国际上首部关于故障诊断方面的专著。
美国是最先开展燃气轮机故障诊断研究的国家，在相关的研究领域一直处于世界一流的水平，其他国家在燃气轮机的故障诊断领域也有理论和技术的优势。
针对燃气轮机，2003年S.O.T.Ogaj等人采用模糊逻辑的诊断技术，并且考虑了测量信号的噪声，系统能成功的诊断出燃气轮机的单一故障，此外，又研究一种分层训练的人工神经网络，即利用RBF和PNN分别处理特定的任务，并将其应用于燃气轮机的一些组件故障的检测，隔离和评估中。
应用信息数据融合的方法，2010年KarimSalahshoor提出了一种新的故障检测和诊断方法。
该方法是将一个支持向量机的分类器和一个具有自适应模糊神经网络（ANFIS）分类器结合组成一个共同系统，从而一个多属性数据被融合成一个单一属性的有序加权平均算子聚合值，仿真研究表明此方法优于单纯的支持向量机SVM或ANFIS系统。
此外，还有美国国防部资助开发的声纳信号处理系统和美国国家航空航天局主导的应用信息融合技术诊断C-17飞机故障的实例。
1.2.2国内现状
由于我国的燃气轮机行业基础较差，气路故障诊断技术起步较晚，目前故障诊断技术与世界先进水平还存在着差距，随着军事和民用事业的高速发展，燃气轮机大规模应用越发广泛的背景下，我国也逐渐开始了对燃气轮机故障诊断的研究,但由于起步较晚,规模较小且主要局限在理论方面,还没有实际应用的系统,而随着科技的进步，各种新方法、新理论应用于燃气轮机故障诊断的研究也取得了一定的成果。
自80年代以来，国内诸多高校及研究所的专家学者不断开展对燃气轮机的故障诊断与诊断研究，在理论上取得了一定的研究成果，提出相对丰富的算法和模型，为工程实践奠定了基础。
特别是随着计算机技术和人工智能理论的发展使得燃气轮机故障诊断技术跃升到了智能故障诊断的水平。
2002年翁史烈等在《基于热力参数的燃气轮机智能故障诊断》一文中提出了故障与征兆之间定量关系的求取方法，并在此基础上研究了模糊逻辑和神经网络的故障诊断方法。
使得神经网络算法的应用得到极大发展。
2007年卜凯旗在《在燃气轮机发电机组的振动信号监测与分析系统》一文中研发了一套燃气轮机振动监测、故障诊断系统,该系统通过振动数据采集、分析，机组运行中出现的异常情况可以及时地被反映出来，并通过专家诊断系统采用多种数据分析方法互为补充，从而获得较好的故障诊断结果。
并提出有效建议供现场的技术人员参考，可随时了解机组的运行情况，经过验证此系统不仅保证了安全生产，同时也取得了良好的经济效益。
在2008年《模糊神经网络在燃气轮机故障诊断专家系统中的研究与应用》陈旸等提出了针对故障诊断专家系统中自学习能力弱和不能描述模糊性知识的问题,提出了一种将模糊神经网络运用于故障诊断专家系统的研究方法,既可以使故障诊断专家系统根据事例和数据来学习新的知识和信息,又增强了系统描述模糊性知识的能力,使得诊断结果更加符合诊断工作人员的需要。
最后以某型燃气轮机为研究对象,实现了快速、准确地诊断。
2009年上海交通大字的夏迪针对PG917E型单轴发电燃气轮机，提出丁基十非线性模型的全断方法，采用无约束的优化方法优化模型输出值与实际测量值的偏差，结果表明该方法精度较高，收敛性好，达到工程应用的目的。
基于此方法又开发了燃气轮机故障诊断系统软件，该软件由数据采集和数据传输、燃气轮机性能仿真、传感器故障诊断、热参数状态检测与气路诊断以及数据库组成，根据采集到的燃气轮机热参数，利用该软件可以实现对燃气轮机部件实时性能监测和故障诊断。
近年来，随着燃气轮机故障诊断技术的发展，故障预测与健康管理（PrognosticandHealthManagementMonitoring,PHM）系统获得了广泛的关注，以达到对燃气轮机的健康进行管理、故障预测、以及寿命预估的目的。
1.3研究内容
燃气轮机是一类结构复杂、工作环境特殊的大型系统，故障类型具有多模式、多发性、突发性的特点，且一旦发生故障，危害性极大。
因此，设计有效的故障诊断方法对燃气轮机进行故障诊断尤为重要。
本文意在于将BP神经网络和模糊神经的方法引入到滚动轴承故障诊断这一方面，将为轴承故障诊断技术提供一种方法，以期由此来提高轴承故障诊断的效率。
如何从复杂的轴承故障参数中选取合适的故障参数，如何由故障特征确定对应的故障类型，如何实现神经网络故障诊断系统并通过仿真测试是本文研究的主要内容。
第2章：
介绍总体方案设计，并且阐述分析轴承的基本结构和原理，以及如何采集本次实验所需的轴承参数。
第3章：
系统地介绍了BP神经网络和ANFIS模糊神经网络的原理、结构、学习过程，选用合适的算法以使得其能够更加适合于滚动轴承故障诊断系统的应用。
第4章：
采用已经获得的故障参数，构建合理的BP神经网络并确定其结构，对诊断输出结果采取了判别区间的再处理。
利用我们采集的实测数据，分别构造了基于轴承振动参数的正常及故障状态的训练样本，在MATLAB环境中对构建的BP神经网络进行训练和测试，验证了故障诊断系统对滚动轴承不同状态进行识别的有效性。
第5章：
论述基于自适应模糊神经网络（ANFIS）故障诊断器的设计及其诊断结果。
第6章：
对以上两种神经网络故障诊断器的诊断结果进行对比分析。
2燃气轮机关键部件故障诊断的总体方案设计
本毕业设计以燃气轮机的滚动轴承为具体研究对象，开展轴承系统故障诊断方法研究，设计故障诊断算法，构建故障诊断模型，最终实现燃气轮机轴承故障诊断的效能。
2.1滚动轴承故障的总体方案设计
燃气轮机轴承系统智能故障诊断技术进行总体方案设计如图2.1所示，主要由信息采集模块、数据预处理模块、BP神经网络故障和模糊神经网络诊断模块构成。
图2.1燃气轮机轴承系统故障诊断方法研究方案
本文以某型燃气轮机滚动轴承为研究对象，通过对滚动轴承运行状态类型分析，将滚动轴承的状态类型分为正常状态、故障状态类型。
燃气轮机轴承系统在工作时通过传感器采集其工作过程中的各项参数数据，由于数据信息量较大，有些数据并不适合作为故障诊断的参考数据，所以需要对传感器采集到的数据进行处理，如滤波，筛选，整形等等。
在此基础上，将提取到的参数作为BP神经网络和模糊神经网络的输入进行建模，采用所建立的BP神经网络和模糊神经进行仿真实验，最终，得到故障诊断结果。
2.2滚动轴承机理及故障类型
滚动轴承在旋转过程中难免会产生振动，当滚动轴承存在缺陷时，其振动将呈现出一定的特征，测量的振动信号作为滚动轴承故障的信息载体，具有适用性强、效果好、测取简单的特点，根据所监测频带的不同，可将滚动轴承缺陷的振动信号划分为低频诊断和高频诊断，其中低频诊断主要是针对滚动轴承中各元件缺陷的旋转特征频率进行的;而高频诊断则着眼于滚动轴承因存在缺陷时所激发的各元件的固有频率振动。
它们在原理上没有太大的区别，都要通过频谱分析等手段，找出不同元件（内圈、外圈、滚动体等）的缺陷特征频率，以此判断滚动轴承的缺陷部位及其严重程度。
本章主要讨论滚动轴承的振动机理、故障类型及其对应的振动特征、损伤类故障模型等。
2.2.1滚动轴承基本结构
滚动轴承是由外圈、内圈、滚动体和保持架等元件组成的。
内圈、外圈分别与轴颈及轴承座孔装配在一起。
在大多数情况下外圈不动，而内圈随轴回转。
滚动体是滚动轴承的核心元件，它使相对运动表面间的滑动摩擦变为滚动摩擦。
滚动体的形式有球形、圆形、锥柱形和鼓形等。
滚动体可在内、外圈滚道上进行滚动。
图2.2为滚动轴承结构图。
图2.2滚动轴承结构图
图2-2所示滚动轴承示意图中的符号意义为:
——轴承节圆直径;
一一滚动体直径;
一一内环滚道的半径;
一一外环滚道的半径;
——接触角。
2.2.2滚动轴承故障类型
滚动轴承不同类型的故障会引起轴承系统不同性质的特征振动，按照振动信号的不同，滚动轴承故障可以划分为如图2.3所示的形式。
轴承构造
不同轴
滚动轴承
故障工件面波纹外圈损伤
内圈损伤
表面损伤
滚体损伤
保持架损伤
磨损
偏离准心
图2.3滚动轴承故障分类
本文主要以损伤类故障内为题，表面损伤滚动轴承最常见的一种故障形式，常表现为元件表面疲劳剥落、压痕、裂纹、烧伤、划伤等。
当轴承存在局部损伤时，损伤点通过轴承元件表面时要产生突变的冲击脉冲力，该脉冲力是一个宽带信号，所以必然覆盖轴承系统的高频固有振动频率而引起谐振，从而产生冲击振动。
由于滚动轴承的匀速回转，使冲击具有周期性。
对发生在不同位置的损伤，冲击具有不同的频率。
通常称为特征频率，频率不同故障也就不同。
2.3滚动轴承参数选取及处理
轴承振动数据的获取来源于轴承实际运转时的数据，通过适宜地选取参数和在实验装置运行时正确地记录数据，保证数据能够真实准确地反映轴承的运行状态，利于后面的分析计算，用加速度传感器采集振动信号，胶合在滚动轴承的外圈上。
整个实验如图2.4，分以下四个部分。
图2.4实验系统框图
（1）轴承:
这里所使用的轴承包括了正常的和有故障的轴承，实验系统运行时，所获取的数据就相应地代表轴承状态。
（2）加速度传感器:
用于获取振动信号，加速度传感器的输出与被测物体振动的加速度成正比。
与位移传感器或速度传感器相比，加速度传感器频率响应范围更宽，能够获得更多的频率成分信号。
且加速度传感器承受负载能力更强，机械性能更好。
（3）数据采集系统:
通过传感器将信号经过数据采集卡，采集得到滚动轴承的各种状态振动数据，测得的加速度信号是模拟信号，要输入计算机必须进行AD转换。
传感器数据经16位AD板处理后存入计算机中，数据文件为Matlab文件格式。
（4）轴承故障诊断系统将在后续章节中介绍。
作为本文采用BP神经网络和模糊神经网络诊断滚动轴承故障的关键的工作之一即为在采集滚动轴承的振动信号的时域或频域参数中，如何选取合适的故障特征参数用作神经网络的输入。
故障只能作为物理参数表现出来，只要滚动轴承的状态发生了变化（即有故障产生），就必定会影响到与之相联系的各个物理参数的变化；而故障类型与各物理参数的关系强弱是我们最感兴趣的问题，因为只有那些与某种故障类型之间的关系密切、对故障灵敏可靠的物理参数才被用于滚动轴承的故障诊断。
这些对故障灵敏、稳定可靠的物理参数正是我们要选择的滚动轴承的故障特征参数。
由于轴承的振动信号是多种引起振动因素共同作用的结果，是没有确定变化规律的随机信号，所以不能用确切的数学关系式来描述这种信号。
但随机信号有其重要特征，即在相同条件下重复实验，虽然每次实验的结果可能不一样，但是如果进行大量重复实验，其结果就会出现某种统计规律性。
均值、均方根值、峰值、波形因子、脉冲因子、峰值因数、裕度因子、峭度等，均是统计分析参数。
这些时域的统计特征参数的共同特点是:
对滚动轴承的缺陷足够敏感对信号的幅值和频率不敏感，即与机器的运行工况无关，只依赖于信号的幅值概率密度函数。
这些特征参数的变化，能较好地反应出滚动轴承的故障的存在。
我们要做的数据处理就上从上述多次测量后的振动信号参数选取我们所需的统计分析参数，作为BP神经网络和模糊神经输入层神经元个数。
在此我们定义了六个参数。
1 均值：
（2.1）
均值表示随机过程的中心趋势，随机过程都是围绕着它聚集和波是随机过程的静态分量。
均值用于滚动轴承缺陷诊断的优点是检测值较峰值稳定。
2 峭度：
（2.2）
峭度是不够敏感的低阶矩与较敏感的高阶矩之间的一个折中特征量，如果滚动轴承出现缺陷都可能引起相当大的脉冲度，用峭度作为滚动轴承缺陷特征参数是有效的。
3 峰值因子：
（2.3）
峰值因数表示波形是否有冲击的指标，峰值因数不受振动信号的绝对水平所影响，所以传感器的灵敏度即使有变动，也不会出现测量误差。
4 脉冲因子：
（2.4）
脉冲因子为均方根值与绝对均值之比陷比较敏感，特别是当出现早期缺陷时，它有明显增加;陷的逐渐发展，反而会下降。
脉冲因子对于冲击脉冲类缺当上升到一定程度后，随着缺陷的发展，反而会下降。
5 波形因子：
（2.5）
波形系数为峰值与绝对均值之比。
当波形系数值过大时，表明滚动轴承可能有点蚀;当波形系数过小时，表明滚动轴承可能发生磨损。
波形系数也是用于滚动轴承简易诊断的有效指标之一。
6 裕度因子：
（2.6）
其中，
。
本文将采用BP人工神经网络和模糊神经网络对滚动轴承缺陷进行识别，利用滚动轴承振动信号的时域特征参数和频域特征参数作为神经网络的输入，网络经过训练和测试后，即可由己知的数据，判断出轴承正常与否。
3故障诊断方法
大量功能简单的神经元通过一定的拓扑结构组织起来，构成群体并行式处理的计算结构，这种结构就是人工神经网络。
人工神经网络是一种应用类似于大脑神经突触联接的结构进行信息处理的数学模型。
在工程与学术界也常直接简称为神经网络或类神经网络。
神经网络是一种运算模型，由大量的节点（或称神经元）和之间相互联接构成。
每个节点代表一种特定的输出函数，称为激励函数（activationfunction）。
每两个节点间的连接都代表一个对于通过该连接信号的加权值，称之为权重，这相当于人工神经网络的记忆。
网络的输出则依网络的连接方式，权重值和激励函数的不同而不同。
而网络自身通常都是对自然界某种算法或者函数的逼，也可能是对一种逻辑策略的表达。
3.1BP神经网络
BP神经网络是1986年由Rumelhart和McCelland为首的科研小组提出，是一种按误差逆传播算法训练的多层前馈网络，它的名字源于网络权值的调整规则，采用的是后向传播学习算法，既BP算法。
3.1.1BP神经网络原理
BP网络是目前应用最广的神经网络之一，BP网络如图3.1所示是由一个输人层，一个或多个隐层以及一个输出层组成，上下层之间实现全连接，而每层神经元之间无连接。
网络的学习过程包括正向传播和反向传播。
在正向传播进程中，输人信息从输人层经隐层加权处理传向输出层，经功能函数运算后得到的输出值与期望值进行比较，若有误差，则误差反向传播，沿原先的连接通道返回，通过逐层修改各层的权重系数，减小误差。
随着这种误差逆向传播修正的不断进行，网络对输入模式响应的正确率也不断上升。
图3.1三层BP网络模型神经网络
BP
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