1、中图分类号: V231.96；O322 论文编号 1028707 11-0015学科分类号: 082304硕士学位论文转子-滚动轴承耦合系统的滚动轴承故障分析与智能诊断研究生姓名 乔 保 栋学科、专业 载运工具运用工程研 究 方 向 航空器运行监测与故障诊断指 导 教 师 陈 果 教授南京航空航天大学研究生院 民航学院二 一一年三月Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsThe Graduate SchoolCollege of Civil AviationDynamic Analysis and Intelligent Diagno
2、sis of Bearing Faults in Rotor-Ball Bearing Coupling System A Thesis inVehicle Operation Engineering EngineeringbyQiao BaodongAdvised byProf. Chen GuoSubmitted in Partial Fulfillmentof the Requirementsfor the Degree ofMaster of EngineeringMarch, 2011承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除
3、文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,可以将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、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文I摘 要滚动轴承是航空发动机重要的支承部件，它的运行状态是否正常直接影响到整台发动机的精度、可靠性及寿命等。因此，深入研究滚动轴承故障机理和振动特性，准确诊断轴承故障具有重要意义。本文以
4、真实的转子-滚动轴承试验台为研究对象，建立了含轴承故障的转子- 滚动轴承耦合动力学模型，研究轴承故障机理，提取了轴承故障特征，并提出了一种滚动轴承故障诊断新方法。具体研究内容如下：第一、本文以真实试验台为原型，建立了转子-滚动轴承模型，该模型将转子考虑为两端无约束的等截面自由欧拉梁模型，并对滚动轴承常见故障进行了详细建模，考虑了滚动轴承的非线性接触力，最后运用模态截断法，将系统偏微分方程转化为常微分方程组，并运用新型显式数值积分方法获取转子-轴承系统的响应。同时对真实试验台进行了模态实验分析，相同参数条件下，实验模态与计算模态基本一致，验证了模型的正确有效性；仿真分析了滚动轴承内、外圈和滚珠故
5、障时振动信号，分析结果与理论结果一致。第二、基于小波变换、包络解调及盲源分离技术，研究了基于独立分量分析的滚动轴承振动信号降噪方法，通过实测信号验证，表明了基于ICA 降噪方法能有效地提高监测信号的信噪比。第三、提取滚动轴承振动信号中4个无量纲的时域参数和频域中小波包络特征参数，运用数据挖掘平台Weka软件，借助Weka平台的C4.5 决策树提取了滚动轴承故障知识规则，并对规则加以解释，最后应用该知识规则诊断从试验器上模拟的大量轴承数据，诊断结果表明了该知识规则具有较高的正确性和实用性。第四、建立基于LabVIEW的滚动轴承数据采集系统和智能诊断系统，利用数据挖掘平台Weka软件获取的滚动轴承
6、故障知识规则对滚动轴承进行了智能诊断。关键词：滚动轴承；小波变换；盲源分析；Weka；C4.5 决策树；LabVIEW转子- 滚动轴承耦合系统的滚动轴承故障分析与智能诊断IIABSTRACTBall bearing is the most important supporting part in aircraft engines. And its operating station is often a direct impact on the accuracy, reliability and longevity of the whole machine. Therefore, it is
7、significant to further study on rolling bearing fault mechanism and the vibration characteristics, accurate diagnosis bearing faults. Based on the actual rotor-bearing test device,the rotor-ball bearing coupling dynamics model containing ball-bearing faults is established in this paper, which can be
8、 used to research the bearing fault mechanism,then extract the ball-bearing fault characteristics.Finally,a new method of ball bearing fault diagnosis is presented. Specific research content as follows: Firstly, in this paper, a new model of the rotor-ball bearing system is established based on the
9、prototype of the realistic test bed. In the new model, the rotor shaft is considered as Equisection Euler Free Beam model. The nonlinear Hertzian contract forces are inneglectable factors in this model. With the modal truncation method the partial differential equation is transformed into ordinary d
10、ifferential equations, and the systems responses are obtained with the numerical integral method. Meanwhile, experimental modal analysis of the real test-bed has done. And under the same parameters, the experimental modals are consistent with the calculated modals, which verify the validity of the m
11、odel.Secondly, a noise reduction method based on independent component analysis of rolling bearing vibration signal has been conducted, using wavelet transform, envelope demodulation and blind source separation technique, which were verified by the measured signals. The results show that this way ba
12、sed on ICA can effectively improve the SNR of the monitoring signals.Thirdly, a new knowledge acquisition method is proposed for ball bearing fault diagnosis based on Weka platform. The time domain parameters and the wavelet envelope spectrum characteristic parameters are combined. The C4.5 decision
13、 tree algorithm in Weka platform is used to extract the ball bearing fault diagnosis knowledge rules, and they are explained and analyzed; finally, the method is applied in large amounts of on-the-spot data of bearing. The results fully show the correctness and rationality of the method. Fourthly, t
14、he data acquisition system of ball bearing based on LabVIEW is developed. Its knowledge rules of the ball bearing fault are obtained using software Weka data mining platform. Then, these rules are used in intelligent diagnosis of rolling element bearing, and the results show the effectiveness and un
15、iversality of knowledge rules. Key words: ball bearing; wavelet transform; blind source analysis; Weka; C4.5 decision tree; 南京航空航天大学硕士学位论文IIILabVIEW转子- 滚动轴承耦合系统的滚动轴承故障分析与智能诊断IV目 录摘 要 .IABSTRACT.II目 录 .III图、表清单 .V注释表 .VIII第一章 绪论 .11.1 课题研究的目的和意义 .11.2 国内外研究的概况及发展趋势 .21.3 本文的主要研究内容 .4第二章 转子-滚动轴承故障试验台简
16、介 .62.1 试验台简介 .62.2 信号采集 .62.3 滚动轴承故障设置 .92.4 本章小结 .10第三章 滚动轴承故障动力学分析 .113.1 转子-滚动轴承系统动力学模型 .113.1.1 转子动力学模型 .113.1.2 滚动轴承模型 44-45 .143.2 滚动轴承故障建模 47-49 .153.2.1 外圈故障建模 .153.2.2 内圈故障建模 .163.2.3 滚珠故障建模 .173.3 转子-滚动轴承系统模态试验验证 .183.3.1 试验模态测试 .193.3.2 计算模态获取 .193.3.3 计算模态与试验模态对比 .193.3.4 临界转速验证 .213.4
17、滚动轴承故障仿真 .223.4.1 滚动轴承外圈故障仿真分析 .223.4.2 滚动轴承内圈故障仿真分析 .233.4.3 滚动轴承滚珠故障仿真分析 .243.5 本章小结 .25第四章 滚动轴承故障信号分析与特征提取 .264.1 小波分析 .264.1.1 小波变换原理 .264.1.2 包络分析 .274.2 盲源分离 52 .28南京航空航天大学硕士学位论文V4.3 滚动轴承仿真故障特征分析 .314.3.1 滚动轴承外圈故障分析 .314.3.2 滚动轴承内圈故障分析 .354.3.3 滚动轴承滚珠故障分析 .364.4 滚动轴承实验故障特征分析 .344.4.1 滚动轴承外圈故障分
18、析 .344.4.2 滚动轴承内圈故障分析 .354.4.3 滚动轴承外圈和内圈耦合故障分析 .364.4.4 滚动轴承滚珠和内圈耦合故障分析 .374.4.5 滚动轴承滚珠和外圈耦合故障分析 .394.5 本章小结 .40第五章 滚动轴承故障知识规则提取与智能诊断 .415.1 基于 Weka 平台的数据挖掘平台简介 .415.2 决策树知识规则提取基本理论 .415.2.1 连续属性的离散 .415.2.2 C4.5 决策树算法 .425.2.3 决策树的剪枝 .425.2.4 决策树规则提取 .435.3 滚动轴承故障诊断知识获取 .435.3.1 滚动轴承知识获取时故障样本来源 .43
19、5.3.2 滚动轴承故障特征参数选取 .445.3.2.1 时域参数提取 .445.3.2.2 频域参数提取 .455.3.3 滚动轴承知识获取 .465.4 滚动轴承故障知识规则实验数据验证 .485.5 滚动轴承故障知识规则仿真数据验证 .485.6 本章小结 .51第六章 基于 LabVIEW 的滚动轴承数据采集与故障诊断系统开发 .526.1 LabVIEW 软件简介 .526.2 系统开发 .536.2.1 数据采集模块 .536.2.2 故障诊断模块 .546.3 本章小结 .56第七章 总结与展望 .577.1 总结 .577.2 展望 .57参考文献 .58致 谢 .63在学期
20、间的研究成果及所发表的学术论文 .64转子- 滚动轴承耦合系统的滚动轴承故障分析与智能诊断VI图、表清单图 2.1 转子-滚动轴承试验台实物图 6图 2.2 NIUSB-9234 7图 2.3 电涡流位移传感器 7图 2.4 加速度传感器及力锤 7图 2.5 加速度传感器安装示意图 8图 2.6 锤击法测转子-滚动轴承系统 8图 2.7 单一故障滚动轴承示意图 9图 2.8 耦合故障滚动轴承示意图 9 图 3.1 等截面欧拉梁转子-滚动轴承耦合系统动力学模型 11图 3.2 基于等截面欧拉梁转子模型的受力图 11图 3.3 滚动轴承外圈损伤示意图 16图 3.4 滚动轴承内圈损伤示意图 17 图 3.5 滚动轴承滚珠损伤示意图 18图 3.6 转子等分示意图 19图 3.7 实验和计算模态分析的原点加速度频响函数比较 20图 3.8 实验与计算模态振型比较 (第 1、2、3、4 阶振型) 21图 3.9 转子水平方向响应转速-幅值图
