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1、学校代号：1073l学 号：1120802010050 级：公开 兰州理工大学硕士学位论文基于分形理论的转子故障特征提取方法与测试系统改进学位申请人姓名： 王造 。导师姓名及职称： 赵苤堡数援删 56 舢 7 舢 籼 4Rotor fault feature extraction method based on fractal and testsystem improvementsby WANG HaoBE(Lanzhou University of Technology)2008A thesis submitted in partial satisfaction of theRequirem
2、ents for the degree ofMaster of ScienceMechanical Manufacturing and Automationin theGraduate SchoolofLanzhou University of TechnologySupervisorProfessor Zhao RongzhenMay，2014兰州理工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
3、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。作者签名： 至 1告日期： za件年 6月后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。本人授权兰州理工大学可以将本学位 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、不保密团。(请在以上相应方框内打“4”)作者签名： 互涵 日期：加伴年月口日导师签名： 突钎 日期：矽，垆年 6 月如日硕士学位论文0 录 摘要
4、IABSTRACT III插图索引 V附表索引 VI第 1 章绪论 111 选题背景及意义 112 国内外故障诊断技术发展概况 213 分形维数研究对故障诊断发展作用分析 214 分形维数方法的国内外研究现状 315 主要研究内容与安排 5第 2 章 分形维数特征提取方法分析 一 721 引言 722 经典分形维数特征提取方法简介 7221 分形理论概述及分形维数的定义 7222 盒维数的定义及其计算方法 8223 信息维数的定义 9224 关联维数 9225 MinkowskiBouligand 维数 10 23 多重分形方法分析 10 231 多重分形的基本概念 10 232 广义分形维数
5、的定义与计算方法 11 233 多重分形维数与经典分形维数的对比分析 12 24 本章小结 13第 3 章 数学形态学分形与几何特征方法分析 1431 引言 1432 数学形态学算法基本原理 14321 数学形态学概述 14322 数学形态学基本算法 15基于分形理论的转子故障特征提取方法与测试系统改进323 数学形态学应用情况分析 1533 基于数学形态学的分形维数 16331 基于数学形态学的分形维数估计 16332 单位结构元素和最大尺度的选择方法 18332 两种算法的对比分析 1834 图形几何特征理论 19341 轴心轨迹简介 19342 图形几何特征理论的研究意义 19343 紧
6、密度的定义 20344 丰度的定义 2135 本章小结 21第 4 章 分形与几何特征融合的特征提取算法的设计与实现 2241 引言 2242 实验方案与振动信号采集 22421 实验台与实验方案介绍 22422 振动信号采集 2343 基于数学形态学的分形维数特征提取模型的建立 24431 模型参数的估计方法 24432 基于数学形态学的分形维数算法流程设计 25433 实验情况分析 2544 分形特征与图形几何特征融合的特征提取模型的建立 27441 模型参数的估计方法 28442 模型的故障诊断流程设计 28443 实验情况分析 29444 BP 神经网络识别结果 31 45 两种特征提
7、取模型的对比分析 34 46 本章小结 34第 5 章 转子实验台测试信息系统的改进与完善 3651 引言 3652 LABVIEW 简介 3653 改进前测试信息系统性能说明 3754 功能改进及扩展情况 38541 原有的转子运行转速计算方法 38542 改进后的转子运行转速计算方法 39硕士学位论文543 振动趋势图设计的改进与完善 40544 数据存储及查询实现功能的改进 4355 本章小结 47总结与展望 48研究结论 48研究展望 49参考文献 500 谢 54 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录 55附录 B 参加科研项目情况 56硕士学位论文0 要 有效的量化特征提取，
8、特别是非线性、非平稳信号的量化特征提取，对准确地诊断出转子系统的故障状态与故障程度具有重大的意义。使用传统的时频域信号分析方法已经不能满足转子系统状态监测与诊断的需要。分形几何是一种全新的分析方法，其能够满足对复杂故障信号的分析，并且在自然科学等诸多领域已经有了广泛的应用。在旋转机械故障诊断领域中，人们也开始用分形几何方法对振动信号进行了分析，并取得了一定的成果，但仅仅依靠分形几何方法无法有效的提取转子系统的故障特征。基于此，本文引入了紧密度和丰度两个图形几何特征参数，与分形几何一起对旋转机械振动信号的量化特征提取问题开展了研究。研究内容及获得的研究结论如下：1)在分形几何理论体系下，对几种不
9、同的分形维数估计方法在量化提取振动信号的故障特征上的优点与存在的不足进行了对比分析，通过理论分析及实验验证，得出盒维数估计方法与其它几种经典分形维数估计方法相比在振动信号量化特征提取方面显现的优点及不足。2)基于盒计数的分形维数估计方法采用的是覆盖法，其操作方法为用大小相同的盒子对信号进行覆盖，因为盒子的大小是相同的，这会导致对信号覆盖的不均匀，从而导致对覆盖所需盒子数估计的不准确，进而影响到分形维数估计的精度。针对此方法的不足之处，我们引入了数学形态学，用其基本操作方法来计算信号的分形维数，称之为基于数学形态学的分形维数估计方法。这是一种全新的分形维数估算方法，此方法将所采集的振动信号当做一
10、维信号，进行形态学处理，避免了盒维数估计法的不足。因此比盒维数估计算法复杂度更低，稳定性更强，精度更高。将紧密度和丰度这两个图形几何特征参数引入到转子系统故障诊断当中，与基于数学形态学的分形维数一起对转子系统振动信号的故障特征进行了量化提取。将所提耿的故障特征作为神经网络的输入特征量对转子系统几种不同的运行状态进行分类识别，获得了很好的分类效果。此结果表明，本研究所采用的量化特征提取方法在多故障诊断中表现出了优良的性能。4)利用虚拟仪器技术对本实验室的双跨转子实验台振动实验测试与反馈控制软件平台进行了功能拓展，使其具有了更加完备的功能。形成了一套集振动信号分析与显示、振动趋势的显示、振动数据和特征数据存储、实时状态监测、预警于一体的机械振动信号测试与分析系统，在实验研究及工程应用中均取得了较好的效果。研究表明：通过对基于数学形态学的分形维数和紧密度、丰度的联合对转子基于分形理论的转子故障特征提取方法与测试系统改进系统振动信号的故障特征进行量化提取，可获得较传统方法更为精确的故障特征信
