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1、轧机非线性振动的诊断分轧机非线性振动的诊断分析与预测析与预测1、 课题调研和定位1） 专业定位充分结合机械工程实际背景开展研究2） 工程机械发展趋势 致力于解决的基本问题：改善劳动者的劳动条件；提高机器的生产率、降低工作损耗 21 世纪将广泛采用的技术：电子监测技术、虚拟现实技术、卫星控制技术 工程机械的研究方向：机械自动化、燃油发动机节能化、机电一体化（阶段进化研究、电液集成控制、虚拟现实技术等）3） 机械故障诊断的意义 机械设备占国有资产总值 60%70% 现代生产机械日益高速化、大型化、精密化、自动化对可靠性、安全性要求日益提高4）确定研究目标：轧机振动监测 对象特点: 设备大型化、高速
2、化、自动化、精密化；巨大动载荷危害成为生产的瓶颈 轧机振动形式：主传动扭转振动、轧件和轧辊垂振、轴向振动 扭振危害：传动系统零部件疲劳失效或断轴；与垂振共同影响产品质量；与电气系统产生机电共振；引起低频振动噪音 现有研究领域轧机动力学设计分析（TAF 计算、频率振型计算、结构参数优化设计）研究工艺参数变化对扭振状态的影响（如传动间隙、阻尼、滑动摩擦系数）异常轧制状态研究（如打滑和自激振动机理）非线性轧制振动状态研究（如有间隙和振动边界的自激振动系统的非线性振动） 研究手段：动力学建模、分析、动态特性研究、频谱分析等 现存问题动力学建模存在误差、非线性振动机理研究不完备、分析方法没有针对性2、
3、机械故障诊断的技术内容、基本特点和主要方法1） 基本环节 状态检测（信号检测、状态分析） 故障诊断（故障模式识别、定位） 决策形成（趋势预测、治理措施） 2） 基本特点 交叉学科(计算机科学、信号分析与系统、动力学理论与方法、人工智能等)、 理论性和实践性俱强 新理论和新技术密集3） 主要方法（根据所利用状态特征信号的性质不同分类） 振动诊断方法（拾取并分析振动特定部位的振动位移、速度或加速度信号） 噪声诊断方法（如声发射技术） 温度诊断方法（如超声波、红外测温）机械故障诊断的基本原理 油液分析方法（分析有代表性油液中的磨粒，判断设备磨损情况）4) 振动诊断方法的特点 振动参数值是动态特性的直
4、接综合反映，因而参量测取少、分析预测准确 动力学系统中故障和响应之间存在程度不同的映射关系，便于有效分析 测试分析仪器价格相对较低，且容易实现测量，因而诊断成本较低 正问题求解（故障分析建立诊断知识库）和逆问题求解（故障诊断解读实测数据和图谱）结合 根据所依据的对象动力学原理不同，分为线性振动诊断方法和非线性振动诊断方法3、线性振动理论和非线性振动理论的比较 1）定义不同： 线性振动系统质量不变、弹性力和阻尼与运动参数成线性关系的系统；数学描述为线性常系数常微分方程，通过求解其频率、振幅、相位、激励、响应、模态等分析振动状态；是振幅足够小的大多数情况下振动对象的近似描述）的振动系统。 非线性振
5、动系统区别于线性振动系统的振动系统2）研究角度不同： 前提：非线性是机械系统动力学的固有属性，工程中的绝大多数振动系统都是非线性。条件是考虑机械系统中的非线性因素：作用力非线性（电场力、磁场力、万有引力） 、运动学非线性（法向加速度、科氏加速度） 、材料非线性（非线性本构关系） 、几何非线性（弹性大变形）等。 线性振动理论是在一定范围内将诊断对象线性化，利用线性系统成熟的研究方法和结论，降低问题的理论难度和计算工作量，且所的结果基本符合实际。 非线性振动理论适用于当对象的非线性较为突出，或者故障状态发生时（故障状态时系统非线性行为更加显著，如振动状态突变、组合共振、混沌振动等） ，此时线性振动
6、理论存在较大分析误差和局限性。4、 非线性振动的研究方法分类根据非线性现象的物理本质，研究和建立非线性系统的数学模型和计算方法，确定系统的定性特征和定量规律，包括：1） 定性几何方法（直接由运动微分方程出发，通过相平面、相轨迹、奇点、极限环等几何性质作定性分析，用于研究系统可能发生的稳态运动平衡状态和周期运动。其数目和稳定性可随系统参数变化而突然变化的现象叫分岔现象）2） 定量解析方法（对于若非线性系统，在线性系统界的基础上寻求非线性微分方程的近似解析解，得到运动规律及参数条件依赖关系）3） 参数识别方法 （非线性对象分析方法，见下文）4） 特殊机理法（混沌、分岔理论） 。5、非线性振动的主要
7、形式：1） 自由振动和受迫振动（含非线性小量（高次项小系数）的弱非线性系统，如周期激励时的主共振、亚谐波共振、超谐波共振）2） 自激振动（输入能量与耗散能量达到平衡而维持等幅振动，如电铃）3） 参数振动（由外界激励产生，但激励对系统的作用通过系统内参数的周期改变实现，且稳定性决定于能量的数入与耗散的关系有三种状态：不稳定、渐进稳定、周期运动。如变长度摆、秋千）4） 混沌振动（产生于确定性系统的敏感依赖于初始条件的往复性稳态非周期振动，非线性系统特有振动形式，类似于随机振动而具有长期不可预测性）6、非线性对象分析研究的主要方法1） 分析处理方法：时域、频域分析、频谱分析、功率谱分析、小波分析、分
8、形等2） 识别预测方法： 唯理预测模型：需要对系统运行机理有彻底了解，从而建立预测模型，如各种统计预测（参数自回归） 、双线性模型、状态依赖模型等。 唯象预测模型：只利用现存历史数据或经验构造模型，推测未来，属于黑箱膜型。如神经网络（ANN） 、小波网络（WNN） 、模糊系统(FS)、演化算法、混沌预测等。7、轧机非线性振动分析预测的研究步骤1) 轧机非线性振动形式、特点和影响因素分析（如自激振动、参激共振等）2）研究不同振动的表现形式和机理，建立诊断知识库3）根据振动的不同形式研究不同分析手段（拟采取） 小波网络预测模型（非线性系统的状态故障非线性映射实现或非线性函数逼近问题）文献摘录 1：
9、文献摘录 2： 混沌预测模型（具有混沌特征的振动时间序列分析、预测方法）基于吸引子的混沌预测模型混沌预测的具体算法：(1) 在设备运转时，每隔时间 ，测取机械系统的状态参数，获得状态时间序列：itx),(,210简写为 。jx,10（2）建立相空间。对时间序列 所表征的吸引子，),21)(nitx设嵌入维数为 ，延迟时间为 ，将该时间序列进行相空间重构：d)()1()1( 2)()()( 111txdtxdtx dtttnnnn 因此， (,( mtxYn（3）通过计算相空间的分维数、李雅普诺夫指数和柯尔莫哥洛夫熵等参数，对系统是否为混沌行为进行判定，如果是就可以利用混沌吸引子的特征进行混沌预
10、测，如果不是，即改用别的方法；（4）计算其最大可预测时间尺度 ；T（5）在相空间中计算各点到中心点 之间的欧式距离找出 的nYnY临近点 个，在时间尺度 内，利用加权局域预测法求得pT；NidlilnmiikeY1)()(（6）根据相空间重构理论有：复杂机械系统多传感器信号采集特征提取和优化分类层 局部信息融合诊断层NN1 NN2 NNI 综合决策输出层人 机 接 口 模 块多源过程信息监测状态结论)1(,)(), mtxtxYnnn和)1(mN则 对应 ，所以将 的最后一维取出，可得(1txn )(1NTx1nY的预测值)1NT神经网络预测与混沌预测的比较： 综合决策模型 (基于信息融合理论
11、和综合集成技术的复杂系统诊断预测) 信息综合决策系统实现原理图. 集成决策网络实现原理图局部融合子系统NN1NN2NN3 特征矩阵决策融合子系统NN1NN2NNJ 关联分析监测状态输出智能故障监测与诊断系统振动、噪声等 现 场工况信息局部信号分析监测测 量方 程建 立求 解系统动力建模分析系统结构、材 料 等工艺信息典 型动 力特 性分 析运行状态综合决策诊断专家经验、学习样本和人机接口局部状态信息关联与 分 类集成神经网络识别与 决 策状 态监 测结 果 、故障早期诊断小波神经网络分析系统4）需解决的关键技术问题 非线性振动的动力学定性分析和参数识别方法的有机结合（基于灰箱理论的状态参量故障
12、形式诊断知识库建立） 状态界定：建立实现系统稳态运行和故障状态定性分界的有效方法，从而采用不同分析模型（非线性序列预测方法） 边界判别：建立不同非线性振动状态的有效判别方法，从而采用不同适用方法分析预测（不同参数作用下振动特征分析） 确定轧机振动监测需要提取的状态参量类型：如扭转力矩、横向力矩、声发射信号等（基于轧机工作振动机理和信息耦合原理） 研究温度、材料参数变化等非故障非线性因素对分析带来的误差（包括测量温度场分布、弹性模量 E、极惯性矩 Ip 等材料参数随温度变化情况）8、课题研究的几点体会1）文献阅读、调研阶段 有的放矢、提高效率、脉络清晰： 书籍和文献结合； 略读和精读结合； 综述
13、文献和专题研究结合； 基础理论和最新进展结合； 前人研究线索和自身思路对象结合2）研究阶段、逐层深入 由浅入深； 由改进、结合、完善到提出、建构、创新； 由方法平移转换到针对对象完善方法； 由对象深入了解到理论挖掘建构3）课题研究态度和精神 找准方向、持之以恒； 集中精力、阶段突破； 自我定位、团队精神 戒骄戒躁、科学求实附谈：诚实的胜利-非典病原体确认为冠状病毒始末（http:/ 2003 年 05 月 16 日 14:01 南风窗 ） 读 后本刊特约记者 廖怀凌摘要： 二三月份，广东医学界查找病原体的过程中，尽管遭遇过如此的曲折、艰难，但他们依然尊重科学，实事求是。现在全世界都知道非典的病
14、原体是冠状病毒了，记者在这里追溯二三月份广东医学界查找病原体的过程中遭遇过的曲折和艰辛，也许会有人并不乐意。但这是无法改变的历史原貌。记者也希望人们不要带着太多情绪回顾这段历史，因为这些日子非常不容易：不管有没有找到病原体，广东的诊治标准证实是正确的，正因此，广东创造了全球最低的非典死亡率3.5%，远低于世界卫生组织 5 月 7 日公布的 1415%的全球平均数，也低于香港的 20%和加拿大的 10%。草率的宣布省卫生厅接到卫生部电话通知，说国家疾病控制中心在广东送去的两例死亡病例的肺组织标本切片里，用电子显微镜看到了非常典型和清楚的衣原体颗粒图像，其他如支原体、立克次体等也会引起非典型肺炎的
15、病原体都没有发现。看电镜的专家是中国最权威的电子显微镜专家洪涛院士。那天晚上 7 时的中央台新闻联播正式宣布：“中国疾病预防控制中心病毒病预防控制所报告，通过电镜观察发现两份死于本次肺炎病人的尸检肺标本上有典型的衣原体包含体，肺细胞浆内衣原体颗粒十分典型。广东省部分地区非典型肺炎的病原基本确定为衣原体。”。在两例死亡病例的肺组织找到衣原体，只能证实这两个病人携带了衣原体，并不能证实衣原体是致病原因，更不能代表广东全部 305 个病例(当时公布的最新病例数是 305 例)。有的专家还尖锐指出，中国疾病控制中心没有征询广东临床专家意见就急于宣布结论，是非常草率的科研态度。国家疾病控制中心不应该在仅仅完成第一步就急于公布结论。媒体：多种声音2 月 19 日早上报纸非常精彩，有的日报干脆就报道“新华社消息”不加任何评论；有的日报则旗帜鲜明地提出“非典型肺炎病原有争议”、“非典型肺炎病原是衣原体？广东专家保留意见”。这是记者工作接近四年来，第一次看到中央和地方的媒体有完全不同的声音。广州市呼研所
