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1、毕 业 设 计(论文)题 目：基于Matlab的转子故障振动信号分析院 系机械工程系专业班级学生姓名指导教师二一六年六月华北电力大学本科毕业设计（论文）基于Matlab的转子故障振动信号分析摘要随着机械行业的日益发展，转子等旋转机械的故障日渐趋多，转子的故障诊断技术受到越来越多的重视，并在世界范围内取得了长足的进步。作为大型机器中不可或缺的部件，有着举足轻重的作用，但自身也存在缺点：造价很高，结构纷繁杂乱，如果出现受损的情况，则需要很长的时间来维修，故对其安全可靠性具有较高的要求。对发电机及其转子进行状态监测和信号分析，避免更大事故的产生，对于安全生产具有重要意义，对于工业发展具有积极的推动作
2、用。转子故障类型主要有四种：转子不平衡、转子不对中、动静碰摩以及油膜涡动与振荡。首先明确转子的故障类型及故障机理，掌握不同类型的故障特征，能够准确区分转子的几种故障类型。然后应用Matlab软件，在Matlab软件中建立起转子故障图形程序，利用Matlab中的程序对仿真信号及故障数据进行分析，包括信号的时域图、频域图以及轴心轨迹图，最后与已知的故障机理进行比较，检验其正确性。关键字：转子；Matlab；故障机理；信号分析ANALYSIS OF ROTOR FAULT VIBRATION SIGNAL BASED ON MatlabAbstractWith the development of
3、the machinery industry, the rotor and other rotating machinery are becoming more and more common. Rotor fault diagnosis technology has been paid more and more attention, and has made great progress in the world. As an indispensable part of the large machine, although it has a pivotal role, it comes
4、with own shortcomings: high cost, complex structure, a long time to repair the damaged. Therefore, it requires high safety and reliability. The condition monitoring and signal analysis of the generator and its rotor are of great significance to the safety production, and they play a positive role in
5、 promoting the development of the industry.There are four kinds of rotor fault types: rotor unbalance, rotor misalignment, static and dynamic rub impact and oil whirl and oscillation. First, the fault types and fault mechanism of the rotor are clearly defined, and the fault characteristics of differ
6、ent types of faults can be mastered. Establish a rotor failure graphics program in the Matlab software,and the use of Matlab program for the simulation of signal and fault data analysis includes the signal time domain, frequency domain and the axis trajectory Finally known failure mechanism were com
7、pared, to test its correctness.Keywords: rotor; Matlab; failure mechanism; signal analysis目录摘要IAbstractII1绪论11.1课题背景11.2 国内外发展概况21.3 Matlab软件简单介绍21.4 课题研究内容31.5 本章小结42转子系统典型故障机理与特征52.1 转子不平衡52.2 转子不对中72.3 动静碰摩92.4 油膜涡动与油膜振荡102.5本章小结113振动信号分析方法及仿真分析123.1信号的时域分析方法123.2 信号的频域分析方法133.3 信号的轴心轨迹图143.4 仿真分
8、析143.6本章小结154基于Matlab的转子故障振动信号分析174.1数据分析174.1.1转子不平衡174.1.2动静碰摩194.1.3油膜涡动和油膜振荡214.2本章小结235结论与展望245.1结论245.2展望25参考文献26致谢29附录A 基于Matlab的转子故障振动信号分析仿真程序30I华北电力大学本科毕业设计（论文）1绪论旋转机械是最常用的机械设备之一，如汽轮机、航空发动机、发电机等。转子工作时往往伴随着高转速和复杂工况，容易产生各种故障，一旦故障发生，将带来重大安全隐患和经济损失。随着科学的进步与发展，对旋转机械转速、效率的要求不断提高，转子系统的工作环境越来越恶劣，转子
9、故障时常发生。加强对转子故障诊断的研究，防患于未然，具有十分重要的意义1。转子发生故障的重要特征是机器伴有异常的振动，其振动信号能够从时域或频域实时地反应机器的故障信息2。1.1课题背景旋转机械在工业生产中占有极其重要的地位，是电力、石油、矿业、机械、化工、冶金等领域的关键设备。对旋转机械的状态监测与故障诊断是保证设备长期安全运行的重要手段345。本文详细分析转子几种故障的机理，用Matlab软件构建出时域频域及轴心轨迹图，模拟了不平衡、转子碰摩、油膜涡动与震荡等典型故障，并对这些故障的数据进行处理操作，在程序出图后对图谱进行进动分析，得出转子各种典型故障下的振动特征。对转子故障的分析诊断和医
10、生看病道理相同。医生通过望闻问切得到患者的信息，并据此开出药方针对患者病情。对于转子的故障诊断，第一就要求检测者可以从机器上获取故障信息，并根据已知的故障类型进行对比分析归类。例如对于发电机组等大型旋转机械的振动信号，从其幅值域、频率域和时间域诊断并据此对机器故障类型提出分析根据，但这只是其中的一部分，转子的运行受力不均、热胀冷缩、碰撞摩擦都或多或少的对转子的正常运行有影响，而这些往往也是造成机器发生异常振动和产生故障甚至发生事故的重要因素67。因此，转子的故障诊断和信号分析对于整个机械行业甚至工业具有十分重大的意义8。近年来，现代转子故障研究取得了很大进展，国内外科技工作者和研究人员采用非线
11、性理论等方法对转子系统做了大量的研究工作，诸如对转子系统裂纹故障的分岔与混沌行为及裂纹故障转子称定性的研究，对转子系统油膜振荡的研究，对转子系统碰摩的研究，对转子系统基础松动的研究，对转子系统分岔与混沌行为及其稳定性的研究，对转子系统故障变化过程及突变的研究等取得了一系列显著的研究成果，这些研究成果为转子的故障诊断提供了丰富的理论依据9。1.2 国内外发展概况旋转机械故障诊断技术虽然只有半个多世纪的发展历史，但旋转机械故障诊断技术在理论和实际应用中均取得了显著的成果，手段也越来越丰富10。现代化的大生产要求对设备进行全方位、多角度的检测与控制，以便对设备的运行状态有全面的了解，采用多个传感器同
12、时对设备的各个位置进行监测，利用逐步发展起来的信息融合技术对多传感器的信息进行融合，可以取得更好的诊断结果。传统的信息融合，是指多个传感器的数据在一定准则下自动分析、综合来完成所需要的决策与评估，是一种信息处理过程11。多传感器信息融合就是一个传统的信息处理过程，它将来自不同时间、不同空间、不同途径的传感器信息协调整合成统一的特征表达，以此来描述某一特定对象与环境特征12。旋转机械振动具有复杂性和可识别性等突出特点，所以振动检测法在旋转机械故障监测诊断中具有较高的可靠性，许多此方面的研究成果在旋转机械监测与诊断中发挥了重要作用。后来，以快速傅里叶变换为基础的数字信号处理技术在机械振动信号处理中
13、得到广泛应用，旋转机械振动的时域、频域和幅值谱等分析结果均可用来故障分析13。最近一些年来，我国科研工作者对转子故障的产生原因、故障机理、力学特征以及预防解决方法进行了大量的理论探讨和实验证明，并在实践过程中积累了丰富的实地经验，对各种旋转机械常见故障的产生原因、故障机理和解决方案上有了较为深刻的认识，为准确诊断等提供了良好的科学依据。清华大学的褚福磊教授在动静碰摩问题上做出突出贡献，得出重要微积分方程，发现了在系统的运动中具有倍周期分岔和Hopf分岔现象，为动静碰摩的预警和分析提供了理论依据14。上海交通大学孟光教授等人在转子力学特性问题研究上取得了突破；高金吉院士等人在碰摩问题上运用混沌理
14、论，在该技术上走在了世界的前沿；同时，国防科技大学的胡茑庆博士通过数据分析，准确的得到了尖锐碰摩转子的振动响应形式及其振动响应特征规律，在转子动静碰摩问题上做出来突出贡献1516。日本的安田千秋等人对异常振动问题进行分析归纳总结，但不限于此，而是在这基础上研究开发了实用的机械振动监测和诊断系统17。1.3 Matlab软件简单介绍Matlab全称为实验室矩阵，是由美国MathWorks公司研发的商业数学软件。Matlab是一种十分先进的技术计算语言和算法开发，故障诊断以及数值计算。除了矩阵运算、绘图功能/数据图像、系统仿真、大数据分析等常用功能，该软件也可以用于用户互动和使用其他编程语言（如C
15、、C+和Fortran）编写程序解决实际问题。虽然Matlab主要用于数值计算，但使用大量额外的工具箱（toolbox）也适用于在不同领域的应用，如控制系统设计与分析、图像处理、信号处理与通讯、数学建模和故障诊断。此外，有一个支持Simulink软件包，它提供了一个可视化的开发环境，常用的系统仿真，新系统的研究开发等。Matlab和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。在数学计算与分析中，这是名列前茅的，很少有其他软件可以做到这样优秀。Matlab可以编写矩阵运算、数值计算、数据分析的程序，相对于C语言C+等，更加简便直白。它主要应用于工程计算、数学分析、控制系统设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、故障诊断与分析。Matlab的指令表达式与C+等汇编语言不同，它所采用的是类似于数学、工程中常用的形式，简便易懂。所以用Matlab解决实际问题比其他编程语言来完成相同的工作简捷许多，Matlab集百家所长，吸收了Maple软件等软件优点，Matlab作为一个强大的数学软件的优点。增加C，FORTRAN语言支持。在Matlab软件中，我们可以直接调用，也可以自己编写个人程序扩充
