关键词：旋转机械;;扭振;;光纤光栅;;经验模态分解;;特征检测
摘 要：在现代工业生产和制造领域中,旋转机械是各类机械设备中应用最广泛的一类机械,如电动机、离心式风机、水泵以及各种加工机床等。其关键部件传动轴系经常因机械、动力和负载等方面的原因发生短暂或持续的转矩和转速波动震荡,从而使旋转轴系发生扭转振动。扭振产生的扭振应力会使轴系各端面受到交变的剪切应力,导致轴系疲劳积累,从而缩短其工作寿命,严重时甚至导致部件的瞬时破坏,为此迫切需要有效的监测分析技术,以避免可能发生的灾难性事故。对于旋转机械扭振的监测分析技术主要包含两个方面的内容:一是实现旋转机械扭振信号的检测,二是对检测到的扭振信号进行分析,提取有用特征信息。传统的电测传感技术、加速度扭振测量技术以及激光检测技术,存在易受电磁干扰、不易安装以及成本昂贵等问题;针对扭振特征频率的分析,传统的时域分析、傅里叶分析以及小波分析,又存在难以提取连续变化的扭振特征频率以及微弱的扭振特征频率等问题。本文针对传统的扭振检测技术以及信号分析方法的不足,提出一种将新型的光纤光栅检测和处理非稳定非线性信号的EMD分析相结合检测扭振特征信号的新方法,实现旋转轴在不同工况下的扭振信号的准确监测与分析。论文的主要工作如下:1.通过分析旋转轴扭振测量技术、信号分析方法以及光纤光栅传感技术的研究现状,提出了一种将新型的光纤光栅检测和EMD分析相结合提取扭振特征信号的新方法。2.通过研究旋转机械轴系的扭振产生机理以及FBG传感原理,设计光纤光栅扭振传感器,建立扭振与光纤光栅的应变传递模型;利用ANSYS workbench的有限元仿真分析获得传感器的传感特性,搭建FBG扭振传感器性能测试系统,实现对传感器的固有频率、非工作状态下的动态特性及旋转状态下的动态特性研究,分析其传感特性。3.通过研究EMD变换的原理和特点,分析EMD分解获得的固有模态函数与扭振特征频率之间的对应关系,通过MATLAB仿真模拟伺服电机启动过程以及稳定工作后两种状态下的扭振信号,分别采用FFT、小波以及EMD提取这两种状态下的扭振信号特征频率;最后,将模拟的扭振信号与实际工程中的扭振信号相结合,设计了基于LabVIEW和MATLAB的旋转机械扭振信号采集分析系统。4.基于大型旋转机械测试实验平台,搭建FBG扭振传感器、转矩传感器以及光纤转速脉冲传感器的旋转实验台扭振检测系统;在该扭振检测系统上完成FBG扭振检测试验,并将三种传感系统采集的扭振信号进行时域和频域的对比分析;最后,改变旋转轴运转工况,施加单一激励、变频激励和主轴系统重力不平衡等激励信号,进一步研究不同工况下FBG传感和EMD的扭振特征提取。
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