【摘要】：機(jī)械設(shè)備的故障診斷技術(shù)是機(jī)械工程學(xué)科的一門重要分支學(xué)科,它不僅包括對機(jī)械設(shè)備故障機(jī)理的研究,也包括對診斷手段和方法的研究,其中最重要的診斷方法之一是振動(dòng)診斷技術(shù)。振動(dòng)診斷技術(shù)面臨的關(guān)鍵問題是微弱信號(hào)的檢測和處理,由于實(shí)際工程中微弱信號(hào)的廣泛存在,微弱信號(hào)的檢測方法在一定程度上決定了振動(dòng)信號(hào)分析乃至故障診斷的準(zhǔn)確率。將這個(gè)問題提煉出來,就是機(jī)械設(shè)備故障診斷中的微弱信號(hào)檢測問題。微弱信號(hào)檢測方法大體可以分為傳統(tǒng)的線性方法和近幾年逐漸興起的非線性方法。本論文以非線性Duffing振子為研究對象,研究基于非線性Duffing振子的微弱信號(hào)檢測方法,深入分析其檢測原理、檢測模型和檢測效果,并解決實(shí)際工程中的應(yīng)用問題,最終實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的檢測和機(jī)械設(shè)備的故障診斷。這也是本論文研究的重要意義和最終目的。Duffing振子不僅存在混沌特性,也存在隨機(jī)共振特性,由這兩點(diǎn)非線性特性均能夠發(fā)展出相應(yīng)的微弱信號(hào)檢測方法。因此本論文整體可分為兩個(gè)部分。首先研究了Duffing振子的混沌特性。利用Duffing振子在混沌臨界狀態(tài)的參數(shù)敏感性和噪聲免疫特性,可以實(shí)現(xiàn)極低信噪比微弱信號(hào)的檢測。以非線性動(dòng)力學(xué)的基本原理和Mel’nikov方法為主要工具,從定性討論和定量分析的角度全面研究了混沌Duffing振子的動(dòng)力學(xué)特性,在此基礎(chǔ)上,得到基于混沌Duffing振子的微弱信號(hào)檢測方法。該方法能夠達(dá)到較低的檢測信噪比,但在實(shí)際工程中模型存在只能檢測小頻率信號(hào)、模型參數(shù)難以確定、噪聲影響無法避免、信號(hào)初相位影響檢測等問題。本論文提出一種結(jié)合變尺度方法和陣列振子的參數(shù)固定的混沌Duffing振子檢測模型,實(shí)現(xiàn)基于混沌Duffing振子的任意頻率和初相位的微弱特征信號(hào)檢測。其次研究了Duffing振子的隨機(jī)共振特性。Duffing振子的隨機(jī)共振具有對低頻微弱信號(hào)的放大作用,是一種潛在的微弱信號(hào)檢測模型。為揭示Duffing振子的隨機(jī)共振原理,分別從方程來源和演化的角度定性分析了隨機(jī)共振現(xiàn)象,從Kramers逃逸速率的角度定量分析了隨機(jī)共振的產(chǎn)生條件,從絕熱近似理論角度推導(dǎo)了隨機(jī)共振的小參數(shù)限制條件,同時(shí)還提出Duffing振子的穩(wěn)態(tài)解曲線概念,形象、直觀地解釋了Duffing振子的輸出響應(yīng)曲線和隨機(jī)共振原理。原理分析為基于Duffing振子隨機(jī)共振的微弱信號(hào)檢測方法提供基本的理論依據(jù)。為解決Duffing振子在大參數(shù)(大的信號(hào)幅值、頻率和噪聲強(qiáng)度)條件下無法實(shí)現(xiàn)隨機(jī)共振的局限性,創(chuàng)造性引入線性幅值變換、變尺度/參數(shù)調(diào)節(jié)和阻尼比參數(shù)調(diào)節(jié)的方法,分別實(shí)現(xiàn)大幅值、大頻率和大噪聲強(qiáng)度參數(shù)條件下的Duffing振子隨機(jī)共振,論文中還證明了Duffing振子在大頻率參數(shù)條件下的變尺度和參數(shù)調(diào)節(jié)隨機(jī)共振的等價(jià)性。綜合上述方法,最終提出在任意大參數(shù)條件下Duffing振子隨機(jī)共振的實(shí)現(xiàn)方法。提出級(jí)聯(lián)Duffing振子的模型,證明該模型同樣具有隨機(jī)共振特性,也同樣可以實(shí)現(xiàn)大參數(shù)隨機(jī)共振。研究該模型比單級(jí)Duffing振子具有更好輸出響應(yīng)效果的參數(shù)條件,包括特征信號(hào)的幅值、頻率、噪聲強(qiáng)度和系統(tǒng)的阻尼比參數(shù)、級(jí)數(shù)等。研究表明級(jí)聯(lián)Duffing振子在參數(shù)條件合適的情況下能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比,同時(shí)由于其優(yōu)良的整形濾波性能,也是一種潛在的方波信號(hào)檢測模型。提出全面包含系統(tǒng)參數(shù)、信號(hào)參數(shù)和調(diào)節(jié)參數(shù)在內(nèi)的Duffing振子廣義調(diào)參隨機(jī)共振模型,以Kramers逃逸速率為理論工具,提出Duffing振子實(shí)現(xiàn)隨機(jī)共振的判別函數(shù),從而對該模型中的參數(shù)對系統(tǒng)隨機(jī)共振的影響進(jìn)行全面和深入的研究。研究表明,該模型能夠在系統(tǒng)、信號(hào)和噪聲三者不匹配時(shí),通過廣義參數(shù)調(diào)節(jié)的方法實(shí)現(xiàn)Duffing振子的隨機(jī)共振,最后總結(jié)得到其調(diào)參規(guī)律。綜合上述研究成果,最終提出基于Duffing振子隨機(jī)共振的微弱信號(hào)檢測方法。給出具體的檢測模型和檢測步驟,通過3個(gè)故障診斷實(shí)例驗(yàn)證了該方法在實(shí)際工程應(yīng)用中的有效性和可靠性。本論文的研究不僅完善了基于混沌Duffing振子的微弱信號(hào)檢測方法,而且建立并基本構(gòu)建了基于Duffing振子隨機(jī)共振的微弱信號(hào)檢測方法理論和體系。研究成果為微弱信號(hào)檢測提供新的思路,為方法的進(jìn)一步深入研究打下了理論和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。
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【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TH17
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本文編號(hào)：2319395