发动机结构振动与故障诊断理论技术
作者： 徐玉秀，杨文平 著
出版时间： 2015年版
内容简介
本书从发动机系统动力学分析、复杂系统的故障诊断的基点出发，探讨复杂机械系统动力学分析及故障诊断的理论、技术方法，并应用于工程实例。全书共上、中、下三部分，共23章，包括发动机结构的动力学建模、故障诊断方法和风力发电机组的故障分析，以及实际工程应用。本书的出版由天津市自然科学基金项目“基于混沌理论的复杂旋转机械故障诊断技术研究”、“基于风力机组振动特性的叶片损伤检测与诊断”和“天津工业大学研究生课程优秀教材建设资助项目-复杂机械系统振动与故障诊断”资助。书中内容主要来源于上述课题的研究成果，同时也参考了国内外相关学科领域有关的研究成果和专著。
目录
上 部
第1章 内燃机结构振动与仿真分析简介\t3
1．1 引言\t3
1．2 内燃机结构振动与活塞动力学的研究概况\t3
1．2．1 内燃机结构振动分析研究概况\t4
1．2．2 内燃机结构振动反问题简述\t4
1．2．3 内燃机活塞动力学研究概况\t5
1．3 重要意义与主要内容\t7
1．3．1 重要意义\t7
1．3．2 主要内容\t7
1．3．3 仿真模型系统的确认与验证\t8
第2章 发动机故障振动问题的技术路线分析\t9
2．1 引言\t9
2．2 发动机故障诊断基本问题\t9
2．3 解决问题的技术路线\t11
第3章 直列六缸发动机曲柄滑块机构动力学\t13
3．1 引言\t13
3．2 曲柄滑块机构理论模型\t14
3．2．1 曲柄滑块机构运动分析\t14
3．2．2 曲柄滑块机构作用力分析\t16
3．2．3 发动机曲柄滑块机构动力学方程\t16
3．2．4 轴承摩擦力矩特性\t17
3．2．5 外载荷特性\t18
3．2．6 活塞组作用力\t18
3．2．7 工质作用力\t19
3．3 计算模型\t19
3．3．1 算法设计\t19
3．3．2 算法实施\t20
3．4 数据参数\t20
3．5 模型验证\t21
3．5．1 运动副作用力特征的定性检查\t21
3．5．2 稳态瞬时转速波动检验\t22
第4章 发动机一维气体流动热力学计算\t24
4．1 引言\t24
4．2 理论模型\t24
4．2．1 系统基本方程\t25
4．2．2 缸内传热模型\t27
4．2．3 燃烧放热模型\t28
4．2．4 气阀流量特性\t29
4．2．5 变工况燃烧模型参数计算\t30
4．2．6 涡轮增压系统匹配计算\t30
4．3 计算模型\t31
4．3．1 算法设计\t31
4．3．2 稳定工况获取\t32
4．3．3 稳定工况热力学系统求解结果\t32
4．4 数据参数\t33
4．5 模型验证\t34
4．5．1 外特性验证\t34
4．5．2 对仿真柴油机效率的定性考察\t34
第5章 活塞二阶运动计算\t36
5．1 引言\t36
5．2 理论模型\t36
5．2．1 考虑惯性的光滑型面下活塞二阶运动方程\t39
5．2．2 活塞二阶运动求解意义\t43
5．3 算法模型\t43
5．3．1 求解过程\t44
5．3．2 压力分布求解\t44
5．3．3 动力学方程求解迭代格式改进\t47
5．4 几何数据参数有效估计\t49
5．4．1 几何及质量参数\t49
5．4．2 活塞裙部型线\t49
5．4．3 数值求解活塞二阶运动的有关参数\t50
5．5 模型确认与验证\t50
5．5．1 模型验证\t50
5．5．2 模型确认\t51
第6章 柴油机机体有限元建模与模型验证\t53
6．1 引言\t53
6．2 机体有限元建模\t54
6．2．1 单元和单元属性\t54
6．2．2 子结构划分与结合面连接方式\t54
6．2．3 有限元建模和结构简化的处理\t55
6．2．4 支撑约束处理\t55
6．2．5 模型动力响应求解方法\t56
6．2．6 模型的检查和验证\t56
6．3 柴油机机体锤击试验布置与实施\t57
6．4 模态参数时域辨识\t58
6．4．1 ERA法概述\t58
6．4．2 算法实现\t60
6．4．3 模态参数辨识结果评估\t60
6．4．4 柴油机频带阻尼分布估计\t61
6．5 EMA与FEM结果比较\t61
第7章 活塞组横向冲击下机体表面振动分析与验证\t63
7．1 引言\t63
7．2 理论模型\t64
7．2．1 基本假定\t64
7．2．2 机体结构动力学分析模型\t65
7．3 计算模型\t67
7．3．1 载荷组划分\t67
7．3．2 工作情况下的阻尼估计\t69
7．3．3 稳态工况热力学参数获取\t70
7．3．4 求解过程\t71
7．4 仿真模型确认与验证\t71
7．4．1 与实际测试信号在频域上的比较\t71
7．4．2 与实际测试信号在时域上的比较\t72
7．4．3 对实测波形特征点性质的确认\t73
7．5 不同工况与参数下活塞横向冲击引起表面瞬态响应特性研究\t74
7．5．1 冲击特性随转速的变化\t74
7．5．2 不同转速时活塞对缸套主副推力侧作用力最大增量的变化\t75
参考文献\t77
中 部
第8章 发动机结构振动及其振动传递路径分析\t83
8．1 引言\t83
8．2 直列六缸发动机表面振动分析\t83
8．3 直列六缸发动机振动的激振源及其特性分析\t84
8．3．1 燃烧激振源\t85
8．3．2 活塞侧向敲击激振\t85
8．3．3 气门撞击激振\t86
8．4 柴油机振动传递路径分析\t86
第9章 发动机表面振动信号特性分析\t88
9．1 引言\t88
9．2 柴油机表面振动信号的采集\t88
9．2．1 发动机测试实例\t89
9．2．2 传感器及测试仪的选取\t89
9．2．3 振动测点位置\t89
9．2．4 采样频率的确定\t90
9．3 发动机几种常见故障的描述\t91
9．3．1 燃烧冲击\t91
9．3．2 活塞侧向敲击\t91
9．3．3 进、排气门间隙异常\t91
9．4 发动机表面振动信号特性\t92
9．4．1 时域、频域特性\t92
9．4．2 循环波动特性\t92
9．4．3 非平稳时变特性\t92
第10章 发动机振动烈度的频域估计方法\t93
10．1 建立振动烈度频域估计表达式\t93
10．2 对振动数据的要求\t95
10．3 基本公式的数值验证\t95
10．4 振动烈度算法设计\t97
10．5 方法的验证\t98
第11章 基于瞬时转速的发动机故障特征提取\t100
11．1 发动机瞬时转速原理\t100
11．2 发动机瞬时转速特征量提取\t100
11．3 瞬时转速信号的数据处理与实验结果分析\t101
11．3．1 瞬时转速脉冲信号的测试分析\t102
11．3．2 瞬时转速谐波信号的测试分析\t105
第12章 配气系统振动的时域与频域分析\t111
12．1 发动机配气系统振动信号采集\t111
12．2 发动机振动信号时域分析\t112
12．2．1 峰峰值法的振动信号特征提取\t112
12．2．2 信号多测点信息融合诊断分析\t114
12．2．3 实例测试分析\t115
12．3 发动机振动信号频域分析\t117
12．3．1 基于STFT的发动机振动信号特征提取\t117
12．3．2 STFT功率谱能量的振动信号分析\t120
12．3．3 实测信号分析\t122
12．3．4 时域冲击特征识别\t130
12．3．5 冲击特征参数提取\t131
第13章 基于小波分析的发动机振动分析\t133
13．1 傅里叶分析与小波分析\t133
13．1．1 Fourier 分析\t133
13．1．2 小波分析原理简介\t134
13．1．3 二进小波和二进小波变换\t135
13．2 小波多分辨率分析\t136
13．2．1 正交小波\t136
13．2．2 正交多分辨分析\t136
13．2．3 Doubechies紧支小波\t137
13．3 正交小波包分析\t138
13．3．1 小波变换与时-频分析\t138
13．3．2 正交小波包\t139
13．3．3 小波包算法\t139
13．3．4 利用小波包进行信号的消噪处理\t140
13．3．5 利用小波包分析进行信号特征提取\t143
13．4 Laplace基波相关性的特征参数提取\t145
13．4．1 Laplace小波及其特性\t145
13．4．2 基于Laplace小波提取进、排气门落座冲击响应特征参数\t146
第14章 匹配追踪法的发动机多故障综合诊断\t152
14．1 匹配追踪法的故障特征提取\t152
14．1．1 信号的展开与内积\t152
14．1．2 匹配追踪信号展开\t153
14．1．3 匹配追踪时频表示与分布\t155
14．1．4 匹配追踪法的故障实例分析\t156
14．2 匹配追踪法的多故障综合诊断\t160
14．2．1 多故障综合诊断的统一算法\t161
14．2．2 信号最优化匹配追踪分解算法\t161
14．3 多故障实例分析\t162
14．3．1 多缸进气门间隙故障\t162
14．3．2 多缸排气门间隙故障\t164
14．3．3 多缸进气门、排气门间隙故障的诊断\t165
14．3．4 燃烧冲击及活塞敲缸冲击故障诊断\t167
第15章 发动机多故障综合诊断方法\t169
15．1 马氏距离方法对冲击类型的识别\t169
15．1．1 马氏距离的定义\t169
15．1．2 多类马氏距离判别\t169
15．1．3 实例分析\t170
15．2 BP神经网络在发动机配气系统故障诊断中的应用\t172
15．2．1 神经元模型\t173
15．2．2 三层神经网络的基本结构\t173
15．2．3 故障诊断的神经网络设计\t174
15．2．4 神经网络分类识别\t176
参考文献\t183
下 部
第16章 风力发电机组齿轮箱故障诊断\t187
16．1 风力发电机组状态监测及故障诊断国内外发展现状\t187
16．2 大型风电机组传动系统及典型故障概述\t188
16．2．1 大型风力发电机组基本结构\t188
16．2．2 大型风力发电机组传动系统\t189
16．2．3 大型风电机组传动系统典型故障\t191
第17章 风电机组传动系统故障特征及诊断方法\t195
17．1 转子故障机理与特征\t195
17．1．1 转子不平衡\t195
17．1．2 转子弯曲\t196
17．1．3 转子支承部件松动\t197
17．1．4 碰摩故障\t200
17．1．5 转子不对中\t201
17．2 滚动轴承故障机理与特征\t203
17．2．1 滚动轴承典型结构\t203
17．2．2 滚动轴承特征频率\t204
17．2．3 轴承的固有振动频率\t204
17．2．4 滚动轴承运行故障特征\t205
17．3 齿轮故障机理与特征\t208
17．3．1 齿轮的简化振动模型\t208
17．3．2 齿轮振动的啮合频率调制现象\t209
17．3．3 齿轮故障振动特征\t210
17．4 故障特征提取方法\t212
17．4．1 倒频谱\t212
17．4．2 细化谱分析\t214
17．4．3 解调谱\t215
第18章 大型风电机组传动系统故障诊断分析\t217
18．1 风电机组测点说明\t217
18．2 电机转子故障分析\t218
18．3 齿轮故障分析\t221
18．4 轴承故障分析\t230
第19章 基于LabVIEW的风电机组传动链故障诊断系统设计与开发\t237
19．1 LabVIEW简介\t237
19．2 数据分析与故障诊断系统的设计开发\t238
19．2．1 数据读取回放模块\t238
19．2．2 转子信号分析模块\t239
19．2．3 齿轮信号分析模块\t240
19．3 数据分析和故障诊断系统分析实例\t240
第20章 风力机叶片振动信号的获取及特性分析\t244
20．1 基于机组振动的叶片振动信号获取\t244
20．1．1 风力机叶片模态试验\t244
20．1．2 风力机模态试验结果\t247
20．1．3 测点位置的选择\t252
20．1．4 风力机叶片故障设置\t253
20．1．5 风力机叶片振动信号测试\t253
20．2 风力机叶片振动信号特性分析\t254
20．2．1 叶片常见故障\t254
20．2．2 叶片不同故障状态下信号的振动特性\t254
第21章 风力机叶片故障特征量的提取及故障分析\t259
21．1 风力机叶片故障特征量提取\t259
21．1．1 振动信号能量变化率计算\t259
21．1．2 特征值的提取方法\t260
21．1．3 特征值的提取过程\t260
21．2 风力机叶片故障的分析\t261
第22章 基于支持向量机的叶片故障模式识别\t265
22．1 支持向量机（SVM）分类学习算法原理简介\t265
22．1．1 支持向量机分类（SVC）算法\t265
22．1．2 支持向量机（SVM）的核函数\t268
22．2 支持向量机（SVM）数据前处理\t269
22．2．1 数据归一化\t269
22．2．2 数据降维\t269
22．2．3 参数寻优\t269
22．3 基于支持向量机的叶片故障诊断\t270
第23章 旋转与往复式机械故障诊断系统\t273
23．1 系统结构\t273
23．2 诊断系统的安装要求、软件特点和实现过程\t274
23．3 系统实现\t275
23．4 系统应用结果\t276
参考文献\t278
