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| 內容簡介： |
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本书以水轮发电机组轴系为研究对象，对其进行模型盲辨识与振动方面的研究。主要内容包括轴系振动特性的有限元计算、水轮发电机组轴系的原型观测及数据处理、基于输入输出信号的非线性Volterra 系统的时域核参数辨识、轴系模型的盲辨识以及考虑*水力激励轴系的动力响应分析。本书可供相关技术人员进行设计、科研时参考，也可作为高校相关专业高年级本科生、研究生学习用书。
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目录前言主要缩略词和符号表第1 章 概述11.1 水轮发电机组轴系的振动11.1.1 机械振动21.1.2 电磁振动31.1.3 水力振动41.1.4 水轮发电机组轴系模型辨识51.2 复杂作用下水轮发电机组轴系振动的研究进展51.2.1 转子动力学的发展和油膜涡动的处理51.2.2 不平衡磁拉力的求解与电磁振动81.2.3 水力作用的影响与表达 91.2.4 水轮发电机组轴系模型辨识研究进展14第2 章 轴系振动计算的有限元法 172.1 引言172.2 轴系的有限元法172.2.1 单元划分172.2.2 刚性圆盘单元的运动方程182.2.3 弹性轴段单元的运动方程192.2.4 系统的运动方程222.2.5 不考虑陀螺效应时横向振动频率计算222.2.6 临界转速的计算222.2.7 考虑陀螺效应时涡动频率的计算232.3 三结点单元的应用242.3.1 三结点单元的验证242.3.2 某水轮发电机组轴系的横向自振特性分析252.4 考虑剪切效应的三结点单元282.4.1 考虑剪切效应三结点单元的动能和势能282.4.2 剪切效应的算例——单圆盘转子302.4.3 剪切效应对轴系振动特性的影响322.5 三结点单元源程序332.6 本章小结43第3 章 水轮发电机组轴系原型观测及数据处理443.1 机组简介443.2 4 号机组原始观测数据453.3 观测数据处理49第4 章 Volterra 系统时域核参数辨识534.1 引言534.2 Volterra 级数544.2.1 非线性系统的Volterra 时域模型544.2.2 非线性系统的Volterra 频域模型554.2.3 简化的Volterra 模型——Hammerstein 模型564.2.4 Volterra 泛函级数的核辨识574.3 优化算法及其改进574.3.1 混合离散变量的直接搜索算法584.3.2 标准遗传算法614.3.3 遗传算法的改进——混合遗传算法614.4 基于混合遗传算法的Volterra 时域核辨识624.4.1 数值试验624.4.2 数值试验【E4?1】结果分析644.4.3 数值试验【E4?2】结果分析674.4.4 数值试验【E4?3】结果分析684.5 输入输出信号生成的源程序694.6 本章小结76第5 章 水轮发电机组轴系的盲辨识775.1 高阶统计量775.1.1 高阶矩775.1.2 高阶累积量785.1.3 高斯信号的高阶累积量785.1.4 高阶矩与高阶累积量的转换关系795.2 基于高阶累积量的Volterra 核参数盲辨识805.2.1 Volterra 模型与假设805.2.2 输出序列的三阶累积量计算815.2.3 三阶累积量的一致估计825.2.4 时域核参数的盲辨识835.3 数值试验835.3.1 数值试验模型835.3.2 数值试验【E5?1】的辨识结果855.3.3 数值试验【E5?2】的辨识结果855.3.4 数值试验【E5?3】的辨识结果865.3.5 不同记忆长度的影响875.3.6 信号数据采样长度的影响885.4 水轮机主轴系统时域核参数的盲辨识885.4.1 数据准备885.4.2 超速试验工况【E3?2】的辨识结果895.4.3 满负荷运行工况【E3?4】的辨识结果905.5 水轮机转轮上水力激励的反向递推求解915.5.1 反向递推求解方法915.5.2 数值试验【E5?3】935.5.3 水轮机转轮上水力激励的反向递推求解965.6 系数ijk γ 取值的循环判断法975.7 本章小结101第6 章 水轮发电机组轴系动力响应分析1026.1 引言1026.2 机组轴系上的作用力1036.2.1 导轴承非线性油膜力1036.2.2 机械不平衡力1046.2.3 发电机转子不平衡磁拉力1046.2.4 水力不平衡力1046.3 机组轴系的运动方程1056.3.1 机组轴系的力学模型1056.3.2 机组轴系的运动方程1056.3.3 运动方程的无量纲化1076.4 某机组轴系动力响应分析1096.4.1 某机组轴系简介1096.4.2 转速对系统振动的影响 1106.4.3 质量偏心对系统振动的影响1116.4.4 励磁电流对系统振动的影响1126.4.5 关键部位的响应图示1146.5 随机水力激励下系统的响应1206.5.1 随机水力激励为零均值一方差的i.i.d.信号1206.5.2 随机水力激励大小的影响1236.6 动力响应计算及图形绘制源程序1256.7 本章小结130参考文献132
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前言水轮发电机组是水电站起能量转换作用的核心部分，其轴系的振动直接影响机组的安全运行和水电站的整体性能。因此，对于水电站水轮发电机组轴系振动研究具有重要的工程实用价值。本书依托国家自然科学基金重点项目（50839003）、国家自然科学基金项目（51279071），以水轮发电机组轴系为研究对象，对其进行振动与模型盲辨识方面的研究，以期对水轮发电机组轴系的动力分析提供理论支持和数据参考。全书共有六章，主要内容如下：第1 章对于水轮发电机组轴系的振动进行了概述。第2 章将水轮发电机组轴系视为一个转子轴承系统，对于水轮发电机组轴系的基本特性做了研究。在运用有限元法对轴系进行计算时，使用了三结点有限单元和考虑剪切效应的三结点单元。推导了相应单元的插值函数、移动惯性矩阵、转动惯性矩阵、回转矩阵和刚度矩阵，编制了基于Matlab 的有限元计算程序，计算和得到了某水轮发电机组轴系的涡动频率、振型和临界转速等横向自振特性。根据得到的涡动频率随主轴转速的变化规律，可以为水轮发电机组轴系的设计提供参考。第3 章从轴系的有关试验中提取有意义的数据来分析讨论轴系的模型。由于水轮发电机组轴系水力激励（输入信号）不易测得，因此需要寻找能够解决这一难题的方法。本章对于某水电站4 号机组水轮发电机组轴系的原型观测数据进行了分析，并将信号中的周期性成分进行了滤波处理，以便后续对于轴系进行盲辨识。第4 章对于Volterra 级数进行了阐述，分析了非线性Volterra 系统的时域模型和频域模型。在基于输入输出数据辨识非线性Volterra 系统的时域核时，使用基于混合遗传算法（HGA）的优化算法，并用算例证明HGA 的有效性。第5 章对水轮发电机组轴系进行了盲辨识。将水轮发电机组轴系简化为一个二阶Volterra系统，把观测到的水导轴承处的横向摆度信号作为系统的输出信号，使用基于三阶累积量的盲辨识方法，即只根据输出信号辨识出二阶Volterra 系统的时域核参数。在计算输出信号的三阶矩时，使用了计算机循环判断法。将这些方法应用于某水电站4 号水轮发电机组轴系，通过盲辨识得到了该非线性Volterra 系统的二阶时域核和二阶频域核。再通过反向递推求解，得出了可作为输入信号的水力激励信号。这对研究水轮发电机组轴系的外部作用形式很有启发。第6 章是水轮发电机组轴系动力响应分析。建立了水轮发电机组轴系的计算模型，考虑了随机水力激励、非线性油膜力、机械不平衡力、不平衡磁拉力等的作用，推导了轴系的动力学方程。分析了轴系转速、质量偏心、励磁电流以及随机水力激励大小等机械、电磁、水力参数对于轴系动力响应的影响。结果发现，水轮机转轮上作用的随机水力激励（零均值、独立同分布信号）对于上导轴承、发电机转子影响甚微，对于下导轴承有一定影响，对于水导轴承和水轮机转轮影响较大，且随着随机水力激励的加强，此影响也随之变大。在本书的写作过程中，得到了昆明理工大学张立翔教授的悉心指导与帮助，在此向张立翔教授表示衷心感谢。感谢郑州机械研究所慎政研究员在本书的实验部分给予的帮助和支持。由于作者水平有限，书中错误之处在所难免。敬请读者批评指正。著 者于华北水利水电大学龙子湖校区A3 号楼2017.1
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