非线性俘能系统机电耦合动力学模型分析及故障诊断应用研究.pdf

第37卷第10期振动工程学报Vol.37No.10

2024年10月JournalofVibrationEngineeringOct.2024

非线性俘能系统机电耦合动力学模型分析

及故障诊断应用研究

徐海涛，周生喜

（西北工业大学航空学院，陕西西安710072）

摘要:研究势阱参数对非线性俘能系统输出特性的影响有利于设计高性能的俘能系统；同时，俘能系统对应的机电

耦合动力学模型中的随机共振现象可用于增强微弱故障特征，进而有效识别微弱故障。本文提出一种解耦的鞍点

退化双稳态势能函数，并基于此势能函数介绍了机电耦合动力学模型。研究了在不同激励幅值下位移响应的分岔

图，分析了势阱宽度与势阱高度对系统响应（包括周期响应与混沌响应）的影响。选取固定的激励幅值，利用庞加莱

映射（PoincaréMap）、频谱分析（FrequencySpectrumAnalysis）以及李雅普诺夫指数（LyapunovExponent）等方法分

别验证系统发生了周期响应与混沌响应，验证结果与分岔图相吻合。基于受随机噪声扰动的非线性俘能系统机电

耦合动力学模型，提出了基于此模型随机共振的故障诊断方法，实现了对轴承故障特征增强的目的。

关键词:非线性系统；能量俘获；故障诊断；李雅普诺夫指数；庞加莱映射

中图分类号:O322；TM619；TH165+.3文献标志码:A文章编号:1004-4523（2024）10-1714-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2024.10.009

在涡激振动和基础激励下的压电‑电磁混合俘能系

引言统。相比单一涡激振动或单一基础激励下的俘能系

［17］

统，俘获的能量功率得到了提高。Mei等提出了

随着无线传感技术的快速发展，微型低功耗传具有时变特征的四稳态俘能系统，用于俘获低频旋

［1］转能量。在旋转运动下，俘能系统的有效工作频率

感器已广泛应用于人体健康监测、重大机械设备

［2］［18］

的结构健康监测系统，以及轨道交通基础设施状范围为1~7Hz。Wang等研究了旋转环境下梯形

［3‑4］梁俘能系统。与矩形梁相比，在夹具附近，梯形梁可

态监测系统等。但传统的微型传感器大部分需

［19］

要化学电池供能，这种供能形式需要定期更换电池，以承受更高的应力。Fang等利用膨胀的离心软

且更换的电池对环境有害。利用能量俘获技术俘获化效应提出了超低频旋转运动下的俘能系统，其功

［5‑6］［7‑8］［9‑10］