POVMD与包络阶次谱的变工况滚动轴承故障诊断

针对变转速滚动轴承故障特征提取较难的问题,提出一种基于参数优化变分模态分解(parameter optimized variational mode decomposition,简称POVMD)与包络阶次谱的变工况滚动轴承故障诊断方法。首先,采用POVMD对变转速滚动轴承振动信号进行分解,得到若干个本征模态函数之和;其次,对各个分量的时域信号进行角域重采样,将时变信号转化为平稳信号处理,再利用Hilbert变换估计重采样后的平稳信号的包络;最后,对得到的包络信号进行阶比分析,从谱图中读取故障特征信息。将POVMD方法与经验模态分解进行了对比,仿真信号分析结果表明了POVMD方法的优越性。将提出的变转速滚动轴承故障诊断方法应用于试验数据分析,分析结果表明,所提出的方法能够实现变转速滚动轴承的故障诊断,而且诊断效果优于现有方法。     

无转速计下变工况滚动轴承故障特征量化表征提取

无转速计下变工况滚动轴承振动信号中各信号分量来源难以确定以及瞬时转频准确估计困难,而现有大多数研究依赖于已知转速并关注于时变冲击带来的频谱畸变,鲜有在无转速计变工况下开展轴承故障特征提取探究。提出无转速计下变工况滚动轴承故障特征量化表征提取方法,从振动信号希尔伯特包络中提取轴承故障特征,为定量描述各振动包络分量间关系,提出基于来源假设的特征模型与量化表征方法,利用同步压缩小波变换的时频重排与可重构特性,基于最大能量与最小曲率准则依次估计多时频脊瞬时频率,为降低广义解调后振动包络中干扰分量对量化结果的影响,提出基于选择性重构与广义解调的变工况下干扰抑制与平稳化重置方法。将所提方法用于仿真信号以及轴承振动数据分析,10 k长度信号包络分量在不同来源假设下的特征提取用时约为3 s,同时在无转速计下实现了对2 s内转速变化分别约为300 r/min和200 r/min的内圈故障轴承以及复合故障轴承的特征提取。     

基于非线性短时傅里叶变换阶次跟踪的变速行星齿轮箱故障诊断

针对变速行星齿轮箱信号频率模糊且受噪声影响的问题,提出了基于非线性短时傅里叶变换（NLSTFT）无键相阶次跟踪与变分模态分解的故障诊断方法。用NLSTFT算法估计信号瞬时频率,对其积分获得瞬时相位曲线,通过重采样得到角域信号;利用NCOGS算法对角域信号降噪,采用VMD算法进行角域信号模态分解,通过各模态分量信号包络谱解调实现故障诊断。实验结果表明,新方法计算效率高、鲁棒性好,提高了变转速行星齿轮箱故障诊断性能。     

基于变分模态分解的风电齿轮箱轴承故障诊断方法

双馈异步风力发电机采用变转速变桨距的控制策略以保持风力最大功率捕获,风电齿轮箱时刻处于变速变载的恶劣工况,其关键部件极易受到损伤。针对齿轮箱轴承故障特征易受到风机变工况干扰的问题,提出了一种变分模态分解与瑞利熵相结合的特征分析方法,实现对风电齿轮箱高速轴轴承健康状态系数的估计。本文以双馈异步风机齿轮箱高速轴轴承作为研究对象,研究了其在变转速变负载工况下的外圈故障特性。通过对比振动信号的频域特征参数与小波包分解能量特征结果,证明变工况运行条件下变分模态分解与瑞利熵相结合的故障诊断方法能够有效地辨识故障轴承。     

基于变分模态分解的风力发电机组轴承故障检测方法研究

为实现对轴承故障的精准检测,引进变分模态分解技术,以某风力发电机组为例,开展轴承故障检测方法的设计研究。先进行模态信号的转换,将处理后的信号与变分模态预估中心频率进行混合,将信号调制到与中心频率相匹配的基频带上,实现基于变分模态分解的采样模态信号带宽计算;根据风力发电机组轴承信号的变化周期、变化方式,提取异常信号峭度,将其作为风力发电机组轴承异常信号特征;提取轴承在常规运行条件下、内圈故障运行条件下、外圈故障运行条件下的振动信号序列,对采样信号进行VMD分解,将分解后的信号录入计算机与轴承运行信号进行适配,根据匹配结果,掌握轴承当前所处的工况与状态,以此实现风力发电机组轴承故障检测。对比实验结果表明,设计的方法可以在排除外界环境与相关因素干扰的条件下,实现对发电机组轴承故障信号的精准识别。     

基于角域经验小波变换的滚动轴承故障诊断

针对变转速条件下滚动轴承故障特征难以提取的问题,提出了一种基于角域经验小波变换的变转速滚动轴承故障诊断方法。该方法首先利用等角度重采样将变转速下非平稳的滚动轴承故障振动信号转化为角域平稳信号,然后应用经验小波变换(Empirical mode decomposition,EWT)对角域平稳信号进行自适应分解,得到若干个经验模态分量,最后选择峭度值最大的经验模态分量进行包络谱分析,提取出滚动轴承故障的阶比特征。为提高经验小波变换的分解效率,对其频谱分割方法进行了改进。滚动轴承故障诊断实例表明,该方法能够有效地抑制噪声等干扰成分的影响,精确提取滚动轴承故障的阶比特征,为变转速条件下的滚动轴承故障诊断提供一种有效方法。     

变分模态分解在转子故障诊断中的应用

针对转子故障诊断问题,提出一种基于变分模态分解(variational mode decomposition,简称VMD)的信号处理方法。该方法在获取分解分量的过程中通过迭代搜寻变分模型最优解来确定每个分量的频率中心及带宽,从而能够自适应地实现信号的频域剖分及各分量的有效分离,对各单分量信号进行希尔伯特变换,即可得到瞬时的频率和幅值信息。对仿真信号和典型转子故障信号进行VMD方法和经验模态分解(empirical mode decomposition,简称EMD)方法的分析比较,以验证所提方法的有效性。仿真信号的分解结果表明,变分模态能够准确分离出信号中的固有模态分量且不存在模态混叠;转子故障实验信号的分析结果表明,所提方法能够有效提取出明显的故障特征,从而准确诊断出转子存在的故障。     

基于SWT与IEWT的齿轮无转速计阶次跟踪

针对变转速工况下,多级齿轮传动低速级齿轮故障信号易受背景噪声干扰,导致频谱特征模糊,微弱故障特征难以提取的问题,提出一种基于同步压缩小波变换(Synchrosqueezing Wavelet Transform, SWT)与改进经验小波变换(Improved Empirical Wavelet Transform, IEWT)相结合的齿轮无转速计阶次跟踪方法。首先为提高无转速计阶次跟踪瞬时频率估计精度,设计连续小波变换-椭圆时变滤波器(Continue Wavelet Transform-Elliptic Time-Varying Filtering, CWT-ETVF)对齿轮振动信号滤波降噪,依据滤波所得单分量的SWT时频分布进行峰值搜索,以实现高精度的瞬时频率估计,然后对时变故障信号等角度重采样获得角域平稳信号。针对EWT方法频谱分割不合理的问题,提出一种依据频谱包络趋势进行边界划分的改进经验小波变换方法对角域平稳信号自适应分解。最后选择合适分量自相关去噪,并通过阶次解调分析识别故障特征。仿真及实测局部断齿数据分析表明,该方法可以准确提取变转速齿轮时变微弱故障特征。     

快速Hoyer谱图及VNCMD的变转频滚动轴承故障诊断

针对变转频情况下滚动轴承振动信号出现频谱混叠现象而无法直接提取故障特征频率的问题,提出一种基于快速Hoyer谱图及改进变分非线性调频模态分解（variational nonlinear chirp mode decomposition,简称VNCMD）的变转频轴承故障诊断方法。首先,采用快速Hoyer谱图确定轴承故障冲击所处的共振频带,对信号进行带通滤波提取轴承故障冲击成分并与低通滤波后的信号进行融合;其次,通过多分量协同转频估计方法对转频及轴承故障特征频率脊线进行估计;最后,将估计的脊线作为VNCMD的输入参数,提取转频及轴承故障冲击成分,并通过阶次分析确定轴承的故障类型。相较于集合经验模态分解（ensemble empirical mode decomposition,简称EEMD）,所提方法可以获得更加精确的时频脊线,并通过信号分解得到正确的分量。仿真信号和实验信号均表明所提方法的有效性。     

变工况下滚动轴承的故障特征提取

滚动轴承常被用于风力涡轮机、发动机等旋转机械中,由于负载、电流变化等因素将导致旋转设备中的滚动轴承在变速条件下运行。在变转速的工况下,现有时频分析、共振解调等故障诊断方法并不能有效提取故障特征,且考虑到强大背景噪声下存在故障特征提取困难的问题,本文提出了一种基于广义变分模态分解(Generalized variational mode decomposition, GVMD)和分数阶傅里叶变换(Fractional fourier transform, FRFT)的变工况故障特征提取方法。首先将在变工况下故障特征频率呈非线性分布的原始振动信号广义解调为近似线性分布,其次对解调后的信号进行变分模态分解(Variational mode decomposition, VMD)得到本征模态函数分量(Intrinsic mode functions, IMF),根据相关系数准则选取最优的分量进行分数阶域的滤波,最后通过分析滤波后信号的1.5维包络谱提取故障特征频率。通过滚动轴承仿真数据和实验数据的验证表明本文所提方法能够有效提取变工况下滚动轴承的故障特征频率。     

基于线调频小波路径追踪阶比跟踪算法的齿轮箱故障诊断研究

针对阶比跟踪转速获取硬件方法需要额外安装转速测量设备,软件方法精度不高、抗噪能力弱的问题,提出基于线调频小波路径追踪瞬时频率估计的齿轮箱阶比跟踪故障诊断方法。该方法利用基于线调频小波路径追踪瞬时频率估计算法适于分解频率呈曲线变化的非平稳信号的特点,采用其对齿轮箱的啮合频率分量进行估计以获取转速信号,依据转速信号对等时间间隔采样信号进行等角度重采样,将非平稳信号转化为角域平稳信号,得到振动信号的阶次谱,判断齿轮箱故障。仿真算例与应用实例表明上述方法在瞬时频率估计方面具有精度高和抗噪能力强的优点,可以根据信号自身的特点自适应的选择基函数,准确地对转速进行估计,其与阶比跟踪算法的结合能有效诊断齿轮箱故障。     

基于角域AR模型滤波的滚动轴承故障诊断

在齿轮噪源存在的变转速滚动轴承故障诊断过程中,因混合信号中转频分量相对较小,使得基于时频表达的阶比跟踪技术受到限制。虽然基于故障特征频率的角域重采样能提取轴承的故障特征,但这种算法不能确定故障位置,而且可能会出现误判。针对这一问题,提出了基于角域自回归(auto regressive,简称AR)模型滤波的处理方法。该方法利用线调频小波路径追踪算法从降采样处理的混合信号中提取齿轮瞬时啮合频率趋势线并估计转速,根据估计转速信息对原混合信号进行等角度重采样,获得了角域信号。利用角域信号中齿轮啮合振动成分具有周期性的特点,使用AR模型对其滤波,并且对滤波后信号进行包络阶比分析,完成故障判断。通过处理仿真信号和实验信号,验证了该方法不仅能有效地去除齿轮噪声,并且可以判断轴承故障位置。     

Bearing fault detection and diagnosis based on order tracking and Teager-Huang transform

The vibration signal of the run-up or run-down process is more complex than that of the stationary process. A novel approach to fault diagnosis of roller bearing under run-up condition based on order tracking and Teager-Huang transform (THT) is presented. This method is based on order tracking, empirical mode decomposition (EMD) and Teager Kaiser energy operator (TKEO) technique. The nonstationary vibration signals are transformed from the time domain transient signal to angle domain stationary one using order tracking. EMD can adaptively decompose the vibration signal into a series of zero mean amplitude modulation-frequency modulation (AM-FM) intrinsic mode functions (IMFs). TKEO can track the instantaneous amplitude and instantaneous frequency of the AM-FM component at any instant. Experimental examples are conducted to evaluate the effectiveness of the proposed approach. The experimental results provide strong evidence that the performance of the Teager-Huang transform approach is better to that of the Hilbert-Huang transform approach for bearing fault detection and diagnosis. The Teager-Huang transform has better resolution than that of Hilbert-Huang transform. Teager-Huang transform can effectively diagnose the faults of the bearing, thus providing a viable processing tool for gearbox defect monitoring.     

基于阶次跟踪和变换时频谱的轴承故障诊断

综合利用阶次跟踪和Teager-Huang变换时频分析技术,进行齿轮箱起动过程轴承故障诊断.首先,对齿轮箱升降速瞬态信号进行时域同步采样,并对时域信号进行等角度重采样转化为角域平稳信号,再对角域信号进行EMD分解,将振动信号分解成不同特征时间尺度的单分量固有模态函数.然后,用Teager能量算子计算各固有模态函数的瞬时频率和瞬时幅值,进而得到Teager-Huang变换时频谱.通过对齿轮箱起动过程轴承故障振动信号的分析表明,该方法能有效地识别轴承故障.     

瞬时频率估计的齿轮箱升降速信号阶次跟踪

提出了基于瞬时频率估计的齿轮箱升降速信号阶次跟踪的新方法。首先对振动信号进行经验模态分解得到信号的固有模态函数，再求各个固有模态函数的Hilbert变换，得到信号的瞬时频率，从而直接从振动信号得到参考轴的转速信号，然后根据参考轴的转速信号对时域振动信号进行等角度重采样，最后对重采样信号进行阶次分析。通过仿真信号和对齿轮磨损故障实验信号的分析，表明该方法能有效地诊断齿轮的故障。     

正弦加载液压泵故障振动信号的阶比多尺度形态滤波方法研究

 液压泵在变载荷作用下会引起转速波动且发生幅值调制现象,振动信号呈现出明显的非平稳性,传统的滤波方法难于进行有效滤波。针对正弦加载液压泵故障振动信号提出一种阶比多尺度形态滤波方法,利用基于EEMD理论的时频阶比分析方法将正弦加载液压泵故障振动非平稳信号转化成角域平稳信号,再用多尺度形态滤波方法对角域平稳信号进行多尺度寻优和解调处理获得多尺度解调信号,并进行阶次谱分析得到振动信号的特征阶次。通过实验证实,该方法能对正弦加载液压泵故障振动信号进行有效滤波,且能提取出更多的有用故障信息。     

Generalized Demodulation Transform for Bearing Fault Diagnosis Under Nonstationary Conditions and Gear Noise Interferences

It is a challenging issue to detect bearing fault under nonstationary conditions and gear noise interferences. Meanwhile, the application of the traditional methods is limited by their deficiencies in the aspect of computational accuracy and e ciency, or dependence on the tachometer. Hence, a new fault diagnosis strategy is proposed to remove gear interferences and spectrum smearing phenomenon without the tachometer and angular resampling technique. In this method, the instantaneous dominant meshing multiple(IDMM) is firstly extracted from the time-frequency representation(TFR) of the raw signal, which can be used to calculate the phase functions(PF) and the frequency points(FP). Next, the resonance frequency band excited by the faulty bearing is obtained by the band-pass filter. Furthermore, based on the PFs, the generalized demodulation transform(GDT) is applied to the envelope of the filtered signal. Finally, the target bearing is diagnosed by matching the peaks in the spectra of demodulated signals with the theoretical FPs. The analysis results of simulated and experimental signal demonstrate that the proposed method is an e ective and reliable tool for bearing fault diagnosis without the tachometer and the angular resampling.     

基于局部s变换和极限学习机的柱塞泵滑靴磨损故障诊断

针对轴向柱塞泵结构复杂、故障信号微弱且易受噪声干扰难以进行故障模式识别的问题,提出一种基于局部s变换和极限学习机的柱塞泵故障诊断方法,对不同程度滑靴磨损故障进行诊断。采集柱塞泵在正常和不同故障状态下的振动信号进行局部s变换,对不同的特征向量组进行定性和定量比较,选择提取s矩阵最大奇异值、转轴振动基频能量占比和柱塞振动基频能量占比共三维特征向量,将特征向量输入极限学习机完成故障模式的识别,识别精度可达99%以上。最后将极限学习机与支撑向量机分类结果进行对比,证明所提故障诊断方法可以用较少的特征向量获得较高的诊断精度。