基于小波分析的航空发动机轴承故障诊断

针对常规方法难以准确分析非平稳信号的局限性,采用小波变换快速有效地对滚动轴承振动信号进行带通滤波.通过选用多尺度的小波变换,能较好地分离出所要分析的高频固有振动信号,然后对高频振动信号进行包络分析,从包络谱图中提取故障特征频率分量,准确诊断出滚动轴承发生故障的元件.     

基于傅里叶分解方法的航空发动机转子故障诊断

针对传统时频分析法无法提取转子故障特征信息的问题,提出了基于傅里叶分解方法(FDM)的转子碰摩故障诊断方法。构造了调频调幅仿真信号,对比FDM、集合经验模态分解(EEMD)、变分模态分解(VMD)的分解结果发现,FDM能够实现仿真信号的完备性分解,且时频分辨率高。利用FDM对采集到的转子试验器机匣单点-转子全周碰摩试验故障数据进行诊断,不同算法故障信号分解结果的周期功率谱密度估计和故障特征提取结果表明,该方法具有更高的诊断可靠性,可有效地解决转子故障诊断问题。     

基于时变噪声结构的自适应加权稀疏模型及航空轴承故障诊断

航空发动机的非平稳运行工况、时变气流环境等导致传感器采集到的振动噪声信号具有时变特性,同时,主轴轴承高转速运行工况导致其故障波形混叠变异,难以有效识别诊断。针对该问题,揭示了航空轴承噪声信号方差的时变特性,提出了基于时变噪声结构的自适应加权稀疏诊断模型。首先针对混叠变异故障波形难以构造匹配的稀疏表示字典的问题,构造了与特征周期先验匹配的分割算子,分析了故障特征矩阵的低秩先验,建立了混叠变异特征的自适应奇异值分解(Singular value decomposition,SVD)字典;然后,揭示了航空轴承噪声方差的时变特性,构造了与噪声时变结构和特征奇异值分布模式相匹配的自适应权重矩阵;进而,构建了自适应加权稀疏诊断模型(Adaptiveweightedsparsediagnosismodel,AWSM),开发了AWSM的优化求解算法。仿真分析表明,提出算法可有效实现航空轴承时变噪声的滤除,从而可靠提取轴承微弱的故障特征。最后,航空轴承实验验证了该算法可以实现运行转速高达25 000 r/min、剥落面积为1.0 mm2的航空轴承故障诊断。     

航空发动机主轴轴承失效分析

通过对所收集的航空发动机主轴轴承使用的大量和失效件的分析,得出１５种主要失效模式研究了其失效机理,提出了预防措施。     

基于稀疏分解的轴承双冲击特征提取

旋转机械的轴承部件出现裂纹或凹坑时,会产生稀疏的双冲击信号,在故障早期时,双冲击信号会发生混叠现象。在稀疏分解过程中,传统的高斯最大原则无法准确提取故障信号原子。笔者通过分析冲击类故障双冲击信号的特点,研究双冲击混叠时时频因子与双冲击间隔之间的关系,构造冲击信号最优邻域,并提出一种邻域正交匹配追踪算法。在每次迭代中选取内积最大原子周围的部分原子组成子框架,计算振动信号在当前框架下的表示,再进一步计算残差信号,并进行下次迭代,直至满足迭代终止条件。通过仿真试验和故障实例分析发现,该方法能避免过匹配现象,并准确提取双冲击成分,从而计算出双冲击信号的时间间隔,对故障程度进行判定。     

基于多尺度线调频基稀疏信号分解的轴承故障诊断

在线调频小波路径追踪算法和稀疏信号分解的基础上,提出一种基于多尺度线调频基的稀疏信号分解方法,并将其应用于非平稳转速下的轴承故障诊断。基于多尺度线调频基的稀疏信号分解方法,根据信号的特点,自适应地选择多尺度的线调频基函数对信号进行投影分解。由于基函数库多尺度特性,使得该方法比以往采用单一尺度库函数的稀疏信号分解方法更适用于分解频率呈曲线变化的非平稳信号。在非恒定转速下,当轴承出现故障时,振动信号中与故障对应的特征频率将会随转速变化而波动,采用基于多尺度线调频基的稀疏信号分解方法能准确获得非平稳转速下轴承故障特征频率随时间的变化情况,进而对其状态和故障特征进行识别,仿真算例和应用实例说明了此方法的有效性。     

航空发动机主轴圆柱滚子轴承典型故障分析

通过对航空发动机主轴轴承使用数据的统计分析，得出其主要的故障模式，对轴承的轻载打滑和滚子歪斜的形成和预防进行了分析，并提出预防措施。     

基于低秩稀疏分解算法的铣床齿轮箱故障诊断

铣床齿轮箱的安全运行对保证机械设备的效率具有重要的作用,其故障诊断复杂难控。传统形式算法只是从原始振动信号中进行字典原子学习,并未从本质层面分析特征信息物理结构特性。采用低秩稀疏分解算法,并进行BCD求解对齿轮箱故障诊断开展分析。研究结果表明：特征信号已淹没到了噪声中,能够对等间隔冲击特征进行准确识别,并使特征信号信噪比由-9.152增大为4.716。表明采用稀疏低秩算法能够滤除噪声干扰,从而高效识别瞬态冲击成分。经过3次迭代后特征信号发生了奇异值快速衰减现象,具有明显稀疏特性。低秩稀疏分解信号形成的包络谱,已经实现了所有干扰频率成分以及噪声成分的滤除效果,采用低秩稀疏分解算法能够实现齿轮箱局部故障的准确诊断。     

基于形态分量分析的希尔伯特变换在滚动轴承故障诊断中的应用

形态分量分析是一种基于信号形态多样性和信号稀疏表示的信号处理方法。滚动轴承故障信号具有振幅呈指数衰减与环境噪声大的特点。通过构建一个对冲击信号敏感的字典,利用形态分量分析对轴承故障信号的时域形态特征进行最优化稀疏表示,得到滚动轴承冲击信号。并对形态分量分析后的冲击信号进行希尔伯特变换,得到明确的故障特征频率及其倍频。仿真分析与实验结果表明：该方法具有良好的降噪功能,能够准确地提取滚动轴承故障信号中的早期冲击特征。     

基于形态成分分析的轴承复合故障诊断

独立分量分析(ICA)已被广泛运用于线性混合模型的盲源分离问题,但却有2个重要的限制:信源统计独立和信源非高斯分布。形态成分分析是最新提出的一种基于稀疏表示的信号和图像分解(分离)方法。介绍了形态成分分析的基本原理,进行了仿真说明,并应用该方法对设置了3种故障的轴承进行故障诊断,最终发现了故障特征,成功判别出了轴承的3种故障,验证了该方法在轴承故障诊断中的有效性。     

基于压缩感知弱匹配追踪算法的信号特征提取

针对滚动轴承故障诊断中的特征提取问题,提出一种基于压缩感知弱匹配追踪算法的特征提取方法。针对轴承故障信号特征特点构建了一个由傅里叶字典和冲击时频字典组成的联合字典,作为弱匹配追踪算法中的过完备冗余原子库。进而利用改进的简化粒子群寻优算法在联合字典原子库中寻找最能匹配轴承故障信号特征的原子,实现故障信号的快速高效稀疏分解。在信号重构阶段提出了一种改进的阈值降噪策略,解决了软阈值降噪存在恒定偏差以及硬阈值降噪的不连续问题。对CWRU（Case Western Reserve University）轴承数据中心所提供的标准轴承故障信号和某钢厂滚动轴承实测信号进行了仿真,仿真结果验证了该方法的优越性。     

基于相关正交匹配追踪算法的风电机组滚动轴承稀疏故障诊断方法

针对风电机组滚动轴承故障信号的非平稳、强噪声污染等导致的有效冲击特征难以检测的问题,提出了一种基于相关正交匹配追踪（COMP）算法的稀疏故障诊断方法。基于COMP算法,在每次迭代后,首先根据内积大小依次计算原子与残差的相关系数,将相关系数最大的原子与其他符合条件的原子合并,将合并后的原子作为一个新原子;然后,利用这些新原子重新构成一个与信号相关度较强的新字典,对信号进行稀疏表示;最后,通过分析稀疏表示结果的包络谱实现滚动轴承故障的准确诊断。由于该方法重构的新原子与残差的相关性较强,因此只需较少的迭代次数就可得到较高的稀疏表示精度。仿真试验和工程应用验证了所提方法的有效性和实用性。     

形态非抽样小波与灰色关联度的轴承故障诊断

文中针对滚动轴承振动信号的强噪声背景以及故障样本不易大量获取的问题,提出了一种基于形态非抽样小波与灰色关联度的滚动轴承故障诊断方法。形态非抽样小波克服了传统形态小波由于采用抽样方式分解而造成的信息丢失问题,具有良好的特征提取和抗噪性能。灰色关联度分析方法对小样本模式识别问题具有良好的分类效果,适用于滚动轴承的故障模式识别。文中首先利用差值形态滤波能够提取信号冲击成分的特点,提出一种多尺度形态非抽样小波方法提取滚动轴承故障特征,然后将形态非抽样小波分解后近似信号的归一化特征能量作为特征向量,最后通过比较待识别样本与标准故障模式的灰色关联度来对故障模式进行分类。实例表明该方法可取得良好的效果。     

循环脉冲指数最大化的共振稀疏分解法及应用

针对复杂多变工作环境下滚动轴承产生的微弱故障信息难以提取的问题,充分利用故障冲击的脉冲性与循环周期性,提出了循环脉冲度最大化的共振稀疏分解(RSD)方法。该方法以短时脉冲峰值矩的变异系数作为循环脉冲指数对轴承故障信号脉冲性与周期性进行综合表征。然后以循环脉冲指数最大化作为优化目标,采用多尺度简化粒子群算法对RSD的品质因子进行了组合优化。最后构建了最优RSD循环脉冲谱,实现了滚动轴承故障的自动辨识。仿真结果与动车轴箱轴承的故障诊断应用实例表明,提出的循环脉冲指数最大化的RSD能够有效避免强脉冲干扰造成的共振频带误判问题,实现复杂工况环境下的滚动轴承复合多故障同步诊断,具有良好的工程适用性。     

基于形态分量分析和包络谱的轴承故障诊断

滚动轴承出现局部损伤时,其振动信号往往由包含轴承自身振动的谐振分量、包含轴承故障信息的冲击分量及随机噪声分量构成。提出了基于形态分量分析和包络谱的滚动轴承故障诊断方法。该方法根据轴承振动信号中各组成成分的形态差异,利用改进的形态分量分析对滚动轴承故障振动信号中的谐振分量、冲击分量和噪声分量进行分离,然后对冲击分量进行Hilbert包络解调分析,根据包络谱诊断滚动轴承故障。算法仿真和应用实例表明,该方法能有效提取滚动轴承故障特征。     

广义平滑对数正则化稀疏分解方法研究及其在齿轮箱复合故障诊断中的应用

齿轮箱由于其工况复杂、工作环境恶劣,极易发生故障,并且振动信号中往往包含多种成分并且伴随着强烈的背景噪声,给齿轮箱故障诊断带来了很大的困难。稀疏分解方法能够在强背景噪声下有效地提取瞬态特征成分,针对传统稀疏分解方法存在的计算效率低,幅值低估以及估计精度不足等问题,提出了一种基于调Q小波变换(Tunable Q-factor wavelet transform,TQWT)作为稀疏表示字典的广义平滑对数正则化稀疏分解方法。该方法研究了满足紧框架条件的TQWT来构建稀疏表示字典,然后基于Moreau包络平滑思想提出广义平滑对数正则化方法,该罚函数可以在保持幅值的基础上精确重构出齿轮箱故障瞬态成分,最后利用前向后项分裂(Forward-backward splitting,FBS)算法精确求解该稀疏表示模型。仿真信号和试验信号验证了所提方法在齿轮箱复合故障诊断中的有效性。     

基于信号共振稀疏分解与包络谱的齿轮故障诊断

当齿轮出现断齿、裂纹等局部故障时,其振动信号会出现周期性冲击脉冲。在齿轮故障早期,由于冲击脉冲微弱,常淹没在齿轮的啮合频率、转频等谐波成分以及噪声中,因此,对于齿轮早期故障,直接对齿轮振动信号做包络谱分析以诊断齿轮局部故障通常效果不佳。针对这一问题,将信号共振稀疏分解方法与包络谱分析相结合,提出了基于信号共振稀疏分解与包络谱的齿轮故障诊断方法。该方法采用信号共振稀疏分解将冲击脉冲从齿轮振动信号中分离出来,然后对冲击脉冲做Hilbert包络分析,获取冲击脉冲出现的周期,进而对齿轮状态和故障进行识别。仿真算例和应用实例证明了该方法的有效性。     

基于EMD-PCA的轴承故障源盲分离方法

结合经验模态分解和主分量分析各自的优点,提出了一种基于EMD-PCA的轴承故障源的盲分离方法。利用EMD方法对混合观测信号进行分解得到若干个本征模函数分量,把所有的IMF分量重新组合在一起,作为新的观测信号,然后采用PCA对新的观测信号进行共性分析以得到源信号中的主要成分,并进行了轴承故障源分离试验验证。