基于小波包与倒频谱分析的风电机组齿轮箱齿轮裂纹诊断方法

为实现风电机组齿轮箱及时有效地监测和维护,提出基于小波包与倒频谱分析的风电机组齿轮箱齿轮裂纹诊断方法。该方法针对齿轮裂纹振动信号为转速频率对啮合频率及其倍频调制的特点,利用小波包分解来识别振动信号中的故障特征,通过小波包频带能量监测得到故障部位的啮合频率范围;考虑到倒频谱可以分离和提取难以识别的密集调制信号的周期成分,基于倒频谱识别故障部位的转速频率,综合利用两种频谱分析方法得到的啮合频率和转速频率,能诊断故障部位和类型。实验研究表明,该方法能精确地诊断齿轮裂纹故障,并可以实现对风电机组齿轮在复杂环境中退化状态的监测,预防断齿等重大故障的发生。     

改进经验小波变换的齿轮箱故障诊断新方法与应用

针对经验小波变换在频谱划分时检测的边界过于集中在频谱中幅值较大频率段的问题,对经验小波变换在频域内利用检测极大值来进行频谱划分的方式进行研究,提出基于频谱趋势的改进型经验小波变换,利用仿真信号和汽车座椅水平驱动器振动信号进行测试。研究结果表明,该方法能够使啮合频率及其谐波与边频带作为一个模态被分解出来。通过对分量信号进行Hilbert变换解调分析,实现对齿轮箱故障的定位。     

基于生成微分方程的行星齿轮箱故障振动信号解调分析

行星齿轮箱振动信号具有明显的调制特点,幅值解调和频率解调分析能够有效提取其中的故障信息。生成微分方程(GDE)方法可以估计调制信号的幅值包络和瞬时频率,实现解调分析,但该方法需要信号满足单分量要求。实际行星齿轮箱振动信号通常由复杂多分量成分组成,为实现信号的幅值解调和频率解调分析,应用经验模式分解(EMD)将信号分解为单分量本质模式函数,基于生成微分方程计算瞬时频率和幅值包络,根据瞬时频率的波动特点选择本质模式函数作为敏感分量,由敏感分量的包络谱和瞬时频率的Fourier频谱识别故障特征频率。通过行星齿轮箱故障模拟实验数据分析验证了解调分析方法的效果。     

基于变分模式分解的行星齿轮箱齿轮组合故障频率解调分析

行星齿轮箱组合故障振动信号具有多源调制特点,在频域内边带结构复杂,通过常规Fourier频谱分析难以有效提取故障特征;组合故障振动信号的调频部分包含故障信息,且不受传递路径影响。为了准确提取行星齿轮箱组合故障特征,提出基于变分模式分解的频率解调分析方法。根据采样频率和载波频率确定单分量个数,通过变分模式分解将多分量信号自适应地分解为一系列本质模式函数;计算本质模式函数的瞬时频率,根据中心频率和啮合频率的匹配关系选取敏感单分量;通过分析敏感单分量瞬时频率频谱诊断组合故障。通过仿真信号和实验信号分析验证了方法的有效性,诊断了太阳轮与行星轮、太阳轮与齿圈、行星轮与齿圈的组合故障。     

改进的谐波小波包变换及其在弱故障特征提取中的应用

通过引入频谱幅值修正系数改进了通常的谐波小波包变换。改进的谐波小波包变换使得信号分解前后各子带的频谱幅值保持不变,能精确提取相应子带故障调制信号的强度与频率,为机械故障诊断带来了方便。仿真实验和轴承故障诊断实例不仅表明谐波小波包具有一般正交小波包无法比拟的完美的带通滤波性能和极强的微弱特征信号提取能力,而且还表明改进的谐波小波包变换确实使得信号分解前后各子带的频谱幅值保持不变,能精确提取相应子带故障调制信号的强度与频率,有一定的工程应用价值。     

基于小波包和BP神经网络的风机齿轮箱故障诊断

为了对风力发电机组中最容易发生故障的核心部件齿轮箱进行故障诊断,提出基于小波包变换和BP(Back Propagation)神经网络的齿轮箱故障诊断方法。首先,根据齿轮箱工作时的振动信号特性,通过小波包变换方法对振动信号进行去噪、分解与重构,有效提取不同故障下各频段能量的故障特征;其次,将提取的能量故障特征输入至BP神经网络诊断系统中进行识别,实现故障的智能诊断。通过试验证明了该方法的有效性。     

基于独立分量分析与希尔伯特-黄变换的轴承故障特征提取

滚动轴承早期故障信号具有能量小、频带分布宽等特征,易受到其它能量较大振源信号的干扰。传统的希尔伯特-黄变换（HHT）对信噪比大、多频率调制信号常因不能对其所包含的固有模式函数（IMF）实现准确分离和去除调制干扰分量而失效。本文提出了基于HHT和独立分量分析（ICA）的滚动轴承诊断新方法。该方法首先利用经验模式分解（EMD）将滚动轴承振动信号分解成若干平稳的本征模式函数IMF分量,通过提取若干包含主要信息的IMF分量,应用带通滤波器和Hilbert变换获取IMF分量的高频包络波形,再应用ICA分离包络波形并进行频谱分析,进而判断滚动轴承的运行状况。仿真和试验分析结果验证了本方法的可行性。     

基于时频切片分析的故障诊断方法及应用

为了提取设备的故障特征,提出了基于时频切片分析的故障特征提取方法。首先采用基于频率切片小波变换分解振动信号,得到信号在全频带的时频分布。在此基础上根据其时频能量分布,选择时间频率切片区间进行细化分析,通过时频分割和信号重构得到选定区间的时频特征,实现了故障特征的分离。这种方法能够有效地获取正确的故障特征信息,在某炼油厂齿轮箱摩擦故障诊断中取得了较好的效果。     

基于SSWPT边际谱特征信息提取的齿轮故障诊断EI北大核心CSCD

在噪声的影响下,齿轮的故障信息不易被识别。同步压缩小波包变换(synchrosqueezed wave packet transform,SSWPT)作为一种新的时频分析方法,具有良好的抗噪声能力。在其基础上提出基于SSWPT边际谱特征信息提取的齿轮故障诊断方法。首先,对故障齿轮的振动信号进行SSWPT得到信号的能量矩阵,并对能量矩阵进行积分变换求取齿轮振动信号的边际谱;然后,根据边际谱提取啮合频率及其倍频,并选择对应的啮合调制频带对能量矩阵运用同步压缩小波包逆变换(synchrosqueezed wave packet inverse transformation,ISSWPT)进行信号重构;最后,对重构信号进行解调分析,从而可以有效提取齿轮故障特征频率。仿真及试验分析结果表明,该方法可以准确地提取齿轮故障特征信息,且分析效果优于包络谱和基于快速谱峭度的共振解调方法,为齿轮的故障特征提取提供一种有效的方法。     

基于双树复小波包峭度图的轴承故障诊断研究

针对传统包络谱和峭度图分析技术的缺陷,提出了一种基于双树复小波包峭度图的轴承故障诊断方法。该方法综合利用了双树复小波包变换和峭度图分析技术,克服了原峭度图方法只采用FIR和短时傅立叶变换滤波器的缺点,提高了从强噪声环境中提取瞬态冲击特征的能力。首先利用双树复小波包变换,将振动信号分解成不同频带的分量,然后计算各小波分量的谱峭度,再利用谱峭度的滤波器作用,计算最大峭度值对应分量信号的包络谱,根据包络谱就可识别齿轮箱轴承的故障部位和类型。齿轮箱轴承故障振动实验信号的研究结果表明：该方法不仅提高了信噪比和频带选择的正确性,而且能有效地识别轴承的故障。     

Fault Diagnosis Method for Rolling Element Bearings Under Variable Speed Based on TKEO and Fast-SC

With rotating speed of rotating machinery, it is difficult to maintain stability in practical work which brings many difficulties to the condition monitoring of rotating machinery. When rolling element bearings work under variable speed, the corresponding vibration will contain obvious non-stationary characteristics, along with the presence of strong background noise, which makes it difficult for some traditional spectrum analysis methods to identify the characteristic frequency of bearings fault. In spite of the existence of strong non-stationary characteristics, the bearing fault signal has some hidden periodic components in the angle domain which makes it possible to extract the fault feature of bearings by means of spectral correlation analysis. Therefore, a fault feature extraction method based on Teager–Kaiser energy operator (TKEO) and fast spectral correlation (Fast-SC) in angle domain is proposed in this paper; Fast-SC is a newly proposed spectral correlation calculation method which can effectively improve the efficiency of computing; Teager–Kaiser energy operator can enhance the transient impact which also has a fast computing speed. In this paper, the instantaneous speed of each time is estimated by the time–frequency analysis method based on short-time Fourier transform and then, the original time-domain signal is resampled in angle domain; the TKEO is used to strengthen the fault impact components in signal; finally, the Fast-SC is applied to the strengthened signals, the enhanced envelope spectrum is calculated, and the fault features of rolling bearings are extracted. The effectiveness of the method is verified by measured signals.     

基于Teager能量算子的滚动轴承故障诊断研究

周期性冲击是判断滚动轴承局部损伤故障的关键特征,如何提取周期性冲击及其重复频率是轴承故障诊断中的关键问题。Teager能量算子能够估计产生信号所需的总机械能,对信号的瞬态变化具有良好的时间分辨率和自适应能力,在检测信号冲击特征方面具有独特优势。为了提取滚动轴承故障的特征频率,针对滚动轴承故障振动信号中的瞬态冲击特点,提出了基于Teager能量算子的频谱分析方法,利用Teager能量算子提取轴承故障引起的周期性冲击,通过瞬时Teager能量的Fourier频谱识别轴承的故障特征频率。分析了滚动轴承故障仿真信号和实验测试信号,并和包络谱方法进行了对比分析,准确诊断了滚动轴承元件故障,验证了该方法的有效性     

基于第二代小波变换的旋转机械振动信号去噪

旋转机械故障振动信号存在不同形式的波形特征,传统小波去噪中,小波分解的结果与所采用的小波基函数有关,选用不适当的小波基函数会冲淡振动信号的局部特征信息,而造成原始信号的部分有用的细节信息丢失。为了克服上述缺陷,提出一种基于第二代小波变换的振动信号预处理方法,即针对分析信号的局部特征,以预测方差最小为目标,对每个样本选择最佳的预测算子,使小波基函数始终能够匹配信号的局部特征。仿真试验表明,该方法克服了传统小波去噪中降噪信号丢失了部分细节信息的缺点,不仅可有效去除振动信号的噪声,而且能够为保留信号的局部信息。     

改进经验小波变换与最小熵解卷积在铁路轴承故障诊断中的应用

经验小波变换是一种小波框架下的自适应信号分解方法,对旋转机械的非线性、非平稳振动信号有很好的分解作用。针对传统经验小波变换过程中频谱划分过多的问题,提出根据互信息值对频谱进行重新划分与合并的方法,能有效减少频带数量;选择峭度值最大的分量进行信号重构,再使用最小熵解卷积对重构信号进行降噪;对降噪后的信号进行包络分析,能够有效地诊断出滚动轴承的微弱故障。通过仿真信号与铁路货车轮对轴承实验信号验证了该方法的有效性,为下一步工程应用奠定了基础。     

基于MCKD和重分配小波尺度谱的旋转机械复合故障诊断研究

针对强噪声环境下旋转机械复合故障信号难于提取与分离的问题,提出了基于最大相关峭度解卷积(Maximum Correlated Kurtosis Deconvolution,MCKD)和重分配小波尺度谱的旋转机械故障诊断方法。机械信号中存在的噪声会降低重分配小波尺度谱的时频分布可读性,故先要对信号进行MCKD降噪,同时从振动信号中分离出各个故障成分,然后进行Hilbert变换得到包络成分,最后再对包络成分进行重分配小波尺度谱分析,根据尺度图中冲击成分的周期诊断转机械复合故障,算法仿真和应用实例验证了该方法的有效性。     

基于谱峭度和Teager能量算子的轴承故障特征增强

共振解调法的难点在于带通滤波器的确定,谱峭度可根据信号特征寻找最优滤波器参数,很好地解决以上问题。然而谱峭度在对低信噪比数据进行处理时,滤波后的信号往往残留较大带内噪声,极大地影响了后续故障诊断的准确性。针对该问题,提出利用Teager能量算子追踪SK滤波信号的系统总能量,从信号能量的角度消除带内噪声,二次增强隐藏于噪声中的故障冲击特征,最后通过包络谱分析获得诊断结果。应用轴承故障仿真数据、实验室内圈和外圈故障数据验证了本方法的有效性。     

基于小波分析的电动机噪声检测系统研究

电动机的噪声是其质量控制和故障检测的关键参数之一。基于小波分析方法，提出一种应用计算机声卡的电动机噪声检测方案。利用计算机声卡的A/D转换功能来采集电动机的噪声信号，应用小波包滤波方法消除与回转频率无关的噪声干扰，提取与转速直接相关的振动信号。实验表明，这种方法降低了电机检测成本，能够准确地获取测试信号。     

Wavelet energy spectrum for time‐frequency localization of earthquake energy

The authors recently developed a method for time‐frequency signal analysis of earthquake records using Mexican hat wavelets. Ground motions in earthquakes are postulated as a sequence of simple penny‐shaped ruptures at different locations along a fault line and occurring at different times. In this article, a wavelet energy spectrum is proposed for time‐frequency localization of the earthquake input energy. The ground acceleration generated by a simple penny‐shaped rupture is used as the basis to form the mother wavelet. The symmetric Mexican hat wavelet is chosen as the mother wavelet. The spectrum is presented pictorially in a two‐dimensional, time‐frequency domain. The proposed wavelet energy spectrum can be used to observe the evolution of the frequency contents of earthquake energy over time and distance of the site from the epicenter in a more accurate manner than the traditional time series (accelerogram) or frequency domain (Fourier amplitude spectrum) representation. It can be viewed as a microscope for looking into the time‐frequency characteristics of earthquake acceleration records. The wavelet energy spectrum provides frequency evolution information to be used in the structural design process. © 2003 Wiley Periodicals, Inc. Int J Imaging Syst Technol 13, 133–140, 2003; Published online in Wiley InterScience (www.interscience.wiley.com). DOI 10.1002/ima.10038     

基于改进自适应变分模态分解的滚动轴承微弱故障诊断

滚动轴承早期故障信息微弱,且混有大量背景噪声,难以提取其故障特征。提出了一种改进的自适应变分模态分解(AVMD)与Teager能量谱的微弱故障诊断方法。将最小平均包络熵(MMEE)作为目标函数,自动搜寻影响参数最佳值,确保变分模态分解(VMD)实现最优分解,并提出加权峭度指标(WK)用于选择有效模态分量进行信号重构,对重构信号进行Teager能量谱分析,从而识别故障特征频率。对轴承微弱故障振动信号的研究表明,所提方法改进了传统VMD算法分解精度受参数影响较大,导致信号出现过分解或欠分解的问题;与集合经验模态分解和局部均值分解算法相比所提方法具有更强的噪声鲁棒性和故障信息提取能力。     

基于最小熵解卷积和Teager能量算子直升机滚动轴承复合故障诊断研究

为了解决强背景噪声环境下直升机滚动轴承故障信号微弱,故障特征难以提取的问题,提出一种基于最小熵解卷积(Minimum Entropy Deconvolution,MED)与Teager能量算子(Teager Energy Operator,TEO)的滚动轴承故障特征提取的新方法。根据滚动轴承故障信号表现为冲击波形的特点和MED降噪对冲击特征敏感的特性,采用MED对故障信号进行降噪处理,同时增强信号中的冲击成分;再结合TEO适合检测信号的瞬时变化,能有效提取故障信号冲击特征的特点,计算降噪信号的Teager能量信号,进行频谱分析提取滚动轴承的故障特征。通过对仿真信号和直升机滚动轴承混合故障信号进行分析,实验结果表明,该方法能有效提取强背景噪声环境中的微弱复合故障特征,具有一定的工程应用价值。