齿轮箱复合故障振动信号的形态分量分析

在改进形态分量分析系数阈值去噪方法的基础上,将其用于齿轮箱复合故障振动信号的分析。齿轮箱中的齿轮出现局部故障时,其振动信号中往往出现调幅调频成分;而滚动轴承出现局部故障时,其振动信号中往往出现周期性瞬态冲击成分。调幅调频成分的幅值变化相对缓慢,可看作信号中的光滑部分;而瞬态冲击成分的幅值变化较快,可看作信号中的细节部分,故可依据此形态差异实现二者的分离。采用形态分量分析方法将齿轮箱复合故障振动信号分解为包含滚动轴承局部故障信息的冲击分量、包含齿轮局部故障信息的谐振分量及残余分量,根据冲击分量和谐振分量的Hilbert包络解调谱分别诊断滚动轴承和齿轮的局部故障。对齿轮箱复合故障振动信号的分析结果表明,该方法可有效分离滚动轴承与齿轮的故障特征,且效果要优于经验模态分解(Empirical mode decomposition,EMD)方法。     

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。     

形态分量分析在齿轮箱复合故障诊断中的应用

针对齿轮箱复合故障难以检测和诊断难题,提出了基于形态分量分析的齿轮箱复合故障诊断方法.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或图像处理方法,其主要目标是根据信号组成成分的形态差异性,选择合适的字典来分离信号.通过仿真信号和齿轮箱轴承、齿轮复合故障振动实验信号的研究结果表明:形态分量分析技术不仅能将形态各异的多分量信号进行有效分离、提取故障特征,而且提高了从强噪声环境中提取瞬态冲击特征的能力,能有效识别齿轮箱的故障类型和故障发生部位,其性能优于传统的独立分量分析.     

多共振分量融合CNN的行星齿轮箱故障诊断

针对行星齿轮箱中各部件所激起的振动成分混叠、早期故障特征经常被较强的各级齿轮谐波成分以及环境噪声所湮没的问题,提出一种多共振分量融合卷积神经网络（multi-resonance component fusion based convolutional neural network,简称MRCF-CNN）的行星齿轮箱故障诊断方法。首先,对振动信号进行共振稀疏分解,得到包含齿轮谐波成分的高共振分量和可能包含轴承故障冲击成分的低共振分量;其次,构建多共振分量融合卷积神经网络,将得到的高、低共振分量和原始振动信号进行自适应的特征级融合,通过有监督的方式训练模型并进行行星齿轮箱故障诊断。对行星齿轮箱实验数据的分析结果表明,该方法能够有效分类行星齿轮箱中滚动轴承和齿轮的故障,成功对行星齿轮箱故障进行诊断,同时能够进一步增强卷积神经网络对振动信号所蕴含的故障信息的辨识能力。     

多共振分量融合CNN的行星齿轮箱故障诊断

针对行星齿轮箱中各部件所激起的振动成分混叠、早期故障特征经常被较强的各级齿轮谐波成分以及环境噪声所湮没的问题,提出一种多共振分量融合卷积神经网络(multi-resonance component fusion based convolutional neural network,简称MRCF-CNN)的行星齿轮箱故障诊断方法。首先,对振动信号进行共振稀疏分解,得到包含齿轮谐波成分的高共振分量和可能包含轴承故障冲击成分的低共振分量;其次,构建多共振分量融合卷积神经网络,将得到的高、低共振分量和原始振动信号进行自适应的特征级融合,通过有监督的方式训练模型并进行行星齿轮箱故障诊断。对行星齿轮箱实验数据的分析结果表明,该方法能够有效分类行星齿轮箱中滚动轴承和齿轮的故障,成功对行星齿轮箱故障进行诊断,同时能够进一步增强卷积神经网络对振动信号所蕴含的故障信息的辨识能力。     

基于LMD的能量算子解调机械故障诊断方法

为了提取多分量调幅调频信号的幅值和频率信息,提出了基于局部均值分解(local mean decomposition,简称LMD)的能量算子解调机械故障诊断方法.该方法先利用LMD将机械调制信号分解成若干个乘积函数(production function,简称PF)分量,然后对每一个PF分量进行能量算子解调,获得信号的幅值和频率信息进行故障诊断.利用该方法对仿真信号以及轴承和齿轮故障振动信号进行实验研究的结果表明,基于LMD的能量算子解调方法能够有效地提取机械故障振动信号特征.     

基于阶次分析与循环平稳解调的齿轮箱复合故障诊断方法

针对变转速下的齿轮箱中复合故障的特征提取,提出了一种基于阶次分析与循环平稳解调的齿轮箱复合故障诊断方法.该方法先用线调频小波路径追踪算法从原始振动信号中提取转频信号,再根据转频信号对原始振动信号进行等角度重采样,将时域非平稳信号转化为角域周期平稳信号,最后对角域周期平稳信号进行循环平稳解调分析,根据故障特征阶次处的切片解调谱进行齿轮箱复合故障诊断.通过算法仿真和应用实例对包含齿轮局部故障和轴承局部故障的变转速齿轮箱复合故障进行了分析,分析结果表明,该方法在无转速计的情况下能有效地提取处于变转速下的齿轮箱复合故障的特征.     

基于改进形态分量分析的滚动轴承包络分析方法

滚动轴承出现局部损伤时,其振动信号既包含轴承自身原因引起的谐振分量,也包含故障信息的冲击分量和噪声分量。谐振分量为信号中的相对平滑部分,其品质因子较高;冲击分量表现为信号中的瞬态成分,其品质因子较低。针对这一特点,利用可调品质因子小波变换稀疏表示信号,提出一种改进形态分量分析方法,并将其应用于滚动轴承的包络分析中。采用可调品质因子小波作为稀疏表示字典,实现不同分量的分离,并对冲击分量进行包络分析,判断滚动轴承故障。滚动轴承故障实验表明,该方法能够有效提取故障特征,诊断轴承出现的故障类型。     

基于CPW和SCD的行星轴承内圈故障特征提取

行星齿轮箱振动信号传递路径具有时变性,各振动分量间相互耦合和调制,拾取的信号往往比较复杂。此外,行星轴承早期故障对应的振动信号微弱,常湮没于背景噪声和较强的齿轮啮合振动信号中,使得行星轴承故障特征提取较为困难。为此,笔者提出一种基于倒谱预白化（cepstral pre?whitening,简称CPW）和谱相关密度（spectral correlation density,简称SCD）的行星轴承内圈故障特征提取方法。首先,采用CPW削弱具有严格周期特性振动分量的能量幅值,增强轴承故障分量的冲击幅值;其次,基于谱峭度算法获取与轴承故障冲击相关的谱峭度最大值时对应的解调频带参数,并获得带通滤波后复包络信号,进而消除解调频带外成分的干扰;最后,基于轴承故障的随机滑动特性,结合SCD提取行星轴承故障振动分量,进而包络谱分析提取出行星轴承故障特征。利用行星轴承内圈故障实测数据验证了方法的有效性。     

基于LMD和平滑Teager能量算子解调的电机滚动轴承故障特征提取

作为电机转子的支撑元件,电机轴承故障在电机故障中占有很大比例。针对电机滚动轴承振动信号多分量调幅调频的特点,提出一种基于局域均值分解(LMD)和平滑Teager能量算子的电机轴承故障特征提取方法。该方法首先通过LMD将多分量调制信号分解为若干个单分量调制信号,再运用平滑Teager能量算子对包含主要故障信息的分量进行解调,从而准确地分析出轴承的故障特征。模拟和实例证明了该方法的有效性。     

A method for the compound fault diagnosis of gearboxes based on morphological component analysis

An improved morphological component analysis (MCA) method is proposed for the compound fault diagnosis of gearboxes. When gear fault and bearing fault occur simultaneously, the compound fault signal of the gearbox contains meshing components (related to the gear fault) and periodic impulse components (related to the bearing fault). The corresponding fault characteristics can be separated by MCA according to the morphological differences of the components. In the proposed method, the optimal dictionary, which can represent the characteristics of bearing faults, is first selected based on the principle of minimum information entropy. Then, the compound fault signal is decomposed into the meshing component and the periodic impulse component using MCA. Finally, the separated components are subjected to the Hilbert envelope spectrum analysis. The faults of the gear and the bearing can be diagnosed according to the envelope spectra of the separated fault signal components. Simulation and experimental studies validate the effectiveness of the proposed method for the compound fault diagnosis of gearboxes.     

基于EMD的能量算子解调方法及其在机械故障诊断中的应用

为了提取多分量的AM-FM信号的频率和幅值信息,提出了基于EMD (Empirical mode decomposition)的能量算子解调法,并将它应用于机械故障诊断中。该方法首先采用EMD将多分量的AM-FM信号分解成若干个IMF(Intrinsic mode function)分量之和,然后对每一个IMF分量进行能量算子解调,从而提取多分量的AM-FM信号的幅值和频率信息。对机械故障振动信号的分析结果表明,基于EMD的能量算子解调法能有效地提取机械故障振动信号的特征。     

基于信号共振稀疏分解和最大相关峭度解卷积的齿轮箱故障诊断

当齿轮箱内旋转零件发生故障时,其振动信号中的故障脉冲成分易被箱体中其他旋转部件的谐波信号和背景噪声所淹没,故障特征难以被有效提取。针对这一问题,提出了基于信号共振稀疏分解和最大相关峭度解卷积的故障诊断方法。该方法首先通过信号共振稀疏分解将信号中的低共振冲击成分从谐波分量和噪声中分离,然后对低共振分量进行最大相关峭度解卷积计算,进一步突出低共振分量中的周期脉冲成分,最后通过包络谱分析进行故障诊断。算法仿真、实验分析和工程应用结果表明,该方法能够有效提取强噪声信号中的周期性冲击成分,凸显故障特征,从而提供准确可靠的诊断结果。     

HYBRID WAVELET PACKET-TEAGER ENERGY OPERATOR ANALYSIS AND ITS APPLICATION FOR GEARBOX FAULT DIAGNOSIS

Based on wavelet packet decomposition (WPD) algorithm and Teager energy operator (TEO), a novel gearbox fault detection and diagnosis method is proposed. Its process is expatiated after the principles of WPD and TEO modulation are introduced respectively. The preprocessed signal is interpolated with the cubic spline function, then expanded over the selected basis wavelets. Grouping its wavelet packet components of the signal based on the minimum entropy criterion, the interpolated signal can be decomposed into its dominant components with nearly distinct fault frequency contents. To extract the demodulation information of each dominant component, TEO is used. The performance of the proposed method is assessed by means of several tests on vibration signals collected from the gearbox mounted on a heavy truck. It is proved that hybrid WPD-TEO method is effective and robust for detecting and diagnosing localized gearbox faults.     

一种基于增强型最大二阶循环平稳盲解卷积的齿轮箱复合故障诊断

针对齿轮箱复合故障振动信号易受到背景噪声干扰,使得传统方法对复合故障冲击特征难以准确分离的问题,提出一种自适应最大二阶循环平稳盲解卷积(ACYCBD)与1.5维导数增强谱相结合的复合故障诊断方法。首先,利用循环谱分析检测复合故障振动信号中与故障特征相关的循环频率成分,构建不同目标类型的循环频率集;之后,根据不同类型的循环频率集,提出一种以三阶累积量稀疏度(TCS)为指标,自适应地选取最大二阶循环平稳盲解卷积(CYCBD)的最优滤波器长度的改进算法,从而更好地获得包含不同故障冲击成分的CYCBD最优滤波信号;最后,提出一种新的1.5维导数谱进行特征增强,提高信噪比,并分析谱图中突出的故障特征频率进而判别故障类型。通过仿真信号与故障实验平台数据对算法进行验证,结果表明该方法能够实现齿轮箱复合故障的准确分离与诊断。     

OEEMD与Teager能量算子结合的轴承故障诊断

针对滚动轴承发生局部故障时振动信号中微弱周期性冲击的特征提取问题,提出参数优化集合经验模式分解(optimal ensemble empirical mode decomposition,简称OEEMD)与Teager能量算子解调结合的滚动轴承故障诊断方法。首先,针对集合经验模式分解(ensemble empirical mode decomposition,简称EEMD)过程中两个关键参数k(加入白噪声的幅值系数)和m(集合平均次数)的准确选取问题,通过引入相关系数、相关均方根误差和信噪比分析,给出一种可自适应确定这两个参数取值的OEEMD方法,通过OEEMD将冲击从滚动轴承振动信号中分离出来;其次,采用Teager能量算子对其进行包络解调,计算出瞬时幅值后再对瞬时幅值进行包络谱分析,以获取冲击的特征频率,从而对滚动轴承故障进行准确诊断。仿真信号分析和应用实例验证了该方法的有效性。     

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。     

基于量子计算的独立分量分析算法及应用

将量子优化原理应用于独立分量分析中,提出了量子独立分量分析算法(quantum independent component analysis,简称QICA),针对3组特定信号进行了混合与分离的仿真实验,得到了较好的分离效果。将该算法用于齿轮箱振动信号的源分离及其故障诊断中,实验结果表明,该算法用于齿轮箱振动信号分离可以明显增强故障信息,降低齿轮箱故障诊断难度。