基于自适应加权多尺度组合形态滤波的轴承故障特征提取研究

针对滚动轴承振动信号在进行早期故障诊断时往往会伴随着噪声干扰的问题,提出了一种选择性自适应加权多尺度组合形态滤波(Adaptive Weighted Multi-scale Combination Morphological Filtering,AWMCMF)方法,从振动信号中提取故障特征。首先,采用三种组合算子构成一组新的形态算子,可有效地提取出信号中的正负冲击特征;其次,基于新算子提出了加权多尺度形态滤波方法,并将Teager能量峭度作为评判指标为各尺度提供优化的权值;最后,将选择性自适应权值与多尺度算子进行加权绑定得到优化的故障特征提取结果。通过仿真信号和轴承故障振动信号的结果表明,该方法能有效地滤除噪声并提取故障特征。     

一种基于形态提升的自适应轴承微冲击提取方法

在轴承早期故障中,冲击信号十分微弱,往往被背景噪声和低频谐波淹没,使得冲击信号提取有一定的难度。自适应多尺度形态滤波采用非线性滤波方法,通过不同尺度的结构元素,对冲击信号进行匹配并提取出来,但是由于微弱的冲击信号对结构元素尺度十分敏感,所以很难达到理想的提取效果。而利用形态梯度提升小波,首先将信号中的脉冲进行放大,降低低频信号和部分噪声的干扰,再对提升后的信号进行自适应多尺度形态滤波,这样就能显著的提取微弱的冲击信号,进而判定轴承发生的故障类型。仿真实验和轴承故障实例表明,该方法能有效提取背景噪声下的微弱冲击信号,是一种有效的微冲击提取方法。     

Teager算子和极坐标级联增强时频特征算法及轴承微弱故障特征提取

提出了一种Teager算子和极坐标级联增强时频特征方法(Cascading enhancement of time-frequency feature based on Teager energy operator and polar diagram,CETFTP),应用于提取轴承早期单一和并发故障微弱特征。首先计算信号的Teager能量算子输出,一级增强冲击信号能量,按有限种可能周期将时间尺度平面上的时频系数累加,映射到极坐标平面,二级增强周期冲击时频特征。对仿真信号和4种工况轴承实测信号进行CETFTP分析,结果表明:CETFTP方法能级联增强周期冲击特征,有效抑制非同周期的其他分量和噪声干扰,更能提取强噪声下的轴承微弱故障特征;CETFTP不仅能有效提取单一故障微弱特征,而且能消除并发故障调制源之间的干扰,逐个提取信号中的多个调制源特征,为轴承并发故障特征提取提供了一条新途径。     

谐波分解结合自互补Top-Hat变换的轴承微弱故障特征提取方法

针对轴承早期故障特征微弱,极易被背景噪声淹没而不能及时检测的问题,本文提出了基于谐波分解和自互补Top-Hat变换的轴承微弱故障特征提取方法。首先,通过改进广义谐波小波函数,使得信号分解后子带个数和带宽范围不受二进制分解方式的限制,并在此基础上应用谱峭度图方法确定信号中故障特征相对集中的最优频带;然后,对最优频带信号进行多尺度自互补Top-Hat变换,抑制背景噪声的干扰,突出微弱的故障冲击特征,并引入故障特征能量比的方法自适应确定最优结构元素的尺度;最后,通过包络解调提取出轴承微弱的故障特征。对仿真信号和实测轴承全寿命数据分析的结果表明,该方法能较为有效检测出轴承微弱的故障特征,具有较高的工程应用价值。     

基于增强型形态学滤波的风电机组轴承故障诊断方法

风电机组滚动轴承振动信号微弱故障特征易被背景噪声和其他频率干扰,提取难度较大。针对此类问题,提出一种增强型的形态学滤波及故障诊断方法。算法构造了一种新的形态学综合顶帽变换(morphological comprehensive filter-hat transform,MCFHT),将其用于强背景噪声下目标信号的故障脉冲提取,并通过非线性滤波器幅频响应考察其滤波性质,为振动检测中故障脉冲的提取提供理论依据;针对MCFHT变换滤波尺度选择问题,通过分析原振动信号自身振动特性,给出了一种自适应的尺度计算策略,有效提高了滤波处理的效率和性能;提出一种改进的包络导数能量算子用于增强形态学滤波后信号中故障冲击特征,并滤除带内噪声频率。仿真信号与风电机组轴承实际故障信号实验结果表明,该方法能有效提取随机噪声和谐波干扰下的故障特征信息,滤波效果强于传统方法,具有较好的工程应用价值。     

基于自适应多尺度形态学AVG-Hat滤波的滚动轴承故障特征提取方法

针对机械设备故障信号中故障特征微弱,容易被背景噪声淹没而不能准确提取的问题,提出了一种新的自适应多尺度形态学AVG-Hat滤波方法,并将其用于强背景噪声下滚动轴承故障信号的特征提取中。首先,在分析传统形态学滤波器滤波特点的基础上,提出了形态学AVG-Hat滤波器的构造方法;然后,提出采用改进包络谱稀疏度作为选择滤波后最优信号的评价标准,通过粒子群优化算法自适应确定了多尺度滤波器中不同尺度结构元素的权重系数,进而构建了最优的多尺度形态学AVG-Hat滤波器;最后,将该滤波器用于处理故障振动信号,经过包络解调分析准确提取出了信号中的故障特征信息。通过对实测轴承故障信号进行分析,结果表明:该方法在信号降噪的基础上具有较强的故障特征提取能力,能有效用于滚动轴承故障的诊断,具有较高的工程应用价值。     

一种用于滚动轴承故障诊断的脉冲增强提取方法

针对齿轮箱滚动轴承发生故障时,其故障脉冲被强烈干扰信号湮没而导致故障特征难以提取的难题,提出了基于脉冲增强提取的滚动轴承故障诊断方法。基于表征故障脉冲周期性的包络谱,构建了能指示振动信号中故障脉冲强度的脉冲提取算子（PEO）;考虑到微弱故障信号特征增强的需求,结合最小熵解卷积（MED）构造了脉冲增强提取算子指标（PEEO）,用于评价MED不同滤波长度对故障脉冲增强的效果;构建基于MED滤波长度、脉冲频率以及PEEO的三维滤波模型,利用三维滤波谱PEEO峰值定位MED最优滤波长度并指示脉冲增强信号特征频率,获取最优脉冲增强信号的同时实现齿轮箱滚动轴承故障特征的提取。仿真分析和实验验证结果表明,该方法可以有效增强轴承故障脉冲,并在最优脉冲增强信号PEEO幅值谱中呈现显著的轴承故障特征,实现了齿轮箱滚动轴承微弱故障的诊断,且与典型方法相比具有明显优势。     

基于自相关与能量算子增强的滚动轴承微弱故障特征提取

针对滚动轴承(rolling element bearings, REBs)早期故障振动信号冲击成分微弱,受噪声影响故障特征难以提取,提出了基于自相关和Teager能量算子增强的滚动轴承微弱故障特征提取法。利用自相关计算和经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD),分别实现轴承振动信号整个频带随机噪声和低频噪声的抑制,突出故障冲击周期。同时,提出基于内禀模态函数(intrinsic mode function, IMF)能量比加权的互相关系数-峭度指标用于筛选最优IMF进行信号重构,强化重构信号中的故障信息。对重构信号作用Teager能量算子(Teager energy operator, TEO),得到故障冲击特征增强的瞬时能量序列,通过功率谱分析提取轴承故障特征频率。内圈故障仿真信号和滚动体故障实测信号分析表明,该方法能够有效抑制轴承振动信号噪声,对早期故障的微弱特征有显著增强作用。     

基于AWMMD的柴油机气缸故障特征提取方法研究

针对柴油机气缸故障诊断时的噪声干扰问题,提出一种自适应加权多尺度形态分解(adaptive weighted multi-scale morphological decomposing, AWMMD)方法,从各个缸盖表面振动信号中提取故障特征。基于三种组合算子构造一种新的组合差值形态滤波器,用于对振动信号进行多尺度分解;以Teager能量峭度作为评判指标,设计基于遗传算法的各尺度形态模式分量(morphological mode component, MMC)权值自适应分配算法,提出加权多尺度形态分解方法;将自适应权值与多尺度分解的形态模式分量进行绑定,得到优化的故障特征提取结果。仿真信号测试与柴油机故障模拟信号分析结果表明,该方法能有效抑制噪声干扰并提取故障特征。     

基于Teager峰值能量的低转速轴承故障特征提取方法

峰值冲击是轴承故障信号中的重要特征之一,明显的峰值冲击有利于其故障诊断,而低转速工况下轴承故障由于振动能量小,峰值冲击微弱,导致故障特征容易被噪声淹没,通常无法通过包络分析等方法提取。为了增强微弱故障信号中的峰值冲击,提取低转速轴承故障特征,提出了基于Teager峰值能量的故障特征提取方法。采用移动窗口截取原信号,计算截取信号段的峰峰值,从而构造峰峰值特征波形,增强故障信号中的峰值冲击;利用Teager能量算子对峰峰值特征波形进行解调,抑制噪声干扰,提取瞬时冲击成分;根据提取的Teager能量频谱判断轴承的运行状态。实验结果表明,该方法有效提取了低转速轴承的冲击特征,实现了故障的诊断。     

基于迭代滤波和快速峭度图的滚动轴承微弱故障特征提取

在强背景噪声干扰下,快速峭度图提取滚动轴承微弱信号故障的特征效果并不明显。将迭代滤波(Iterative Filtering,IF)和快速峭度图相结合用于滚动轴承的微弱故障特征提取。滚动轴承故障振动信号通过迭代滤波进行自适应分解得到一组内禀模态分量,用迭代滤波对强噪声滚动轴承信号进行降噪处理,用快速峭度图构造最优带通滤波器,将滤波后信号的包络谱与轴承故障特征频率进行比较,从而诊断出具体故障。通过仿真和试验验证了所述方法的有效性及优点。     

迭代广义解调齿轮信号分离的变转速滚动轴承故障诊断EI北大核心CSCD

变转速工作模式下齿轮啮合会掩盖故障轴承冲击特征,使得轴承故障特征信息微弱,针对变转速工作模式下齿轮啮合对轴承信号干扰的问题,提出了迭代广义解调齿轮信号分离的变转速滚动轴承的故障诊断方法。首先采用峰值搜索算法从包络时频谱中提取峰值啮合倍频(Instantaneous Dominant Meshing Multiply,IDMM),通过IDMM趋势线构造各广义解调函数的相位函数;其次利用迭代广义解调算法(Iterative Generalized Demodulation,IGD)分离出齿轮啮合频率及倍频信号,对剩余信号采用谱峭度算法确定由故障轴承引起的高频共振滤波参数并进行带通滤波;最后,以提取的IDMM趋势线作为轴承转频,对滤波结果进行角域重采样,根据阶次谱对滚动轴承运行状态予以判断。仿真信号和实测信号的处理结果证明该方法在无转速计设备的情况下能有效的实现变转速滚动轴承的故障诊断。     

迭代广义解调齿轮信号分离的变转速滚动轴承故障诊断

变转速工作模式下齿轮啮合会掩盖故障轴承冲击特征,使得轴承故障特征信息微弱,针对变转速工作模式下齿轮啮合对轴承信号干扰的问题,提出了迭代广义解调齿轮信号分离的变转速滚动轴承的故障诊断方法。首先采用峰值搜索算法从包络时频谱中提取峰值啮合倍频(Instantaneous Dominant Meshing Multiply,IDMM),通过IDMM趋势线构造各广义解调函数的相位函数;其次利用迭代广义解调算法(Iterative Generalized Demodulation,IGD)分离出齿轮啮合频率及倍频信号,对剩余信号采用谱峭度算法确定由故障轴承引起的高频共振滤波参数并进行带通滤波;最后,以提取的IDMM趋势线作为轴承转频,对滤波结果进行角域重采样,根据阶次谱对滚动轴承运行状态予以判断。仿真信号和实测信号的处理结果证明该方法在无转速计设备的情况下能有效的实现变转速滚动轴承的故障诊断。     

强背景噪声振动信号中滚动轴承故障冲击特征提取

针对机械早期故障引起的冲击特征微弱,易受强背景信号和噪声的干扰而难以提取的问题,提出一种奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)差分谱与S变换相结合的微弱冲击特征提取方法。将原始信号构造成Hankel矩阵,采用SVD对重构矩阵进行分解;利用奇异值差分谱确定降噪阶次进行降噪;采用S变换对降噪后的信号进行时频分析,提取信号中的微弱冲击特征信息。通过数值仿真和实际轴承故障数据的对比,表明该方法可有效辨别轴承振动信号中故障引起的早期微弱冲击特征,为轴承故障诊断提供先验信息。     

基于改进形态-小波阈值降噪的轴承复合故障声学诊断

现场采集的滚动轴承复合故障声学信号存在噪声来源复杂、背景噪声强、非线性等特点,导致已知的自适应多尺度形态滤波不能很好的适用于轴承复合故障的盲分离。针对上述问题,提出一种基于改进的自适应多尺度多结构形态滤波(IAMSCMF)、改进的小波阈值降噪方法(IWTDM)和稀疏量分析(SCA)相结合的滚动轴承复合故障特征盲提取方法。首先利用IAMSCMF和IWTDM构造滤波器进行滤波及提高信噪比(SNR);其次利用SCA分离信号;最后用FFT进行频谱分析。仿真分析和滚动轴承现场采集声学信号分析结果均清晰的提取出了轴承故障特征,验证了算法的有效性。     

基于MOMEDA和极坐标时频特征级联增强的轴承早期特征提取

针对变速器轴承早期故障特征微弱、并发故障特征耦合的问题,提出一种基于MOMEDA和极坐标时频特征级联增强(CEMP)方法,对轴承早期单一和并发微弱故障特征进行提取。计算振动信号的Teager能量算子,对冲击成分能量进行一级增强;运用多点最优最小熵反褶积修正(MOMEDA)对信号故障特征周期的冲击信息进行二级增强;采用同步压缩小波时频分析(SWT),并将SWT系数循环映射到极坐标图上,在角域上三级增强故障特征周期的冲击成分。对正常、外圈故障、内圈故障、并发故障四种工况轴承实测信号进行CEMP分析,并进行有效性验证,结果表明:该方法能高识别率提取轴承早期单一故障和并发故障的微弱特征。     

基于倒谱预白化和形态学自互补Top-Hat变换的滚动轴承故障特征提取

为了消除振动信号中离散频率分量和强背景噪声对提取滚动轴承故障特征频率的干扰,提出了一种新的基于倒谱编辑(Cepstrum Editing Procedure,CEP)预白化和形态学自互补Top-Hat变换的方法用于滚动轴承的故障特征提取。CEP能够去除故障振动信号中的周期性频率成分,剩余只包含背景噪声和碰撞损伤引起的非平稳冲击成分的白化信号,通过分析构造的形态学自互补Top-Hat变换滤波器,提出采用故障特征幅值能量比(Feature Amplitude Energy Radio,FAER)的方法自适应确定最优结构元素的尺度,预白化信号经过形态学滤波有效消除了背景噪声的干扰,提取了较为清晰的轴承故障特征频率。对实测轴承滚动体、内圈故障信号进行了分析,结果表明该方法可有效提取滚动轴承故障冲击成分并抑制噪声。     

基于自适应MOMEDA与VMD的滚动轴承早期故障特征提取

轴承故障衍生早期,由于故障尺寸较小且易受环境噪声和信号衰减的影响,因此故障冲击信号往往非常微弱。变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)已经在轴承的故障特征提取中有一定的应用,但对于背景噪声较强时的滚动轴承的微弱故障提取效果并不理想。针对这一问题,将改进多点优化最小熵解卷积(Multipoint Optimal Minimum Entropy Deconvolution Adjusted,MOMEDA)与VMD相结合,研究了滤波器长度对MOMEDA效果的影响,提出基于进退法确定最优滤波器长度的自适应MOMEDA方法。利用自适应MOMEDA对信号降噪并避免传统MED迭代以及滤波后可能出现的虚假峰值。将自适应MOMEDA降噪后的信号使用VMD进行分解,然后依据谱峭度大小进行重构,对重构之后的信号进行故障特征提取,取得了较好的效果。最后通过实验验证了方法的可行性及有效性。     

基于LMD自适应多尺度形态学和Teager能量算子方法在轴承故障诊断中的应用

为了从故障轴承信号中提取包含故障信号的特征频率,提出了基于LMD自适应多尺度形态学和Teager能量算子解调的方法。首先,采用LMD将目标信号分解成有限个PF（Product function,PF）分量,分别对其进行多尺度形态学滤波,利用峭度准则优化形态学结构元素尺度,自适应寻求最优解,最后用Teager能量算子计算各PF分量的瞬时幅值,通过瞬时Teager能量的Fourier频谱识别轴承的故障特征频率。为了验证理论的正确性,进行了数字仿真实验和轴承故障模拟实验,并与EMD形态学和包络解调方法进行了比较,结果表明该算法明显优于其他两种方法,对滚动轴承外圈、内圈和滚子故障的检测精度更高,能够清晰地提取出故障信号的频率特征。     

Teager能量算子增强倒阶次谱提取轴承微弱故障特征

针对变速器加速过程下轴承故障特征易于暴露难以提取问题,提出一种Teager能量算子增强倒阶次谱方法。计算加速过程等角度重采样信号的Teager能量算子,对Teager能量算子输出进行倒谱分析,获得Teager能量算子增强倒阶次谱。对加速过程滚动轴承外圈、内圈剥落故障信号进行分析,结果表明,Teager能量算子能有效增强冲击成分,抑制非冲击成分;倒阶次谱能从干扰中准确识别被增强的故障冲击特征,提取轴承微弱故障特征。