归一化复域能量算子解调及其在转子碰摩故障诊断中的应用

归一化希尔伯特变换(Normalized Hilbert transform,NHT)解调采用经验AM-FM分解实现信号的包络信号(即瞬时幅值)和纯调频信号的分离,再对纯调频信号进行希尔伯特变换提取瞬时频率。与直接希尔伯特变换解调比较,归一化希尔伯特变换的解调效果有较大提高。然而,研究发现,经验AM-FM分解得到的纯调频信号可能存在易导致负频率出现的骑波,并且由于归一化希尔伯特变换求取瞬时频率仍采用希尔伯特变换,则不可避免地在端点处产生振荡。针对归一化希尔伯特变换解调存在的问题,提出可以消除骑波的改进的经验AM-FM分解以及基于复域能量算子的纯调频信号的瞬时频率估计,并在此基础之上进一步提出一种新的信号解调方法——归一化复域能量算子(Normalized complex Teager energy operator,NCTEO)解调,采用改进的经验AM-FM分解提取单分量信号的瞬时幅值,再用基于复域能量算子的瞬时频率估计对纯调频信号进行解调提取瞬时频率。通过仿真试验以及转子早期碰摩故障诊断的应用实例验证了归一化复域能量算子解调的优越性和有效性。     

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。     

基于改进经验小波变换的行星齿轮箱故障诊断

行星齿轮箱振动信号具有复杂多分量和调幅-调频的特点。幅值解调和频率解调方法能够避免传统Fourier频谱中的复杂边带分析,有效识别故障特征频率。经验小波变换通过对信号Fourier频谱的分割构造一组正交滤波器组,能提取具有紧支撑Fourier频谱的单分量成分,再对单分量成分运用Hilbert变换即可实现信号的解调分析。经验小波变换能够有效分离出调幅-调频成分,不存在模态混叠现象,具有完备的理论基础,自适应性好、算法简单、计算速度快。将改进的经验小波变换应用于行星齿轮箱振动信号的解调分析;提出了一种单分量个数的估算方法,解决了经验小波变换中的Fourier频谱划分问题;给出了对故障敏感的信号分量的选取方法,提高了分析的针对性。将改进方法应用于行星齿轮箱振动仿真信号和实验信号分析,验证了该方法的有效性。     

基于迭代广义同步压缩变换的时变工况行星齿轮箱故障诊断

同步压缩变换在分析频率恒定的单分量信号时改善时频可读性的效果显著,而在分析多分量频率时变信号时存在时频模糊现象,为了解决这一问题,提出迭代广义同步压缩变换方法。通过迭代广义解调分离出各单分量成分,并将时变频率变换为恒定频率。应用同步压缩变换精确估计瞬时频率和时频分布幅值。将各单分量的时频分布叠加获得信号的时频分布。该方法有效改善了同步压缩变换在分析频率时变信号时的时频可读性,并且将其推广应用于多分量信号。应用该方法有效识别了时变工况下行星齿轮箱振动信号的频率组成及其时变特征,准确诊断了齿轮故障。     

滚动轴承特征提取的多分量解调方法

提出利用多个高频振动分量进行滚动轴承故障特征提取的多分量解调方法。与传统的基于单一高频振动分量的解调方法不同,多分量解调方法从多个高频振动分量中提取信号特征信息。首先构建带通滤波器组对原信号进行滤波,然后依据所提高频振动分量获取策略求取原信号中多个高频振动分量,并对各高频振动分量进行包络检波,其次用独立成分分析对所得包络信号进行盲分离,最后对分离信号进行频谱变换以提取故障特征信息。仿真信号和故障轴承信号的分析结果表明,所提方法较传统解调方法更能凸显滚动轴承故障振动信号中的特征信息。     

基于DEMD和对称差分能量算子解调的滚动轴承故障诊断

针对机械故障振动信号多为调制信号的特点,为了更好地提取多分量调幅调频信号的幅值和频率信息,提出了基于微分的经验模式分解(DEMD)与对称差分能量算子相结合的解调方法。利用DEMD算法将原始振动信号进行分解,得到若干个单分量信号;对每一个单分量信号进行三点对称差分能量算子解调,得到各单分量信号的瞬时幅值和瞬时频率,并计算出包络谱。将该方法应用于仿真信号和滚动轴承故障信号的诊断,实验结果表明,该方法能有效地提取机械故障信号的故障特征,实现旋转机械故障诊断。     

局部特征尺度分解结合局部均值解调的齿轮故障诊断

为了准确地进行故障诊断,根据齿轮故障振动信号的多分量调幅-调频特征,提出了一种新的解调方法--局部均值解调法,将之与局部特征尺度分解相结合进行齿轮故障诊断。该诊断方法首先对齿轮振动信号运用局部特征尺度分解,得到若干个内禀尺度分量,然后应用局部均值解调法求取每个分量的调频分量,最后根据瞬时频率的频谱进行故障诊断。采用仿真信号将局部均值解调法与Hilbert解调法、经验调幅调频分解法进行了对比,结果表明,局部均值解调法的精确性更好。通过齿轮故障振动数据的分析,验证了局部特征尺度分解结合局部均值解调的故障诊断方法的有效性。     

一种Hilbert变换法在非线性系统分析中的应用

Hilbert变换是信号处理领域常用工具之一,将Hilbert变换法改进并应用到信号分解和非线性系统振动分析中。振动信号的多谐波性,使得Hilbert变换法提取信号的瞬时频率和瞬时相角可以通过滤波的方法分离成快变和慢变两部分,从而提取系统的振动分量;通过迭代计算,依次获得振动信号中所有谐波分量;将非线性振动方程用瞬态幅值相关的瞬态参数表示,从而求解系统的频响关系曲线方程。通过相应的数值模拟计算,验证了改进的Hilbert变换法在非线性振动分析的有 效性。     

基于局部特征尺度分解的经验包络解调方法及其在机械故障诊断中的应用

提出一种基于局部特征尺度分解(Local characteristic-scale decomposition, LCD)和经验包络(Empirical envelope method, EE)解调的非平稳信号分析方法。该方法通过局部特征尺度分解将一个复杂信号自适应地分解为若干个内禀尺度分量之和,对得到的各个内禀尺度分量进行经验包络解调,得到各个分量信号的瞬时幅值和瞬时频率信息,从而得到原始信号完整的时频分布。采用仿真信号将基于LCD和EE解调的时频分析方法和希尔伯特黄变换方法进行对比,结果表明,新提出的信号分解和解调方法在抑制端点效应和迭代所需时间,瞬时特征的精确性等方面优于希尔伯特黄变换方法。针对滚动轴承和齿轮故障振动信号的调制特点,将基于LCD和EE的时频分析方法引入机械故障诊断中,对试验信号的分析结果表明,基于LCD和EE的时频分析方法能有效地提取机械故障振动信号的特征。     

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。     

Research on iterated Hilbert transform and its application in mechanical fault diagnosis

Multicomponent AM–FM demodulation is an available method for machinery fault vibration signal analysis, so a new method for mechanical fault diagnosis based on iterated Hilbert transform (IHT) is proposed. The principle of computing the asymptotically exact multicomponent sinusoidal model for an arbitrary signal by iterating Hilbert transform is introduced, and some properties of IHT are analyzed. Theoretical analysis for the generic two-component signal shows that there are limitations in the direct estimation of instantaneous frequencies via the phase signals of the previously obtained model. Therefore, a smoothed instantaneous frequency estimation (SIFE) method based on difference operator and zero-phase digital low-pass filtering is proposed, and then the accuracy and validity of this method have been proved by the simulation results. The analysis results of the mechanical fault signals show that the weak features of these signals can be efficiently extracted with the proposed approach.     

超声波远距离振动信号检测系统的设计

在机械设备状态监测与故障诊断中,振动信号是一个重要的状态参量。本文针对压电式、电涡流传感器等常规的振动测量方法和仪器在特殊环境中的局限性,提出了基于超声波的非接触式检测方法,研究并设计了系统检测装置。该检测装置主要由超声波发生模块、超声波接收模块和基于LabVIEW的数据采集/处理3个部分组成,利用该装置对振动对象进行远距离测量,并同时用传统测量仪器(电涡流位移传感器)作对照实验,得到较理想的检测结果,验证了该超声波振动检测装置的有效性和可行性。     

小波多重分形及其在振动信号分析中应用的研究

不同于许多基于FFT的信号分析方法,多重分形谱分析的是信号的几何结构特征。以前,多重分形谱的计算方法都有其固有的缺点,使多重分形谱的应用受到限制。而小波局部极大模方法因其简单性和有效性,近来在多重分形谱计算方面受到了广泛的关注。较系统地阐述了多重分形的概念和多重分形谱的小波局部极大模计算方法,讨论了多重分形谱在故障诊断领域的应用途径,并用多重分形谱对不平衡、油膜涡动、联轴器不对中和碰摩等旋转机械的4种典型故障的振动信号进行了事例研究。研究结果表明,多重分形谱能够很好的反映振动信号的几何结构特征,为机械设备故障诊断提供了又一种有效的方法。     

Interpretation of crack-induced rotor non-linear response using instantaneous frequency

Instantaneous frequency was introduced to describe the dependency of frequency components on time for non-stationary signals. A powerful alternative to the Fourier-based spectral analysis that provides insufficient resolution for the temporal progression of all frequency components, the concept of instantaneous frequency has rarely been applied to machine monitoring and diagnosis. The confusing fact that instantaneous frequencies determined could occasionally be negative and the associated amplitudes could be infinite for certain types of vibration signals inevitably limits the adaptability of the concept to fault detection as a result. Significant insight into the applicability of instantaneous frequency is gained through re-examining the fundamentals upon which the concept was first defined. It is found that the Hilbert-transform-based definition of instantaneous frequency is applicable only to signals of monocomponent, thus implying the need for separating a multicomponent signal into its monocomponent subsets. Misuse of the definition to multicomponent signals would result in the individual instantaneous frequency associated with each inherent monocomponent being averaged and thus obscure the underlying characteristics of the signal. A mathematically complete decomposition scheme effective in resolving a multicomponent signal into an orthogonal space spanned by its intrinsic monocomponents is explored. Several examples are considered to show that the scheme not just enables the removal of the difficulties commonly encountered in applying instantaneous frequency but also imparts valid renditions to the interpretation of fault-induced bifurcation and dynamic instability.     

基于振动信号的变频涡旋压缩机故障诊断

设计开发了变频涡旋压缩机振动测试系统,该系统在LabVIEW软件平台上对变频涡旋压缩机振动信号进行采集和分析,可以实现涡旋压缩机变频控制、振动信号采集、数据读写和振动信号分析等功能。利用倒频谱法和互相关函数理论进行了振动信号实时分析和故障诊断,确定了振源,并提出相应减振措施,为涡旋流体机械的故障诊断及性能提高提供了方法和依据。     

深度嵌入关系空间下齿轮箱标记样本扩充及其半监督故障诊断方法

针对只有少量标记样本的情况下,传统的基于深度学习的齿轮箱故障诊断方法训练出来的深度模型泛化能力差并且容易发生过拟合的问题,提出了一种基于深度嵌入关系空间下齿轮箱标记样本扩充的齿轮箱半监督故障诊断方法.该方法将少量的有标记振动信号以成对的输入方式输入到关系网络中进行监督训练,然后以有标记振动信号为参考,将大量的无标记振动...     

往复压缩机多重分形故障特征提取

实现了基于多重分形的往复压缩机振动信号的故障特征提取。针对往复压缩机振动信号的非线性和非平稳性,使用多重分形谱和广义维数对压缩机振动信号进行分析,从中提取可识别的故障特征。分析结果发现多重分形谱中的△α值和广义维数Dq作为故障特征能够很好地反映往复压缩机的工作状态,为往复压缩机的故障特征识别提供了必要依据。     

免疫优化盲源分离算法在故障诊断中的应用

将人工免疫算法用于盲源分离算法,阐述了盲源分离过程,提出了免疫优化盲源分离算法(AIS-ICA算法),针对4组特定信号的混合与分离进行了仿真试验。仿真试验结果表明,该算法具有收敛速度快、分离精度高和稳定性好等优点。将该算法用于齿轮箱振动信号的盲源分离及其故障诊断,增强了振动信号所携带的故障信息,结果表明该算法用于齿轮箱振动信号分离可增强故障信息,降低齿轮箱故障诊断难度。     

Vibration component separation by iteratively using stochastic resonance with different frequency-scale ratios

It is well-known that stochastic resonance (SR) is mainly used for signal denoising and weak signal detection. In this paper, we firstly find the frequency range selection characteristic (filtering characteristic) of re-scaling frequency SR (RFSR) caused by the driving frequency limitation of bistable SR. It then follows that a novel approach to separate vibration components with different frequencies by iteratively using SR is explored. The frequencies of most vibration signals exceed the driving frequency limitation, thus by use of different frequency-scale ratios, the vibration signals with different frequency range can be extracted by RFSR. Firstly, a small frequency-scale ratio is used to obtain the vibration signal with a narrow frequency range, i.e. low frequency vibration. As the output of SR may have a phase lag, a simple phase-shift correction method is proposed to improve the accuracy of signal component separation. The phase-shift corrected signal of RFSR output is separated from the original vibration signal and the residue is treated as the new vibration signal. Then, increasing the frequency-scale ratio according to a searching algorithm, the vibration signal with higher frequency can be obtained by RFSR. Through this iterative process, several harmonic vibration components can be separated from the original noisy vibration signal. The proposed method, empirical mode decomposition (EMD) and Hilbert vibration decomposition (HVD) are respectively applied to analyzing a simulated vibration signal and extracting the fault feature of a rotor system. The contrastive results show that this proposed method has good frequency resolution and can successfully separate monocomponent harmonic signals from a strongly noisy multicomponent harmonic vibration signal while EMD and HVD cannot.     

混合信号振声源分离与多机组故障诊断

针对机房设备混合信号难以提取有用信息,提出了多参数的振声诊断方法。应用最小互信息梯度下降的盲分离算法,通过展开边缘熵和修正四阶累积量估计值的方法改善算法性能,在故障源数量未知且可能大于传感器数量的情况下,根据信息源之间的独立性测度关系依次提取最显著的特征值。仿真结果证明,改进算法估计误差减小且算法可靠。在诊断实例中,首先,分离机房内的混合噪声信号以确定主要故障来源;然后,采集故障源的振动信号进行非线性盲分离,提取热泵机组压缩机不对中、齿轮啮合不良和碰磨的故障特征;最后,根据分离的振源信号特征识别故障类型,建立基于盲源分离算法的大空间设备群的振声诊断方法。