瞬态成分Laplace小波稀疏表示及其轴承故障特征提取应用

机械系统中轴承局部故障会导致振动信号中出现瞬态冲击响应成分,可通过对瞬态成分的分析与提取实现故障特征的提取。稀疏表示是强背景噪声下微弱特征提取的有效方法之一,在信号稀疏表示理论的基础上,针对冲击响应信号的特点,提出其在Laplace小波基底下的稀疏表示,并应用于轴承局部弱故障状态下振动信号中瞬态冲击成分的提取。在选定匹配基底函数的前提下,运用分裂增广拉格朗日收缩算法求解基追踪去噪(Basis pursuit denoising,BPD)问题,将信号中的瞬态冲击成分转化为一系列稀疏表示系数,实现强背景噪声下弱特征的有效提取。仿真信号和轴承微弱故障下的特征提取表明提出的方法能有效地检测和提取强背景噪声下的微弱故障。     

基于漏磁和振动信号融合的变转速电动机轴承故障诊断方法

基于频谱分析的轴承故障诊断方法在恒定转速时具有较好效果,但在变转速工况下难以适用.提出一种基于漏磁和振动信号融合的方法实现变转速工况下电动机轴承的故障诊断,首先同步采集电动机漏磁和振动信号,通过漏磁信号分析估计电动机的转速及转角,随后对时域振动信号进行阶次分析实现轴承故障诊断.在变转速工况下针对轴承外圈故障和内圈故障的...     

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。     

基于振动信号分析的数控机床自动换刀系统故障诊断研究

以加工中心圆盘式刀库机械手自动换刀系统为研究对象,采用Laplace小波构造参数脉冲字典,利用分裂增广拉格朗日收缩算法求解稀疏表示系数,提取自动换刀循环过程中振动信号的瞬态特征,并用频率、阻尼比、发生时刻等参数表征,实现了系统故障特征的精确提取,提高了自动换刀系统状态分析和诊断的精确性,延长了自动换刀系统的正常工作时间,提升了系统的可靠性。     

强噪声下工程装备轴承信号的稀疏重构研究

工程装备轴承故障工况特征常被外在信息淹没,为了对故障数据有效提取,提出了粒子群寻优与稀疏重构相结合的降噪滤波方法,选取Laplace小波基进行参数寻优与字典预构,进而对轴承的振动信号进行稀疏重构.通过对实验数据施加2 dB的高斯白噪声模拟工程环境下的轴承信号,将优化的稀疏重构算法与巴特沃斯滤波器、小波阈值去噪算法进行对比.结果显示:在峰值信噪比与波形相似性等参数上,所提方法的效果更优,所得的重构信号内外圈故障特征频率与理论特征频率相接近,在充分过滤噪声后,可保留原始特征信息,为后期的故障诊断提供良好的数据基础.     

基于RLMD和WSET的变转速下滚动轴承故障诊断

在变转速工况下,对起重机、风机等重载设备中滚动轴承的故障诊断不够准确。针对这一问题,提出了一种基于鲁棒局部均值分解(RLMD)和同步提取小波变换(WSET)的故障诊断方法。首先,以振动信号分析为基础,研究了变转速下的滚动轴承的故障特征频率,对RLMD和WSET公式进行了推导;利用RLMD对滚动轴承振动信号进行了模式分解,以最大互相关系数原则选取了最佳分量;然后,对选取的分量进行了WSET,获得了能量集中的时频表示,从时频平面中提取了故障特征曲线,并将其与理论故障特征频率曲线进行了比较,从而进行了变转速下的故障诊断;最后,研究设计了多分量信号的数值模拟仿真实验,进行了轴承-齿轮故障综合试验台变转速滚动轴承的故障诊断。研究结果表明：所提出的方法能够很好地消除噪声的影响,获得准确的故障特征频率曲线,在变转速滚动轴承故障诊断中具有有效性。     

基于双时域变换和稀疏编码收缩的滚动轴承早期故障诊断方法

针对滚动轴承早期故障特征微弱、在噪声和谐波干扰下难以有效提取的问题,提出了联合双时域(DTD)变换和稀疏编码收缩(SCS)的故障诊断方法。首先对原始信号进行双时域变换,将双时域变换谱的对角序列作为重构信号;然后对重构信号进行稀疏编码收缩,减小噪声与低频杂波的干扰;最后对降噪信号做包络谱分析,提取故障特征频率,判定故障类型,实现故障诊断。对仿真信号、实验信号、工程信号的分析结果表明,该方法可有效提取轴承早期故障信号中的微弱故障特征,准确判断故障类型。     

基于VMD-WPD的异构特征与随机森林融合的轴承变工况故障诊断应用研究

滚动轴承在变转速工况下,振动故障信息受到转速调制,传统的FFT分析会产生严重的频谱混叠。为了有效解决轴承变转速工况的故障诊断问题,文章提出了一种基于异构特征融合的智能故障诊断方法,首先利用变分模态分解（VMD）和小波包分解（WPD）将非平稳的变转速信号分解为不同的分量,其次对不同的分量求取能量信息,利用能量信息构建基于模态和高低频的异构特征向量,最后将VMD-WPD的异构特征与随机森林的共智决策能力相结合,实现轴承智能故障诊断。试验表明,该方法能够较好地识别轴承变转速工况下的故障类型,为轴承的非平稳运行故障诊断研究提供参考。     

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.     

DTCWPT-TV在高速列车齿轮箱轴承故障诊断中的应用

齿轮箱轴承作为高速列车转向架上的关键部件,其故障特征主要体现在其振动信号中,但是列车运行过程中存在强电磁噪声。针对强背景噪声下信号中故障特征频率的提取,提出双树复小波包变换(Dual Tree Complex Wavelet Package Transform,DTCWPT)和全变差(Total Variation,TV)结合的算法。该算法利用DTCWPT将齿轮箱轴承振动信号分解为不同尺度的信号分量,通过峭度指标选择冲击特征最显著的一个信号分量;针对含噪声的冲击特征,通过对该信号分量的全变差进行稀疏追踪从而得到信号的稀疏优化表示,使得振动信号中的冲击特征得到显著增强。通过构造一仿真信号对稀疏追踪算法的有效性进行了验证,并将该方法与DTCWPT结合并应用于齿轮箱轴承故障诊断中,结果表明:该方法能够很好地提取出信号中的冲击特征,并且频谱中的故障表征明显,能够有效地指导故障诊断。     

稀疏自编码深度神经网络及其在滚动轴承故障诊断中的应用

针对目前滚动轴承故障诊断主要采用监督式学习提取故障特征的现状,提出了一种基于稀疏自编码的深度神经网络,实现非监督学习自动提取滚动轴承振动信号的内在特征用于滚动轴承故障诊断。首先,将轴承故障振动信号的频谱训练稀疏自编码获得参数;然后用稀疏自编码获得的参数和轴承振动信号频谱的频谱训练深度神经网络,并结合反向传播算法对深度神经网络进行整体微调提高分类准确度;最后用训练好的深度神经网络来识别滚动轴承故障。对正常轴承、外圈点蚀故障、内圈点蚀故障和滚动体裂纹故障振动信号的分析结果表明:相比反向传播神经网络,提出的深度神经网络更能准确的识别滚动轴承故障类型。     

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。     

多源稀疏优化方法研究及其在齿轮箱复合故障检测中的应用

齿轮箱因其工作环境恶劣,极易出现复合故障,其故障振动信号往往包含多种成分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.稀疏分解能够在强背景噪声下有效地提取微弱故障特征,针对传统稀疏分解方法存在信号保真能力欠缺,目标函数非凸导致局部最优解,模型通用性差等问题,基于广义极小极大凹(Generalized minimax concave,GMC)惩罚函数推导构建了具有保凸性的多源稀疏优化目标函数,并利用前向后向分裂(Forward-backwardsplitting,FBS)算法,基于Laplace小波字典,Morlet小波字典与DFT字典分别求解轴承瞬态成分,齿轮瞬态成分,谐波成分的稀疏表示,最终实现各成分的准确提取.仿真信号和试验信号的分析均验证了所提出的模型能够在不需要故障具体数目的先验知识下,准确实现齿轮箱复合故障的信号分解和故障诊断.     

轨道列车轴箱轴承状态监测方法

基于快速谱峭度的轴承诊断方法在恒转速工况和信号高信噪比下具有较好的诊断效果，但在轨道列车处于变转速工况、强噪声干扰以及轮轨冲击环境下难以适用。提出一套基于阶次分析和相关谱峭度方法的诊断流程：首先同步采集振动信号和转速信号，通过阶次分析对信号进行平稳化处理；然后计算信号相关谱峭度得到最优解调频带及其对应的解调谱；最后从解调谱中识别轴承的故障频率。模拟试验台以及实车数据验证了该方法可以在变转速、强干扰噪声及轮轨冲击下准确提取轴承的故障特征频率，实现轴承故障诊断。     

基于多项式Chirplet变换和变分模态分解的变转速工况轴向柱塞泵故障诊断

针对变转速工况轴向柱塞泵故障诊断时故障特征提取困难的问题,提出了基于多项式Chirplet变换和变分模态分解的诊断方法。首先使用多项式Chirplet变换估计瞬时频率;然后基于估计的瞬时频率重采样,将时域非平稳信号转化为角域平稳信号;最后对角域信号进行变分模态分解。根据峭度对所得的本征模态函数分量进行重构并作包络阶次谱分析,判断轴向柱塞泵中轴承的故障类型。实验结果表明,该方法有效提取了变转速工况轴向柱塞泵轴承的故障特征。     

变工况下基于信息融合的地铁牵引电机轴承故障智能诊断

针对传统滚动轴承故障诊断方法过于依赖先验知识和专家经验,以及单一信号对某些故障识别率偏低的问题,提出一种变工况下基于信息融合的地铁牵引电机轴承故障诊断方法.首先搭建滚动轴承试验与多信息采集系统;其次对地铁牵引电机轴承进行缺陷预制并采集轴承试验过程中的声发射和振动信号;然后用小波包分解对原始信号进行处理并提取特征,再用卷积神经网络对归一化后的特征信息进行融合;最后建立二维卷积神经网络模型,对不同工况下的地铁牵引电机轴承故障进行智能诊断.试验结果表明:变工况下基于信息融合的地铁牵引电机轴承故障智能诊断方法,可在载荷和转速变化的情况下准确识别轴承的故障类型,当神经网络训练集与测试集涵盖工况相同时,准确度可达100％.     

基于深度残差收缩网络的风力发电机齿轮箱故障诊断

提出了一种基于深度残差收缩网络的风力发电机齿轮箱故障诊断方法。首先，通过齿轮箱动力学模拟实验平台采集9种工况下的8种故障的振动信号；其次，对所采集的信号进行数据预处理，将其输入至深度残差收缩网络中训练；最后，利用反向传播算法不断优化网络参数，实现变工况下风力发电机齿轮箱故障的识别与分类。实验结果表明，所提方法在变工况场景下，可有效提取齿轮箱的故障特征并具有较高的识别准确率，证明了其在风力发电机齿轮箱故障诊断方面的可行性及有效性。     

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。     

基于时变零相位滤波的变转速滚动轴承故障诊断

针对变转速下齿轮箱中滚动轴承故障调制特征的提取与分离,提出了基于时变零相位滤波的变转速滚动轴承故障诊断方法。该方法先用线调频小波路径追踪(CPP)算法从齿轮箱滚动轴承故障振动信号中估计出齿轮啮合频率,由啮合频率除以齿数得到齿轮箱的转速,同时,采用Hilbert包络解调方法获取轴承故障振动信号的包络信号;然后根据获取的转速信息设计各阶时变零相位滤波器;再采用各时变零相位滤波器对包络信号进行分析,获取各调制信号;最后,利用转速信号对求取的各调制信号进行阶次分析,并根据各阶次谱来诊断滚动轴承故障。算法仿真和应用实例分析表明,该方法可有效提取和分离变速齿轮箱中滚动轴承的各阶故障调制特征。     

基于非线性动力学模型的齿根裂纹故障分析

基于齿轮系统动力学的理论方法,考虑质量偏心、齿面摩擦及时变刚度等因素的影响,建立了齿根裂纹非线性动力学的故障模型。通过对模型的数值求解与分析,得出轴的转动振动信号比箱体上的振动信号故障特征更明显。同时对不同转速、负载的工况下的仿真对比,获得了更有利于提取故障特征的工况,揭示了故障模式下的振动响应的原理和特征,为提取具有更好信噪比的振动信号提供了理论依据。通过试验验证,证明了结论的正确性,为提高故障诊断的准确性提供了新的途径。