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。     

基于共振稀疏分解的滚动轴承早期微弱故障诊断

传统方法很难对滚动轴承的早期微弱故障进行有效诊断.共振稀疏分解是一种基于多字典库的稀疏分解方法,可以同时分解出滚动轴承故障信号中的瞬态冲击成分及其持续震荡成分(工频及其谐频成分).该方法在对滚动轴承早期微弱故障信号进行自适应滤波降噪(采用Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD方法)基础上,对处理后的信号进行共振稀疏分解分析,分别构建高、低品质因子小波基函数字典库,并利用形态学分析方法建立信号稀疏表示的目标函数,进而实现对滚动轴承发生故障时具有低品质因子的瞬态故障成分及其他持续振荡高品质因子噪声成分的成功分离.对分离得到的低品质因子信号成分进行包络解调分析,进而得到较好的故障提取特征结果.通过实验验证了所述方法的有效性.     

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.     

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。     

基于低秩稀疏分解算法的铣床齿轮箱故障诊断

铣床齿轮箱的安全运行对保证机械设备的效率具有重要的作用,其故障诊断复杂难控。传统形式算法只是从原始振动信号中进行字典原子学习,并未从本质层面分析特征信息物理结构特性。采用低秩稀疏分解算法,并进行BCD求解对齿轮箱故障诊断开展分析。研究结果表明：特征信号已淹没到了噪声中,能够对等间隔冲击特征进行准确识别,并使特征信号信噪比由-9.152增大为4.716。表明采用稀疏低秩算法能够滤除噪声干扰,从而高效识别瞬态冲击成分。经过3次迭代后特征信号发生了奇异值快速衰减现象,具有明显稀疏特性。低秩稀疏分解信号形成的包络谱,已经实现了所有干扰频率成分以及噪声成分的滤除效果,采用低秩稀疏分解算法能够实现齿轮箱局部故障的准确诊断。     

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。     

周期稀疏导向超小波在风力发电设备发电机轴承故障诊断中的应用

机械故障特征提取的内积变换原理要求匹配基函数与目标特征之间的相似性。在缺乏故障特征的精确信息这一不利条件下,根据故障呈现出的确定性以及统计特性能够有效指导基函数的选择和构造针对发电机轴承发生故障时常伴随周期性特征的先验知识,提出冲击故障特征周期性稀疏为导向的超小波构造方法。所提出的超小波变换利用可调品质因数小波变换作为匹配字典库,从而改进经典的基于单一固定基函数的小波分析思想。在技术路线上:首先采用超小波字典库对信号进行分解,计算各小波尺度上的周期性稀疏故障特征能量权重指标;以该权重指标优化为目标函数作为评价超小波字典与微弱故障特征匹配相适度的依据选择的可调品质因数小波最优刻画参数(即最优超小波);利用最优的超小波基函数对信号进行最终分解,获取其中的关键故障特征。所提出方法成功地应用于某风力发电机组上发电机轴承故障诊断,从中提取振动信号中隐藏的微弱冲击性故障特征。     

基于稀疏分解和包络解调的齿轮故障诊断

齿轮发生局部损伤,其振动信号中存在瞬态冲击成分,而冲击成分往往被谐波和强噪声所掩盖。为提取瞬态冲击信号,构造了冗余的级联字典,建立了将谐波和瞬态冲击在级联字典上进行稀疏分解的数学模型,然后将块坐标松弛法应用于齿轮振动信号的稀疏分解模型上,将谐波和瞬态冲击成分进行分离,并且有效提高了振动信号的信噪比。最后应用Hilbert包络解调从瞬态冲击成分中提取出齿轮的故障特征频率,表明此方法在齿轮故障诊断中的有效性。     

基于MRSVD能量特征和KFCM的齿轮箱复合故障诊断

针对齿轮箱复合故障信号成分复杂和故障特征难以识别的问题,提出基于多分辨奇异值分解(MRSVD)能量特征和模糊核聚类(KFCM)的齿轮箱复合故障诊断方法。首先,采集齿轮箱不同工况下的振动信号,通过进行MRSVD分解得到1个相似信号和5个细节信号;然后,提取6个分量信号的能量特征并进行归一化处理,得其能量相对值;最后,使用KFCM进行故障诊断。实验结果表明,MRSVD能量特征提取方法可有效提取齿轮箱复合故障特征,且KFCM可准确诊断齿轮箱复合故障。     

基于稀疏分解的轴承声阵列信号特征提取

利用滚动轴承运行时的异常声响来识别轴承故障,搭建了轴承声阵列信号故障诊断实验平台。针对轴承声信号信噪比差、成分复杂、故障特征不明显的特点,提出一种基于稀疏分解的轴承传声器阵列信号特征提取方法。利用全息面有效声压场及其投影图对实验设备进行噪声源识别与定位,通过coif4小波字典和局部余弦字典构建冗余字典,采用稀疏分解提取热点噪声源声信号的冲击特征。仿真和实际声信号的处理结果表明,该方法准确提取了不同转速下声信号中的故障特征频率,证明了利用声阵列信号对轴承进行故障识别的有效性和可靠性。