目前,相关的变分方法研究模式分解(VMD)主要集中在选择分解模式的数量和使用各种优化算法的带宽参数。大多数这些方法利用genetic-like算法定量分析这些参数,增加了额外的初始参数和不可避免的计算负担由于忽视VMD的固有特征。从定位初始中心频率(ICF) VMD分解过程中,我们提出一个增强的VMD信封的指导与负熵谱对轴承故障诊断,从而有效地避免当前VMD-based算法的缺点。首先,ICF粗定位的信封负熵谱(实体)和断层相关模式将ICF进入VMD的快速提取。然后,断层相关模式自适应优化通过调整带宽参数。最后,为了识别断层相关特征,希尔伯特包络解调技术是用于分析该方法得到的最优模式。模拟和实验数据分析结果表明,该方法是有效的提取微弱故障轴承的特点和优势一些先进的方法。此外,讨论该方法的扩展提出确定多组分拓宽其应用范围。
滚动轴承是旋转机械的重要组成部分,它的性能决定了整个机械设备的运行效率和可靠性(
近几十年来,各种方法被研究人员介绍了基于振动信号的诊断滚动轴承故障,如反褶积分析(
最近,Dragomiretskiy和Zosso [
小王和Markert
本文概述如下。部分
VMD是自适应信号分解的新技术与nonrecursively筛选结构,可分为实值信号<我nline-formula>
初始化<我nline-formula>
更新<我nline-formula>
在哪里<我nline-formula>
更新<我nline-formula>
执行迭代方程(
在这<我talic> ε我talic>是收敛判断的公差值设置为10−7一般。
应用程序最初的VMD需要预设一些初始参数,包括分解模式的数量和带宽参数。原始VMD的有效性主要是受到这些初始参数。在我们之前的研究
熵可以视为一个好的测量检测系统中失去平衡扰动(
一般来说,信息熵<我nline-formula>
根据信封信息熵在频率<我nline-formula>
然后,实体是由图的概念<我nline-formula>
在最初的VMD算法中,有四个初始分解参数,即。,lagrangian multiplier coefficient, bandwidth parameter, the number of the decomposed modes, and its corresponding ICFs. As the strong noise component exists in the collected signal with the early stage defect of bearing, there is no need to strictly enforce the constraint, i.e., the Lagrangian multiplier coefficient should be set to zero. One of the critical links to the successful applications of VMD is the judgment of the number of decomposition modes. Actually, the number of meaningful modes embedded in the analysis data is difficult to be known in advance. Moreover, their corresponding ICFs which are close to the convergent property should also be careful to preset. At present, there are three ways for us to set ICFs.
零初始化
均匀的分布
随机间隔分布
步骤1:测量旋转机械振动数据。
步骤2:计算实体构造的总和生育率的基础上收集到的信号。
第三步:挑选的ICF存在的潜在故障模式。
步骤4:提取ICF融入VMD的预期模式。根据VMD的初始化参数的方法,预期的模式提取通过更新以下两个方程:
在哪里<我nline-formula>
第五步:调整带宽参数在预期的方式丰富了错误的信息。在上面的步骤中,包含故障信息的频带大致位于初始条件下。在此基础上,在这里,最大化峰度是用来确定带宽参数由于峰度是典型的指数代表断层相关的冲动。通过这种方式,效率可以提高VMD的优化策略。
第六步:执行希尔伯特包络解调分析的最优模式。
流程图的增强VMD的指导方法和实体。
验证该方法的性能,在本节中,根据当地故障轴承的振动特征,构造仿真如下:
参数设置模拟信号。
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|---|---|---|---|---|
| 0.05 |
模拟信号的信噪比−5 dB是首先分析方法研究其有效性和鲁棒性。图
模拟信号的波(信噪比=−5 dB): (a)纯信号<我nline-formula>
使用全球定位的方法和EFS模拟信号图
EFS的使用表示在不同的总和生育率参数显示在图
该方法的成功率和EFS模拟信号图
成功率为不同指数的均值和方差和信噪比=−5分贝。
| 指数 | 实体(%) | EFS (%) |
|---|---|---|
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One hundred. | |
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0 |
具体来说,模拟信号的一个例子−5 dB给出如下。如图
光谱分析的模拟信号图
为了进一步验证该方法的抗噪能力,分析了模拟信号信噪比−10分贝。模拟信号的波形信噪比−10 dB绘制在图
模拟信号的波(信噪比=−10 dB): (a)纯信号<我nline-formula>
使用全球定位的方法和EFS模拟信号图
该方法的成功率和EFS模拟信号图
成功率为不同指数的均值和方差和信噪比=−10 dB。
| 指数 | 实体(%) | EFS (%) |
|---|---|---|
|
|
One hundred. | |
|
|
0 |
同样,模拟信号的一个例子−10 dB给出如下。如图
光谱分析的模拟信号图
模拟信号在图的结果
作为一个强大的轴承故障特征提取分析技术,光谱峰态(SK) [
模拟信号在图
进一步验证该方法的优越性在自适应信号分解方法,模拟噪声信号分析了传统VMD方法与固定分解参数(<我talic>
K我talic>= 3,<我talic>
α我talic>= 2500)和粒子群优化(PSO)的VMD方法(
模拟信号在图的结果
在本节中,我们使用实验验证该方法的信号。如图
SpectrQuest机械故障模拟试验台。
几何和滚动轴承的特征频率。
| MB ER-16K | 球的数量 | 球直径 | 节圆直径 |
|---|---|---|---|
| 9 | 7.94毫米 | 38.5毫米 | |
| 故障类型 |
|
|
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| 故障特征频率(赫兹) |
实验的时间波形信号及其包络谱见图
试验轴承振动试验台的数据:(一)波形;(b)包络频谱。
使用全球定位方法和EFS与实验信号图
光谱分析的实验数据图
实验数据图的结果
作为比较,SK上执行相同的振动信号。kurtogram和由此产生的信号频带过滤了(一个坚实的红色圆圈所示)中所示的数据
实验数据图
为进一步比较,原始信号也分析了固定参数VMD方法和PSO-based VMD方法,结果如图所示
实验的结果在图信号
进一步证实该方法增强性能的轴承缺陷识别、凯斯西储大学的有缺陷的轴承数据(CWRU)轴承数据中心(
CWRU轴承故障测试设备。
几何和滚动轴承的特征频率。
| 6205 - 2 rs杰姆SKF | 球的数量 | 球直径 | 轴承平均直径 |
|---|---|---|---|
| 9 | 7.94毫米 | 39.04毫米 | |
| 故障类型 |
|
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| 故障特征频率(赫兹) |
被测信号的波形和包络谱图所示
CWRU轴承数据的实验轴承振动数据中心:(一)波形;(b)包络频谱。
使用全球定位方法和EFS与实验信号图
光谱分析的实验数据图
实验数据图的结果
相比较而言,实验CWRU轴承的轴承振动数据的数据中心也分析了SK。如图
实验数据图
此外,固定参数VMD (<我talic>
K我talic>= 3,<我talic>
α我talic>= 2500)和PSO-based VMD方法也被用来分析实验信号的比较。的PSO-based VMD方法最终确定最优参数<我talic>
K我talic>= 4,<我talic>
α我talic>= 600通过迭代搜索过程。两种方法的结果如图所示
实验的结果在图信号
在分析仿真和实验信号,证明了该方法具有良好的性能在轴承故障诊断。然而,多组分的情况关于错误的信息或复合故障的轴承通常存在于现场应用。因此,一个扩展识别多组分是至关重要的,扩大了该方法的应用范围。虽然增强VMD的指导存在着重于提取单组分目前,该方法的一些优秀的属性可以被进一步利用提取multifault信息。(1)所有轴承故障信息可以披露存在由于其精细的轴承故障特征频率分辨率和灵敏度。(2)增强VMD,分别提取有意义的模式和带宽参数独立可调。根据这些属性,可以发现迭代分解策略可以很容易地应用于增强VMD的指导与实体,在算法
一个实验案例进行这个扩展解释其过程。实验数据集(
航空发动机转子故障模拟器。
几何和测试轴承的特征频率。
| HRB6304 | 球的数量 | 球直径 | 节圆直径 |
|---|---|---|---|
| 7 | 9.6毫米 | 36毫米 | |
| 故障类型 |
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| 故障特征频率(赫兹) |
的多组分数据:(一)波形;(b)包络频谱。
多组分的光谱分析数据在图
存在的指导,四个由扩展方法迭代地提取有意义的模式。数据
提取有意义的迭代模式的扩展方法:(a)模式1、2 (b)模式,(c)模式3,(d)模式4,(e)傅里叶光谱。
峰度值模式。
包络谱的两种模式更大的峰度值分析了该过程。
出于比较目的、SK、固定参数VMD (<我talic>
K我talic>= 3,<我talic>
α我talic>= 2500),PSO-based VMD方法(最优参数:<我talic>
K我talic>= 8,<我talic>
α我talic>= 5000)用于分析多组分数据,如图
多组分数据图
多组分数据图
在本文中,我们提出了一个增强的VMD轴承故障诊断存在的指导。的主要贡献和优势增强VMD方法,它可以克服困难的传统VMD的初始参数选择,并免疫参数在总和生育率的变化;因此,轴承故障诊断的可靠性可以显著改善。仿真信号和实验研究证实了该方法的有效性在滚动轴承局部损伤的诊断。VMD EFS的指导下的比较证明了利用增强VMD总和生育率在参数的鲁棒性和优良的抗强噪声组件。此外,该方法的结果验证了改进的性能与一些先进的方法包括SK相比,固定参数VMD,和PSO-based VMD中提取弱滚动轴承的故障特征。
为了适应复杂的工作环境,增强VMD的扩展讨论扩大了该方法的应用。我们发现该方法可以很容易地扩展到多组分故障信息提取埋在机械信号和实际使用情况介绍扩展方法的过程。比较该方法与其他方法表明,该方法优于一些先进的方法提取的故障特征组分数据。
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
作者宣称没有利益冲突。
这项研究是由中国国家自然科学基金(批准号。51705349,51705349,51875375),《中国博士后科学基金(批准号2019 t120456),苏州前瞻性研究项目(批准号,SYG201932和SYG201802)和江苏省研究生创新研究与实践项目(批准号KYCX18_2502),它是由作者高度赞赏。