变量操作条件下断层识别是非常重要的任务和挑战设备健康管理。然而,在处理这类问题时,传统的故障诊断方法的基础上,假设分布一致的培训和测试集不再适用。摘要小说状态识别方法集成的时频分解,multi-information熵、联合分布适应提出了滚动体轴承。首先,快速集成经验模态分解来将振动信号分解成一组固有模式函数,针对获得原始信号的多尺度描述。然后,混合熵的特性,可以描述时间序列的动态和复杂性在当地的空间,全球空间和频域提取各固有模态函数。至于训练和测试设置不同负载条件下,所有的数据被映射到繁殖空间联合分布适应减少数据集之间的分布差异,pseudolabels的测试集和最终的诊断结果<我talic> k我talic>最近邻居算法。最后,5例训练和测试设置可变负荷条件下被用来展示该方法的性能,与其他诊断模型和比较结合相同的特性和其他降维方法进行了讨论。分析结果表明,该方法能有效地识别滚动体轴承的multifaults可变负荷条件下与较高的精度和良好的实用性。
滚动轴承是旋转机械的一个重要和常用的组件,它可以有效地降低摩擦系数,确保轴的回转精度。随着运行时间的增加,疲劳磨损通常会导致轴承零件的损坏,甚至失败,包括内套,外环,和滚动部件故障(
在实践中,设备的操作条件并不总是不断的根据不同的生产任务。自然,有一个高概率的一个特定变量的操作条件下可能发生故障,甚至这一现象是不可避免的。由于复杂的操作,比如不同的运行速度,信号的统计特性会改变,更深层次的波动之间的统计分布的数据源可以引起的,特别是当错误出现在新的条件下(
消除了传统方法的局限性,一些努力考虑变量的影响诊断结果的工作条件已经试过了。田等人提出了一个基于当地的智能故障诊断方法的意思是分解,奇异值分解和极端的学习机器识别轴承的multifaults变量条件下(
近年来,以消除分布差异的限制,传统的机器学习方法,学习理论提出了转移和发展。转移的核心学习注重知识迁移和利用率,获得的知识在可以转移到一个问题解决一个不同但相关的问题。由于其crossdomain学习能力,转移学习一直被应用在许多领域,如图像分析、语音识别、文字识别(
在所有基于功能转移的方法学习,适应分布方法是使用最频繁的。分布适应意味着原始数据矩阵可以投射到再生内核空间使用内核函数获得分布域之间的一致性。针对减少不同概率分布差异,这个方法可以分为三种类型:边缘分布适应(MDA) (
在知识转移学习之前,获得有效的信号特征包含潜在的公共信息在不同的操作条件下对轴承故障诊断是另一个关键部分。因为轴承的振动信号中表现出很强的非线性和非平稳,特别是变量条件下,传统的线性特征提取方法,如统计分析和傅里叶变换,有描述信号有效地限制
本文的学术贡献如下。(1)基于混合的混合熵的特性集域熵特性和时频分析方法构建全面描述振动信号。(2)一个先进的学习方法转移,也就是说,防卫厅,最早于最初是用来诊断轴承的故障。(3)一种新的诊断方法。基于混合熵特性和防卫厅提出最早于可变负荷条件下诊断轴承故障。
具体来说,混合熵特性包括排列熵(PE)、样本熵(SE),能量熵(EE), (SSE)奇异谱熵、功率谱熵(PSE)。这些特性可以从当地的观点描述振动信号空间,整体空间,和频域。同时,不同信号的原始振动信号包含组件与多尺度空间和非线性关系,这很容易导致有用的信息损失的问题,仅从单一提取特征。获得原始信号的多尺度特性,原始信号是首先分解成一组固有模式函数(货币)通过使用快速集成经验模态分解(FEEMD) [
本文的其余部分组织如下。部分
经验模态分解(EMD)是一个典型的时频分析方法的原始复杂信号可以分解为局部窄带组件的集合,称为货币。EMD,间歇性或噪声组件包含在原始信号可以复杂分析和模糊的物理含义,这被定义为混合模式问题[
幸运的是,一些努力来证明的时间复杂度EMD / EEMD相当于的傅里叶变换,和一个快速EEMD EEMD方法(FEEMD)提出了更好的计算性能(
步骤1:初始化参数,包括整体试验的数量<我talic> 米我talic>、添加噪声的振幅<我talic> 我我talic>= 0。
第二步:设置<我talic>
我我talic>=<我talic>
我我talic>+ 1,并添加白噪声序列<我talic>
n我talic>
步骤3:执行EMD<我talic>
x我talic>
在国际货币基金组织<年代ub>
在步骤3中,计算效率高的FEEMD主要归功于以下几个点和详细的描述中可以找到
极端点识别、连续的比较信息在最后一步可以在下一步中反复使用,所以可以减少一些重复的工作。
至于样条曲线拟合,托马斯流行的算法(
与高效提出了一种新的递归关系计算信封。
步骤4:如果<我talic> 我我talic><<我talic> 米我talic>,返回步骤2,或者<我talic> 我我talic>=<我talic> 米我talic>,继续下一步。
步骤5:在<我talic> 米我talic>试验,计算每个国际货币基金组织(IMF)组件的系综均值,和相应的组件被视为FEEMD的最终结果:
振动信号的综合表示,雇用的五种信息熵特征提取。在这里,每个信息熵的理论背景首先给出。
PE最近提出的班德和筛来测量时间序列的动态变化通过比较相邻的值(
如果任何两个元素的值是相等的,排列的顺序安排的价值<我talic>
j我talic>。因此,<我nl我ne-formula>
显然,的上限<我nl我ne-formula>
SE,近似熵的一个改良版本(
生成的集合<我talic>
米我talic>维向量<我nl我ne-formula>
定义的任意两个行向量之间的距离<我talic> 一个我talic>作为
考虑到类似的宽容<我nl我ne-formula>
在哪里<我nl我ne-formula>
所有的平均值<我nl我ne-formula>
让<我talic>
米我talic>=<我talic>
米我talic>+ 1,<我nl我ne-formula>
样本熵<我talic> X我talic>可以定义如下:
一旦轴承的工作条件变化甚至故障发生时,振动信号的频率分布应该是不同于以前的条件和信号能量分布也会相应改变。为每个数据点的<我talic>
X我talic>= {<我talic>
x我talic>(<我talic>
我我talic>),<我talic>
我我talic>= 1,2,…<我talic>
N我talic>},它的能量可以表示为<我nl我ne-formula>
奇异谱熵(SSE)方法提出了基于奇异谱分析和熵理论(
功率谱分析主要用于提取相关信息的原始信号在频域。结合熵理论,研制了功率谱熵,可以用来反映信号能量的复杂性和分布模式在频域(
节中描述
域:一个域<我talic>
D我talic>转移的主题学习过程,由一个吗<我talic>
k我talic>维特征空间<我nl我ne-formula>
任务:给定一个域<我talic>
D我talic>转移的任务学习是由标签组<我nl我ne-formula>
故障诊断任务,记录为标记的训练数据集<我nl我ne-formula>
图
的插图crossdomain学习过程通过使用MDA, CDA,防卫厅。最早于
测量方程中分布的差异(
为了便于计算,方程(
最小化之间的区别<我nl我ne-formula>
在方程(
通过积分方程(
保持原始数据集的特征转换,之前和之后的另一个优化目标的最大化<我nl我ne-formula>
基于瑞利商(
采用拉格朗日方法,方程的问题(
此外,初始pseudolabels在目标域可能会有很多错误。数据适应后,通过学习获得的标签质量适应数据可以提高准确性更高。接下来,再适应新的标签用于分布。因此,我们可以迭代更新pseudolabels直到收敛。
这项工作的目的是建立一个有效的故障诊断模型,该模型可以识别不同的变量操作条件下轴承故障。正如上面所讨论的,这种情况主要是引出了两个棘手的问题相比,在固定条件下。第一个是振动信号可以变得更为复杂,这将直接导致特征提取的辛勤工作。具体地说,它是重要的构造特征空间变量条件几乎没有影响。第二个是如何减少不同域之间的分布差异。集中在这两个问题,由五个不同的混合熵的特性由信息熵特征提取原始信号和防卫厅采用最早于繁殖新特性数据空间分布一致性。
许多作品表明,信息熵算法通常表现良好在描述动态和非线性和非平稳振动信号的突变性轴承,典型的方法包括排列熵,样本熵,熵和能量(
该方法主要包括四部分:信号分解、混合熵特征提取,分布适应基于防卫厅,最早于和错误识别,如图
步骤1:获取振动信号训练样本的标签<我nl我ne-formula>
步骤2:根据算法部分
第三步:完成知识转移,训练集被认为是源域数据<我nl我ne-formula>
第四步:最后迭代的pseudolabel数据被认为是最终的诊断结果和相应的KNN-based分类器可以获得变量的操作条件下诊断轴承故障。
流程图的轴承故障诊断方法。
在拟议的方法,然而,被选中作为基分类器,因为它不需要调整crossvalidation参数,和另一个原因是,它不适合调处理数据采样时的最优参数不同的分布。
这个轴承试验台由轴承建立数据中心的凯斯西储大学(CWRU)已广泛应用于故障诊断领域(
滚动轴承试验台上。
轴承的故障信息与不同故障位置和缺陷的大小。
| 故障定位 | 滚动体(重新) | 内套(IR) | 外环(或) |
|---|---|---|---|
| 缺陷尺寸(毫米) | 0.1778 | 0.1778 | 0.1778 |
| 0.3556 | 0.3556 | 0.3556 | |
| 0.5334 | 0.5334 | 0.5334 | |
| 0.7112 | 0.7112 | - - - - - - |
收集轴承的振动信号,加速度传感器安装在电动机的住房。在这里,只有从驱动端振动信号测量分析了工作和采样频率是12 kHz。对于每一个载荷条件,每个故障状态的数据长度是120000分,平均每个信号样本分为40 subsignals。因此,有1920个(40×4×12 = 1920)subsignal样本。为了充分验证了该方法的有效性,五个不同的故障诊断病例与不同负载条件下构造训练集和测试集,和这些情况下的数据宪法是列在表中
宪法的这五个病例的数据。
| 情况下没有。 | 训练集 | 测试组 | ||
|---|---|---|---|---|
| 加载 | 样本数量 | 加载 | 样本数量 | |
| 1 | 1惠普 | 480年 | 3惠普 | 480年 |
| 2 | 1惠普 | 480年 | 2 hp \ 3 hp | 960年 |
| 3 | 1惠普 | 480年 | 0 hp惠普\ \ 2 3 hp | 1440年 |
| 4 | 1 hp \ 2惠普 | 960年 | 0 hp \ 3 hp | 960年 |
| 5 | 0 hp惠普\ \ 1 2惠普 | 1440年 | 3惠普 | 480年 |
实验和结果分析之前,我们首先解释变量操作条件的意义。如表所示
通过使用该方法,首先,每个原始振动信号被FEEMD分解成一系列国际货币基金组织(IMF)组件。FEEMD的提议,经验值的数量整体试验,国际货币基金组织(IMF)组件数量和添加噪声的振幅有(
分解结果的正常信号和FFT振幅频谱。
分解结果的内部种族故障信号和FFT频谱振幅。
信号分解后,通过提取出熵特征描述的部分
图
PE的分布模式在不同的国际货币基金组织(IMF)组件。(a)的平均体育价值观不同故障条件下的国际货币基金组织每个组成部分。(b) 8球的样本的错。(c) 8样本内部的种族的错。(8 d)的样本外环的错。
至于SE和SSE,从数据可以看出
SE的分布模式在不同的国际货币基金组织(IMF)组件。(a)的平均SE值每个不同故障条件下的国际货币基金组织的组成部分。(b) 8球的样本的错。(c) 8样本内部的种族的错。(8 d)的样本外环的错。
上交所的分布模式在不同的国际货币基金组织(IMF)组件。(一)的平均SSE值每个不同故障条件下的国际货币基金组织的组成部分。(b) 8球的样本的错。(c) 8样本内部的种族的错。(8 d)的样本外环的错。
EE组件在不同的国际货币基金组织(IMF)的分布模式。(一)的平均EE值每个不同故障条件下的国际货币基金组织的组成部分。(b) 8球的样本的错。(c) 8样本内部的种族的错。(8 d)的样本外环的错。
PSE的分布模式在不同的国际货币基金组织(IMF)组件。(一)平均PSE值每个不同故障条件下的国际货币基金组织的组成部分。(b) 8球的样本的错。(c) 8样本内部的种族的错。(8 d)的样本外环的错。
接下来,采取案例4作为一个例子,训练数据集的混合熵特征从不同的国际货币基金组织(IMF)获得数据来训练三种典型的分类器,包括支持向量机(SVM),随机森林(RF),和资讯。然后,使用这些分类器识别所有的测试样品,相应的诊断结果显示在图
诊断结果不同的分类器在不同的国际货币基金组织的数字。
为了说明的有效性提出了混合熵的特性,不同的熵特性的诊断结果列在表中
诊断的结果不同的分类有不同的熵特性。
| 分类器 | 熵 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 体育(%) | SE (%) | EE (%) | SSE (%) | PSE (%) | 他(%) | |
| 然而, | 79.37 | 75.94 | 79.79 | 90.31 | 65.21 |
|
| 支持向量机 | 77.40 | 81.15 | 79.27 | 76.88 | 65.42 |
|
| 射频 | 77.92 | 78.96 | 79.19 | 87.60 | 65.94 |
|
表
诊断病例1 - 5的结果通过使用JDA-KNN,然而,SVM和射频。
| JDA-KNN | 然而,(%) | 支持向量机(%) | 射频(%) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
|
|
|
精度(%) | ||||
| 案例1 | 110年 | 18 |
|
88.75 | 84.58 | 95.21 |
| 案例2 | 50 | 20. |
|
92.50 | 91.25 | 97.50 |
| 案例3 | 50 | 20. |
|
92.78 | 91.25 | 95.63 |
| 例4 | 120年 | 20. |
|
94.06 | 98.85 | 98.54 |
| 例5 | 50 | 20. |
|
88.96 | 92.29 | 97.08 |
最后,防卫厅变量条件最早于问题的性能与降维技术相比,包括主成分分析(PCA)、核主成分分析(KPCA)和保局投影(垂直距离)。例1,3,5被认为进一步说明防卫厅。最早于的有效性在这些实验中,建立了分类器通过使用资讯。比较结果显示在数字
案例1的诊断结果通过使用PCA, KPCA,垂直距离,防卫厅不同维度下最早于数字。
诊断情况3的结果通过使用PCA, KPCA,垂直距离,防卫厅不同维度下最早于数字。
诊断结果的情况下5利用PCA, KPCA,垂直距离,防卫厅不同维度下最早于数字。
在工程实践中,轴承的故障可能发生在不同的负载条件下,这将导致显著的分布差异与不同的负载条件下样本集。一般来说,这些差异会导致贫穷的诊断模型,特别是新负载条件下处理样品。在本文中,一种新的诊断模型基于混合多尺度熵特性和联合分布适应提出了解决这种故障诊断问题。特征提取,五复杂性测量参数,即PE、SE, EE,上交所,PSE,来自国际货币基金组织(IMF)组件的计算。通过使用不同的分类器,实验结果表明,混合熵特征可以获得精度高于单一熵特征。混合熵的特性可以有效地找到类似的和潜在的特点与不同的负载条件下的信号。特征提取后,最终状态的识别轴承完成通过使用防卫厅和最早于资讯。转移的能力学习防卫厅是最早于与其他nontransfer相比学习方法。通过大量实验5例,结果表明,防卫厅与资讯优于最早于最先进的方法,该方法可以保持高稳定性与不同的负载条件下在处理案件时。这项工作表明,日本防卫厅方法最早于在故障诊断领域显示了良好的应用前景。 However, the transfer learning-based fault diagnosis is still in the early stage. In future work, we will pursue more case studies on the real data and the parameters optimization of JDA to achieve better transfer learning results.
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。
这项工作得到了国家自然科学基金(批准号51709122)和江苏先进制造技术重点实验室开放基金(批准号hgamtl - 1713)。与此同时,作者感谢凯斯西储大学自由提供轴承故障数据。