轴轨道的形状特征起着重要的作用在旋转机械的故障诊断。然而,原始信号通常是混乱的,这影响到识别的准确性和识别速度。为了提高识别效果,一个有效的故障识别方法,提出了一种基于轴转子系统的轨道。合奏的方法是结合经验模态分解(EEMD)、形态学图像处理、胡锦涛不变矩特征向量,和反向传播(BP)神经网络。实验四个故障形式进行单拱桥转子和双跨转子试验平台。在振动位移信号<我nline-formula>
转子系统是旋转机械的核心部件,转子系统稳定运行起着关键作用的旋转机械。一旦转子系统失败,它可能会导致灾难性事故的设备(
领域的旋转机械,其断层识别通常分为四个步骤:信号净化、图像处理、特征提取和自动识别。为信号净化有几种方法,其中比较常见的、有代表性的方法有小波变换或小波包变换(
形态学处理是数字图像处理的方法,基于集合论作为数学基础。数学形态学的基本操作包括扩张,侵蚀,打开和关闭。基于这些基本操作,数字图像的形态和结构可以处理。它有明显的优点图像不变性和标准化的翻译、旋转和缩放
目前,常用的特征提取方法包括Fourier-Mellin描述符、几何参数的方法,和一些时刻特征提取方法。方法Fourier-Mellin描述符来描述一个封闭曲线,这是复杂和低效的,只有适合一个闭合曲线(
随着计算机技术的迅速发展,智能故障诊断技术逐渐应用。目前广泛使用的方法在转子系统轴轨道特征识别的人工神经网络(ANN)、支持向量机(SVM),模糊聚类和灰色关联分析(
虽然传统的故障识别方法可以执行过滤,特征提取,并自动识别故障信号,他们不把数学形态学融入他们,他们已经识别的速度和效率低的问题。为了改善这一问题,本文利用数学形态学的图像处理方法;结合EEMD,胡锦涛不变的时刻,BP神经网络处理轴转子系统的轨道;使用单拱桥和双跨转子试验台验证方法,旨在提高速度和效率的旋转机械故障识别领域的;并提供了新的研究方向和数据对转子故障诊断研究的支持。
转子系统的振动位移信号测量轴系的两个方向,即。水平方向(<我nline-formula>
图像优化和自动识别过程的轴轨道。
EEMD滤波和图像处理使轴轨道的边缘图像平滑和图像结构更简洁。这减少了努力参与图像特征向量的计算,提高了计算效率。
EEMD展览antimixing过滤性能好。白噪声添加到分解信号,混合信号是均匀分布在整个时频空间。在计算过程中,一系列的固有模态函数(IMF)分量是通过EMD分解信号的白噪声好几次了。使用零均值白噪声的特点,和噪音的影响在国际货币基金组织(IMF)组件是消除平均几次,因此,抑制混叠模型的影响。EEMD分解步骤如下:
高斯白噪声<我nline-formula>
在(
基于的原则不相关随机序列的统计平均值为0,国际货币基金组织(IMF)对应于上述步骤进行整体平均操作来消除多个添加高斯白噪声的影响在国际货币基金组织(IMF)组件。最后,国际货币基金组织(IMF)组件和残余项<我nline-formula>
在(
最后,K IMF组件和残余项得到:
相应的低通、高通和带通滤波器表达式是通过(
表示为高通滤波器
表示为带通滤波器
同时,相应的国际货币基金组织(IMF)组件是故意选择重构信号达到过滤的效果。
基于数学形态学的方法使用一个运营商开发的集理论来分析和处理图像(
碰巧的变换,设定的目标<我nline-formula>
最简单的形态学操作符中的任何一个<我nline-formula>
图像膨胀的处理如下:
侵蚀对应于一个收缩转换,这降低了图像的灰度。它不明显影响图像区域的灰度变化缓慢,这大大影响了图像边缘地区明显灰度的变化。扩张是一个扩张变换,这提高了图像的灰度,也是敏感图像边缘区域的灰度的明显变化。腐蚀通常用于过滤器的内部形象,和扩张通常是用于过滤图像的外观(
图像骨架化处理方法的图像稀疏,这将原始图像转化为形象的几行(理想的图像是由单像素宽度线)。骨架使图像更紧凑。同时,考虑到减少的有效数据,计算图像特征向量的努力减少,计算效率提高。
在这项研究中,形态学处理和扩张变得极瘦是用来处理轴轨道如图
形态学处理轴轨道。
如结果所示,原始图像变成一个干净和清晰的轴轨道,和减少的数据量。艾滋病的特征向量计算轴轨道。
目前功能主要代表了图像的几何特征,所以它也被称为几何的时刻。鉴于其旋转不变的特性,翻译,和扩展,它也被称为不变的时刻。由于目标的不变性质,图像识别的胡不变矩理论已经被证明有很多优势在特征提取,和被广泛使用的方法
不变矩是类似于力矩。它认为像素点在该地区作为一个粒子和像素值作为力量的手臂。计算时刻显示区域的形状特征。对数字图像的大小<我nline-formula>
在(
在(
为了确保图像具有旋转不变性,翻译,和缩放,零级中央时刻用于标准化中心的其他订单,和以下获得归一化中心矩:
使用第二个和第三个订单标准化中心时刻,表达的七个不变矩<我nline-formula>
在七的时候上面的方程中,低阶时刻主要描述图像的一般特征,和高阶时刻主要描述图像的详细特性(
自动识别的本质的轴轨道对应于模式识别轴轨道图像。神经网络是人工智能技术,建立了一个推理分类系统,通过电脑模拟大脑神经网络的结构。多层网络结构的神经网络,信息分布在连接的权重系数,这个展品高容错性和鲁棒性。在这项研究中,使用的BP神经网络是一个多层前馈神经网络。鉴于Levenberg-Marquardt (LM)算法具有更快的收敛速度和较高的计算效率,轴轨道识别的神经网络是基于LM算法。确定神经网络的结构后,BP网络的设计执行,包括层的数量,数量的神经元激活函数,初始值,网络的学习速率。BP神经网络的结构如图
BP神经网络拓扑图。
在这项研究中,轴轨道的one-seven-order胡锦涛时刻被认为是作为神经网络的输入,输出被认为是四个失效模式(即。、不平衡失调,石油旋转,油膜振荡)。神经网络的模型对应于一个正向的反馈类型。网络的结构包含三层:输入层、输出层和隐层。
隐层节点的数量应该依据神经网络的应用场景和精度。的前提下实现误差的要求,减少隐层的数量被认为是一种进步。
基于(
选择初始体重显著影响收敛的训练时间和决心。最初的体重之间的一个随机数(1,1)被选中后,以确保每个神经元的输出初始加权值接近于零,每个神经元的重量是监管的最大射程内的s形的函数。
学习速率决定了训练误差和神经网络的训练速度。学习速率的选择范围在0.01和0.8之间,选择合适的学习速率是基于识别对象的复杂性。
在这项研究中,转子系统检查,和实验数据收集单拱桥转子和一个双跨转子试验台验证的适用性和可靠性不同的转子系统的识别方法。在识别实验中,训练样本来自单拱桥转子试验台,并测试对象获得的双跨转子试验台。
实验平台对应INV1612系列多功能柔性转子实验设备,这是由中国东方研究所制造的噪音和振动。单拱桥转子试验台如图
转子系统的试验装置。
设置偏差故障的方法是添加一个轴承座下垫片,垫片的厚度是0.5毫米。以单拱桥转子试验台为例,偏差是意识到通过引入抵消电机和轴之间通过耦合。具体来说,轴承座接近0.5毫米,提出的电机和测点附近的盘,如图
相对应的速度这四个故障(不平衡失调,石油旋转和油膜振荡)如表所示
每个故障的速度范围。
| 故障类型 | 速度范围(r /分钟) | |
|---|---|---|
| 单拱桥转子试验台 | 不平衡 | 2716 - 2861 |
| 偏差 | 1774 - 2828 | |
| 石油旋转 | 5917 - 6231 | |
| 油膜振荡 | 7050 - 7623 | |
| 双跨转子试验台 | 不平衡 | 2511 - 5530 |
| 偏差 | 1550 - 1786 | |
| 石油旋转 | 7575 - 8010 | |
| 油膜振荡 | 8174 - 8287 | |
从表可以看出
为了反映了数学形态学在轴轨道的模式识别,识别结果轴轨道有无形态学处理进行了比较。详细的实验过程如图
实验过程。
振动位移信号<我nline-formula>
原始轴位移信号。
轴轨道。
轴轨道后EEMD处理。
四种类型的故障下的振动位移信号收集从一个单拱桥柔性转子钻机。EEMD滤波和形态学处理后,40轴轨道如图
样品轴轨道。
20轴轨道产生的双跨柔性转子钻机作为测试对象,如图
测试轴轨道。
胡锦涛不变矩计算是基于图像特征。这个过程是基于(
胡锦涛不变矩的样品。
| 数量 | 基于不变矩的胡 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
|
|
|
|
|
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|
|
| 1 | 1.251 | 1.829 | 0.505 | -0.897 | -1.892 | -0.039 | -1.056 |
| 2 | 1.337 | 0.350 | 1.843 | 1.907 | 4.131 | 1.980 | 2.453 |
| 3 | 1.165 | 1.601 | 2.265 | 1.231 | 2.717 | 1.984 | 2.130 |
| 4 | 1.169 | 1.512 | 2.270 | 1.741 | 3.685 | 2.348 | 3.204 |
| 5 | 1.286 | 1.725 | 0.197 | -2.428 | -2.294 | -1.570 | -2.563 |
| 6 | 1.336 | 1.955 | 0.271 | 2.209 | 3.415 | 3.185 | 3.712 |
| 7 | 1.153 | 1.392 | 0.802 | 0.360 | 1.400 | 0.745 | 1.195 |
| 8 | 1.286 | 0.632 | 1.139 | 1.110 | 1.972 | 1.365 | 2.020 |
| 9 | 1.155 | 1.336 | 2.286 | 1.284 | 3.602 | 1.951 | 3.148 |
| 10 | 1.198 | 1.089 | 1.100 | -0.906 | 0.026 | -0.539 | -0.516 |
| 11 | 0.926 | 1.398 | 2.440 | 1.962 | 4.058 | 2.500 | 4.011 |
| 12 | 1.063 | 1.945 | 2.734 | 2.321 | 4.854 | 3.007 | 4.035 |
| 13 | 1.019 | 1.962 | -0.029 | -1.255 | -1.608 | -0.275 | -2.479 |
| 14 | 0.917 | 1.619 | 1.687 | 0.987 | 2.051 | -0.439 | 2.264 |
| 15 | 1.056 | 2.019 | 0.721 | 1.268 | 2.432 | 2.271 | 0.518 |
| 16 | 1.056 | 1.916 | 0.814 | -0.052 | -0.030 | 0.358 | 0.149 |
| 17 | 1.063 | 1.976 | 0.878 | 0.444 | 0.875 | 1.366 | 1.051 |
| 18 | 1.035 | 1.896 | 0.339 | 0.511 | 0.351 | 1.426 | 0.935 |
| 19 | 1.042 | 2.001 | 0.230 | -0.687 | -1.848 | -0.023 | -2.816 |
| 20. | 1.014 | 1.971 | -0.033 | -1.111 | -1.541 | -0.128 | -2.323 |
| 21 | 0.706 | 0.733 | -0.253 | -0.654 | -3.639 | -0.537 | -1.265 |
| 22 | 0.697 | 0.369 | 0.653 | -0.193 | 0.084 | -0.736 | -0.278 |
| 23 | 0.839 | 0.966 | 0.559 | -0.246 | 0.494 | -1.322 | 0.542 |
| 24 | 0.929 | 1.019 | 1.334 | 0.156 | 0.999 | 0.125 | 0.527 |
| 25 | 0.978 | 1.215 | 1.684 | 1.424 | 3.030 | 1.770 | 1.586 |
| 26 | 1.000 | 0.899 | 0.942 | 1.079 | 2.413 | 1.523 | 1.700 |
| 27 | 1.087 | 1.256 | 1.173 | 1.656 | 3.068 | 2.184 | 1.849 |
| 28 | 1.148 | 0.987 | 0.594 | 1.466 | 1.508 | 1.706 | 2.784 |
| 29日 | 0.925 | 0.877 | 1.368 | -0.194 | 1.012 | 0.220 | 0.820 |
| 30. | 1.077 | 1.365 | 1.177 | 1.512 | 2.962 | 1.937 | 2.803 |
| 31日 | 0.499 | 0.405 | 0.059 | 0.192 | 0.317 | 0.394 | -2.003 |
| 32 | 0.507 | 0.428 | -1.133 | -1.823 | -3.375 | -2.117 | -4.265 |
| 33 | 0.609 | -0.363 | -0.529 | 0.388 | 0.615 | -0.163 | 0.592 |
| 34 | 0.526 | -0.474 | -0.801 | -0.876 | -1.409 | -3.416 | -1.847 |
| 35 | 0.560 | -2.462 | -0.511 | 0.302 | 0.252 | -0.929 | 0.570 |
| 36 | 0.557 | -1.243 | -1.058 | -1.063 | -1.820 | -1.686 | -1.718 |
| 37 | 0.539 | 0.372 | -0.797 | 0.041 | -0.239 | -0.225 | 0.058 |
| 38 | 0.431 | -1.194 | -1.643 | -2.238 | -4.501 | -3.082 | -3.473 |
| 39 | 0.538 | -0.971 | -0.309 | 0.238 | -0.699 | -0.443 | 0.568 |
| 40 | 0.537 | -0.743 | -1.060 | -1.198 | -2.020 | -2.521 | -2.005 |
胡锦涛不变矩测试轴轨道。
| 数量 | 基于不变矩的胡 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 1 | 1.293 | 1.545 | 1.728 | 1.471 | 2.681 | 1.671 | 2.523 |
| 2 | 1.336 | 1.955 | 0.271 | 2.209 | 3.415 | 3.185 | 3.712 |
| 3 | 1.237 | 1.738 | 0.647 | -0.853 | -1.625 | -0.198 | -0.951 |
| 4 | 1.272 | 1.314 | 1.724 | 1.322 | 2.651 | 1.969 | 3.373 |
| 5 | 1.470 | 2.190 | 1.439 | 1.994 | 3.890 | 3.085 | 3.672 |
| 6 | 0.969 | 1.871 | 1.412 | 1.326 | 2.774 | 2.262 | 2.382 |
| 7 | 1.031 | 1.914 | 0.695 | -0.836 | -0.774 | -0.105 | -1.241 |
| 8 | 1.041 | 1.953 | 0.359 | -0.936 | -1.683 | -0.238 | -1.588 |
| 9 | 1.044 | 2.029 | 0.231 | -0.722 | -1.683 | -0.094 | -1.950 |
| 10 | 1.066 | 2.005 | 0.967 | -0.073 | -1.043 | 0.373 | 0.415 |
| 11 | 0.855 | 0.820 | 0.981 | 1.118 | 2.299 | 1.292 | 2.006 |
| 12 | 0.905 | 1.002 | 1.160 | 1.281 | 2.513 | 1.667 | 0.633 |
| 13 | 0.998 | 1.183 | 1.345 | 1.519 | 2.450 | 1.712 | 2.966 |
| 14 | 1.067 | 0.954 | 1.311 | 1.139 | 2.404 | 1.612 | 2.918 |
| 15 | 0.998 | 1.175 | 1.442 | 1.425 | 3.267 | 2.010 | 2.345 |
| 16 | 0.521 | -0.089 | -0.342 | -0.913 | -1.198 | -0.958 | -1.005 |
| 17 | 0.643 | -0.837 | 0.486 | -0.642 | -0.228 | -1.394 | -1.182 |
| 18 | 0.649 | 0.128 | -0.238 | -0.859 | -1.352 | -0.817 | -2.135 |
| 19 | 0.571 | 0.040 | 0.217 | -0.861 | -1.558 | -1.379 | -2.149 |
| 20. | 0.402 | -0.426 | -0.890 | -1.462 | -3.135 | -1.817 | -2.574 |
图像处理后,轴轨道的特性进行分类的标准BP神经网络。为了实现自动识别的轴轨道,建立BP神经网络基于实验数据。输入层有7个节点(胡不变的时刻)。隐层节点的数量是6。输出层节点对应于4。神经网络的输出编码如表所示
预期输出的反馈神经网络。
| 故障类型 | 输出1 | 输出2 | 输出3 | 输出4 |
|---|---|---|---|---|
| 不平衡 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 偏差 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 石油旋转 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 油膜振荡 | 1 | 0 | 0 | 0 |
神经网络输出的结果测试轴轨道通过形态学处理和不处理了。BP神经网络的输出编码相比,输出结果之后,和转子系统的故障类型的识别。
测试轴轨道的比较形态学处理和不处理表所示
比较测试轴轨道的形态学处理和不处理。
| 处理方式 | 时间的训练和识别 | 识别准确率 |
|---|---|---|
| 形态学处理 | 13.054秒 | 95% |
| 没有形态学处理 | 16.827秒 | 80% |
为了进一步验证的有效性autorecognition断层形态处理轴轨道的方法,通过另一个自行设计实验进行了转子试验台,也就是说,一个单片式柔性转子系统。试验装置如图
转子钻井平台进行测试。
由于原始信号的噪声干扰,轴轨道非常混乱,如图
轴轨道的原始信号。
轴轨道后过滤。
可以看出,过滤信号变得平滑。然而,轴轨道的边缘仍然是混乱的,这是不利于识别故障。扩张的骨架图像图像和轴轨道是通过一系列的数学形态学处理,如图
扩张轴轨道的形象。
的骨架图像轴轨道。
骨架的不变矩的胡轴轨道图
胡锦涛不变的时候验证轴轨道。
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|
|
|
|
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1.248 | 1.430 | 2.346 | 0.961 | 2.919 | 1.035 | 3.459 |
神经网络输出的结果验证轴轨道。
| 输出结果 | 故障类型 | |||
|---|---|---|---|---|
| -0.001 | -0.001 | 0.003 | 1.004 | 不平衡 |
形态学处理发挥了重要作用的自动识别轴轨道。轴向位移信号被EEMD消除高频噪声过滤,然后轴轨道的形象是通过数学形态学处理包括扩张和骨架操作。轴轨道充分恢复的方法。
在这项研究中,基于不变矩的胡的骨架轴轨道计算,和BP神经网络的训练,使用胡不变矩作为特征向量来识别故障。在实验中,40个样本训练,和20轴轨道进行了测试。结果表明,计算速度明显提高。此外,识别准确率高达95%,这超过了不使用数学形态学。
自动识别的方法解决问题的故障在实际工作条件。这是一个可靠和有效的方法确定轴轨道。使用轴轨道为转子系统的故障诊断有很好的实用价值,这有利于转子系统的调试和在线监测。
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
中国国家自然科学基金会的资金支持(国家自然科学基金委)(51805352)和山西省自然科学基金(201901 d111062)。