冲击和振动

冲击和振动/2015年/文章
特殊的问题

基于高频振动响应的早期损伤识别

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体积 2015年 |文章的ID 814650 | https://doi.org/10.1155/2015/814650

郑寅奎,姜明洙,金在荣,金钟面,河正民,崔炳根 基于增强det的轴承单、多组合故障特征分析",冲击和振动 卷。2015年 文章的ID814650 10 2015年 https://doi.org/10.1155/2015/814650

基于增强det的轴承单、多组合故障特征分析

学术编辑:徐魏
收到 2015年1月30日
修改后的 2015年5月16日
接受 2015年5月25日
发表 2015年11月10日

摘要

为了早期识别圆柱滚子轴承故障,本文提出了一种综合轴承故障诊断方法,该方法包括频谱峭度分析,以找到能很好地反映轴承故障异常症状的信息量最大的子带信号,利用该子带信号计算故障特征,增强距离基于nce评估技术(EDET)的故障特征分析,输出最具识别性的故障特征,以便准确诊断,并使用简化的模糊自适应共振图(SFAM)识别各种单个和多个组合圆柱滚子轴承缺陷.提出的综合轴承故障诊断方法对于准确的轴承故障诊断是有效的,平均分类准确率为90.35%。在本文中,提出的EDET专门解决了传统距离评估技术(DET)的缺点通过准确估计每个类别的每个故障特征的灵敏度。为了验证基于EDET的故障特征分析对准确诊断的有效性,在平均分类准确率方面,在建议的EDET和传统的DET之间进行了诊断性能比较。事实上,建议的EDET实现了与传统的DET相比,平均分类准确率提高了106.85%。

1.导言

虽然滚动元件轴承是最显著元素来支持重物在旋转机[1,在操作过程中经常遇到严重的故障。由于这些意外的轴承缺陷造成了巨大的经济损失,迫切需要可靠的轴承故障诊断。因此,我们提出了一种综合的轴承故障诊断方法,该方法包括以下两个基本方面:故障特征提取和模式识别。

滚动轴承发生故障时,很难从非平稳振动信号中提取故障特征信息[2].为了解决这一非平稳问题,时频分析已成为轴承故障诊断中不可缺少的一部分。其中包括短时傅里叶变换[3.4],小波变换[5- - - - - -9],经验模式分解(EMD) [10- - - - - -17].传统上,STFT通过在短时间内执行快速傅立叶变换(FFT)来处理非平稳信号;这决定了在哪个时间出现哪个频率。然而,这为所有频率提供了一个恒定的分辨率,因为它要求整个信号具有一个恒定长度的窗口,从而产生时间-频率平面的均匀划分。通常,滚动轴承的异常症状会出现在中/高频频谱范围内的任何地方。这需要多分辨率分析,在高频时提供精细的时间分辨率和粗略的频率分辨率,而在低频时提供精细的频率分辨率,但提供粗略的时间分辨率。因此,STFT已被WT和EMD取代。虽然小波变换和经验模态分解都是有效的时频分解工具,广泛应用于可靠的轴承故障诊断,但它们都有一个共同的缺点。当一个信号分别通过小波变换和EMD分解为多个子带信号和固有模态函数(IMF)时,需要选择包含各种轴承缺陷固有信息的信息子带信号和IMF。为了解决这个问题,本文采用了光谱峭度分析(即峭度图)[18,通过计算包络功率谱的峰度值来实现,其中包络功率谱是由不同小波包分解深度下的子带信号分解得到的。基于这些谱峰度测量,我们利用产生最高谱峰度值的子带信号进行特征提取。

近年来,故障特征分析的重要性逐渐提高,因为提取的所有故障特征对准确诊断的作用可能不尽相同。此外,高维特征向量可能是诊断性能下降的主要原因。为了处理高维、非高斯故障特征,Jin等人使用道比线性判别分析,对各种轴承故障诊断结果令人满意[19].江等人。通过减少不称职的特点[提出了最优特征选择半监督核边际费希尔分析20.].他们把最优的低维特征输入 -最近邻分类器,用于识别轴承缺陷的不同故障类别。基于主成分分析(PCA)的轴承故障预测方法也很常见[21].非线性形式的PCA导数,如核PCA(KPCA)和核fisher判别分析(KFDA),已用于故障诊断,以允许特征变量之间的非线性相关性[22- - - - - -25].Shen等人采用距离评估技术(DET)进行敏感故障特征选择[26,对于不同类别的样本,其方差程度通常较大,而对于同一类别的样本,其方差程度较小。为了对轴承进行可靠的故障诊断,本文提出了一种改进的DET (EDET)的导数,以确定所有提取的故障特征中最具鉴别性的子集。传统的DET基于平均类内紧性和不同类间的类间可分性,在对每个故障特征进行灵敏度估计方面存在不足。在实践中,平均值对于处理倾斜特征是无效的。因此,EDET改进了传统DET的灵敏度估计方案,提高了特征分析的效率。为了识别各种轴承故障,我们使用一种简化的模糊ARTMAP (sam),一种特殊的人工神经网络作为分类器[27- - - - - -29,其中ARTMAP表示自适应共振理论图。

论文的其余部分组织如下2介绍了一个自行设计的故障模拟器,包括数据采集系统和本研究中考虑的种子轴承故障。部分3.推出的综合性轴承故障诊断方案,并科4展示了实验结果。最后,部分5本文总结道。

2.自行设计的故障模拟器和种子轴承故障

数字1展示了一个自行设计的故障模拟器,包括一个数据采集系统,一个感应电机,一个减速比为1.52:1的齿轮箱,和可调叶片。同样,无缺陷圆柱滚子轴承(DFCRB)或有缺陷圆柱滚子轴承都可以安装在这台自行设计的故障模拟器的非驱动端轴承座上。为了捕捉种子轴承的异常症状,本文在非驱动端轴承座上安装了一个压电加速度计(4371型),利用放大器(NEXUS条件放大器2692-C型)和便携式数据采集装置(PULSE型3560-C型)连续记录在65.536 kHz下采样的振动信号,因为振动分析对动态分析是有效的轴承故障的活动[30.- - - - - -34].桌子1概述了数据采集系统的规格。虽然振动信号可以提供有关轴承故障的内在信息,但测量振动信号中固有的不必要的随机噪声(可能是非线性和非高斯噪声)可能会导致诊断性能恶化。为了解决此问题,我们采用了高斯部分可有效解决非高斯噪声问题的icle滤波器。有关估计非高斯噪声的测量和时间更新程序的更多详细信息,请参阅[35].


NEXUS调理放大器(2692-C型) (i)频率范围:0.1 Hz-100 kHz
(2)Sensitivity: 10 mV/ms−2

压电电荷加速度计(4371型) (i) 频率范围:0.1 赫兹–12.6 千赫
(2)Sensitivity: 9.8 pC/g

便携式数据采集装置(PULSE型3560-C) 最大采样频率:25.6 千赫

为了验证所提出的综合轴承故障诊断方法,本文获得了每个轴承(即一个DFCRB和七个不同的故障轴承)的120个振动信号,这些轴承在轻微负载条件下以482转/分钟(RPM)的轴速度旋转,如表所示2.此外,各种单一和多重组合轴承缺陷如图所示2


CRBCO 在其外滚道的裂纹圆柱滚子轴承
CRBCI 内滚道上有裂纹的圆柱滚子轴承
CRBCR 有裂纹的圆柱滚子轴承
CRBCOI 内外滚道上有裂纹的圆柱滚子轴承
CRBCOR 在其外滚道和滚子的裂纹甲圆柱滚子轴承
CRBCIR 内滚道和滚子上有裂纹的圆柱滚子轴承
CRBCOIR 外滚道、内滚道和滚子上有裂纹的圆柱滚子轴承
裂纹尺寸
 长 在轴承的外滚道和内滚道上12毫米,在轴承的滚子上10毫米
宽度 0.49毫米
 Depth 0.5毫米
平均每千次 482

3.提出了轴承故障诊断方法

所提出的全面轴承故障诊断方法由以下两个过程:分析处理和评估过程。轴承故障诊断方案的分析过程是同时评价过程是所提出的诊断方法来确定初始轴承缺陷的验证功效来决定所有提取的统计故障特征的最优子集。同样地,分析数据集包括随机选择的30个振动信号对于每个轴承状态和剩余振动信号被用于本研究中的评估数据集。数字3.图示了所提出的轴承故障诊断方法的总体过程。

3.1.分析过程

故障特征的最优子集经由该分析过程,它由频谱的峰度分析,特征池配置,并辨别特征选择的使用增强距离评估技术(EDET)测定。

第一步。实际中,由于振幅调制,轴承早期缺陷的异常症状在中高频子带信号中得到很好的揭示[36].这需要涉及对轴承缺陷的内在信息子波段信号的探索。为了解决这个问题,我们利用光谱峰度分析[18],输出信息量最大的子带信号,产生通过测量从子带信号计算的包络功率谱的峰度而生成的峰度图的最高峰度值。本文采用离散小波包变换和Daubechies 45抽头滤波器(如db45)获得子带信号。此外,通过平方包络信号的快速傅里叶变换的幅度来产生包络功率谱,其中包络信号是通过组合给定时域子带信号及其希尔伯特变换信号而获得的复值分析信号的绝对值。图形4描述了一个CRBCO谱峰度分析的例子。
虽然谱峰度测量对于量化包络功率谱中的轴承特征频率(或轴承缺陷频率)及其谐波的振幅是有效的,但这种测量基本上是测量突出程度,可受不需要的谱峰影响,如工作频率的谐波和与轴承缺陷无关的谱峰。因此,我们计算包络功率谱的峰度值范围为 以产生kurtogram如图4,在那里 在这个研究中)是一个任意的自然数, 是由以下公式计算的轴速度(赫兹) ,BPFO是外滚道的滚珠通过频率,BPFI是内滚道的滚珠通过频率,BSF分别是滚珠旋转频率,轴承缺陷频率(例如BPFO、BPFI和BSF)定义如下[34]: 这些轴承的特征频率计算使用以下参数:圆柱滚子的数量( ),以赫兹为单位的轴速度(  Hz),接触角( ),以及滚筒和节距直径( 毫米,  嗯)。即BPFO=42.09 赫兹,BPFI=62.30 赫兹,2×BSF=39.93 赫兹,分别。

第二步。一个 功能池, ,在步骤配置2通过计算被广泛用于轴承故障诊断的统计参数,其中 是要在该研究中被识别的类的数量(即,DFCRB和七个缺陷轴承), 为分析数据集中每个承载条件的数据样本个数( 在这项研究中) 是表中定义的故障特征的总数3..矩在数学上被定义为一组点的形状的具体定量度量。因此,统计矩如均值(第一矩)、标准差(关于均值的第二矩)、偏度(第三矩)、峰度(第四矩)和第五矩可以为识别单个和多个组合轴承缺陷提供有用的信息。此外,峰值、能量和绝对值均幅值可有效量化轴承严重故障,可作为轴承故障诊断的关键故障特征。特别是峰值和峰值因子,定义为振动信号的峰值水平与均方根(RMS)水平的比值,被广泛用于检测BCO引起的脉冲振动的变化。RMS定义为振动信号中功率含量的定量测量,对于检测轴承早期缺陷也很有效。


参数 定义 参数 定义

卑鄙(f1 波峰因子(f2

冲动因子(f3. 标准差(f4

峰度(f5 偏态(f6

能源(f7 峰(f8

第五归一化矩(f9 均方根(f10

纬度因子(f11 绝对平均振幅值(f12

步骤3。虽然特征选择的主要目的是减少大量故障特征造成的计算负担,但特征选择往往有助于准确的轴承故障诊断,因为它去除了一些对轴承故障识别贡献不大的特征。因此,本文提出了EDET,对DET的改进[26],以确定故障特征的最优子集。如第讨论1,传统的DET估计每个故障特征的敏感性程度,以决定它是否是一个判别特征,最小化类内紧凑性和最大化类间可分离性。测量的灵敏度 次故障签名时,DET首先计算为组内紧 故障签名 ,在那里 表示的程度 对于个特征密度 其表示为第类 然后计算类间可分性 故障签名 ,在那里 的质心值是 故障签名 定义为的类 .最后,敏感度 th断层签名, ,表示为 .一般来说,传统的DET找到敏感性较高的故障特征子集,在轴承故障诊断中表现出令人满意的性能。然而,DET在估计每个故障特征的灵敏度时存在以下不足:(我)在传统的DET,该度的所有类的特征密度的平均值被用于测量组内的紧凑性和此组内紧凑测量可以是缺点,即故障特征的灵敏度错误地估计。数字5举例说明 th和 每班日瑕疵特征分布的假设,这两个特征具有相同程度的类间可分性。如图所示5,虽然 故障特征在判别前三类(即1类、2类和3类)时比故障特征更有用 该故障的特征,程度很低 第4类(即第4类)的特征密度可能会大大降低该特征的敏感性,其中较低的程度 对于个特征密度 类(或更高的值 )意味着 这一特征分布广泛。(2)与传统DET中的类内紧性估计相似,使用类间质心平均距离的类间可分离性是故障特征灵敏度估计的另一个缺点。数字6描述 th和 断层特征的分布假定这些特征具有相同的类内紧实度。在图6,敏感度 断层特征可能远高于 由于第四类的质心和其他类的质心之间的巨大距离而产生的特征。根据传统DET的特征选择策略 选择故障特征进行故障诊断。图6,然而,显示 断层特征比断层特征更有助于识别这些类型 签名。
因此,本文通过测量每个类的每个故障特征的敏感性来增强传统的DET (EDET)方法。为了做到这一点,我们使用 对于个特征密度 th类, 的类内致密性 故障签名 th类, ,并估计类间可分离性 这个功能 th类, 通过计算 ,在那里 为其参数的最小值。最后,敏感度 这个功能 th类, 被定义为 .在本研究中,如果对每个类产生最高灵敏度的故障特征相同,则可将判别特征子集的最小维数设为1,而判别特征子集的最大维数设为 如果拟定EDET选择的故障特征彼此不同。

3.2.评价过程

如图所示3.评价过程验证了所提出的轴承故障诊断方法的有效性,该方法包括以下两个步骤。

第一步。本文通过对评价数据集中的振动信号(即每种轴承状态的90个振动信号)进行谱峭度分析,选择信息子带信号,并从这些子带信号中计算EDET在分析过程中确定的统计参数,来配置特征池。

第二步。如第节所述1在本研究中,SFAM被用于识别各种单一和多组合的低速轴承故障。同样的, -fold交叉验证[37]用于估计所提出的综合轴承故障诊断方法的广义诊断性能(或分类精度)。在里面 -fold交叉验证,重复训练和测试分类器 通过使用随机分配次 评价过程中的特征池相互折叠,表示为 .即在fold中训练分类器(即sam) 并在剩余的褶皱中进行了测试 th的迭代 -折叠交叉验证。因此,轴承故障诊断方法的诊断性能是通过计算分类准确度的平均值和每次迭代产生的真阳性率来估计的 -fold交叉验证,其中 在本研究中,设置为3以进行准确的诊断性能评估。平均分类准确率(ACA)和平均真阳性率(ATPR)的定义如下: 两者都在哪里 分类准确率和真阳性率是否在 th的迭代 -fold交叉验证,定义为 ,分别。同样, 是真阳性(例如,当“CRBCO”类的样本被正确分类为“CRBCO”类时,为真阳性)和假阴性(例如,当“CRBCO”类的样本没有被分类为“CRBCO”类时,为假阴性)的数量。

4.实验结果

在本文中,基于EDET的特征特征特征分析用于有效识别单个和多个组合轴承缺陷,本节验证了其在ACA和ATPR方面的有效性。如第节所述3.1,因为传统的DET基于灵敏度级别( ),有必要去探索在诊断性能,其中以高灵敏度故障特征是用于在基于DET的特征选择方案可用于诊断故障特征的各种子集的影响。桌子4示出在图中示出了常规DET和提议EDET和所有提取的故障特征的本研究中的灵敏度电平之间的性能比较7.在桌子上5传统的DET分类精度分别为43.68%、84.96%和84.58% ,其中故障特征子集为 .桌上的一个有趣的观察4平均分类准确率更差(43.68%) 相应地,传统的DET对于估计每个故障特征的灵敏度是无效的。相比之下,建议的EDET方法实现了90.35%的平均分类准确率,其中故障特征的最具辨别力子集


ATPR对于每个轴承条件(标准偏差) ACA
(标准偏差)
CRBCO CRBCI CRBCR CRBCOI CRBCOR CRBCIR CRBCOIR DFCRB

详细资料 1 27.22 (6.74) 37.22(9.18) 43.33 (4.41) 51.11 (10.72) 22.22 (5.09) 35.00 (2.89) 33.33 (5.77) 100.00 (0.00) 43.68 (5.60)
0.3 82.22 (5.36) 76.67 (2.89) 93.33 (2.89) 93.89 (2.55) 74.44 (9.18) 75.00 (10.41) 83.33(11.67) 100.00 (0.00) 84.96(5.62)
0.1 85.00 (7.26) 73.33 (1.67) 93.33 (4.41) 93.89 (2.55) 67.22 (5.85) 81.11 (3.50) 82.78(3.85) 100.00 (0.00) 84.58 (3.63)

爱德 - - - - - - 91.67 (2.89) 84.44(3.50) 96.11(5.36) 93.33 (2.89) 76.67 (11.67) 86.67 (7.26) 93.89 (0.96) 100.00 (0.00) 90.35 (4.31)


测试结果
CRBCO CRBCI CRBCR CRBCOI CRBCOR CRBCIR CRBCOIR DFCRB

健康)状况
CRBCO 165 0 2 0 8 3. 2 0
CRBCI 0 173 2 0 0 5 0 0
CRBCR 0 1 152 2 5 16 4 0
 CRBCOI 0 0 1 168 0 11 0 0
 CRBCOR 29 0 7 2 138 0 4 0
CRBCIR 1 8 7 8 0 156 0 0
CRBCOIR 4 0 2 1 4 0 169 0
 DFCRB 0 0 0 0 0 0 0 One hundred.

虽然EDET通过对12个故障特征的区别性故障特征进行分类,有效地提高了诊断性能,但轴承缺陷在CRBCO和CRBCOR之间的分类不够充分,如表所示5图形8描述了三个故障特征的三维可视化结果(即:。, ) .如图所示8,这两个轴承缺陷之间的边界严重重叠和不清晰,导致诊断性能下降。因此,需要提取新的保留crbor固有信息的故障特征,以提高其真阳性率。

5.结论

针对圆柱滚子轴承单个和多个组合的缺陷,提出了一种轴承综合故障诊断方法。该方法首先通过基于离散小波包变换的谱峭度分析找到信息量最大的子带信号,然后通过计算子带信号中的12个统计参数来配置特征池。然而,所有提取的故障特征对于准确识别各种轴承故障可能同样有用。在此基础上,采用基于edet的故障特征分析方法,确定故障特征的最优子集,并将其用于sam的训练和测试。实验结果表明,该故障诊断方法对轴承故障的准确诊断是有效的。事实上,与ACA中的传统DET相比,EDET的性能提高了106.85%。

缩写

ACA: 平均分类精度
ATPR: 平均真阳性率
BPFI: 内滚道的传球频率
BPFO: 对于外滚道的球通频率
BSF: 球的旋转频率
CRBCI: 内滚道上有裂纹的圆柱滚子轴承
CRBCIR: 内滚道和滚子上有裂纹的圆柱滚子轴承
CRBCO: 在其外滚道的裂纹圆柱滚子轴承
CRBCOI: 内外滚道上有裂纹的圆柱滚子轴承
CRBCOIR: 外滚道、内滚道和滚子上有裂纹的圆柱滚子轴承
CRBCOR: 在其外滚道和滚子的裂纹甲圆柱滚子轴承
CRBCR: 有裂纹的圆柱滚子轴承
DFCRB: 无缺陷圆柱滚子轴承
依据: 距离评估技术
EDET: 增强距离评估技术
EMD: 经验模态分解
FFT: 快速傅里叶变换
国际货币基金组织: 固有模态函数
KFDA: 核费雪判别分析
KPCA: 核主成分分析
PCA: 主成分分析
转: 转每分钟
SFAM: 简化模糊自适应共振理论图
STFT: 短时傅立叶变换
WT: 小波变换。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

这项工作得到了韩国国家研究基金会(NRF)的资助,该基金由韩国政府资助(NRF—2013R1A2A2A050466)和韩国政府(MEST)(编号2012R1A1A2043644)。该研究还得到韩国航天工业有限公司(KAI)、贸易、工业和能源部(MyTV)的财政支持。,韩国技术进步研究所(KIAT)n和东南区域项目评估研究所,通过经济区域的主导产业发展。

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