文摘

有效的故障检测和诊断(FDD)旋转机械一直是一个焦点问题在改善预后和健康管理(榜单)的设备。现有使用的相似性测量已广泛传播于搜索相应的故障振动信号的响应,但他们中的大多数只是适合稳定的速度,不能应用于所有变速条件。为了提高测量性能,fast-meshed相图(FMPP)框架结合相空间技术和box-scoring计算提出了。首先,变速信号分为多个待定片段根据故障特点订单(外交部)。其次,待定碎片重建到相应的相空间轨迹克服时滞变速碎片的匹配不一致。第三,相空间轨迹映射到网状阶段通过肖像box-scoring计算。这种决定性的计算可以有效地将不同的不平等的片段转换为大小相同的相图,为随后的相似性测量节省时间。最后,提出FMPP测试准确性和及时性自建轴承的长椅上,在订单跟踪(OT)和动态时间规整(DTW)方法用于比较。实验证明了该方法的有效性。

1。介绍

时域波形清晰、直观地反映了机器振动的固有特性,这是一个关键技术广泛应用于矿业的隐性故障振动信号的信息。此外,特征波形(CW),从时域波形的小片段切,直观,清晰的物理表示和固有特征的综合反映1]相比,特征数据和光谱分析方法。通过集群大量连续波,可能的故障类型可以开采提供样本进行故障诊断和识别系统的建立,应用机器学习或深层神经网络和其他方法2- - - - - -5]。因为每个连续波是一个序列,CW的聚类问题是自然转化为序列的相似度计算。

时间序列的相似性度量是总是专注和困难。常用的时间序列相似性的余弦相似度测量方法,符号集合近似(SAX),欧几里得距离,距离真正的惩罚,等等,6]。2006年,越南盾等。7)使用余弦相似性测量匹配两个向量之间的亲和力。结果表明,该算法基于余弦相似度在线监测信号具有良好的应用前景。Georgoulas et al。8]介绍了一种新型轴承故障检测方法,该方法使用符号集合近似(SAX)框架和相关智能代表的诊断表示中提取相关的振动记录。故障诊断是一个分类问题,振动信号及其特征向量进行分类,并显著提高分类精度。行和安东尼9)相比九距离相似性度量的分类精度38从不同的科学领域数据集。的主要结论之一是,尽管最新的相似性测量在理论上是有吸引力的,在大多数情况下,其有效性低于广泛使用的措施。其中,这些方法都在静止的条件下应用于故障诊断。

然而,在工程应用中,机械设备在非平稳的运营条件(特别是变速)账户很大一部分。有两个主要困难的相似性测量变速条件下旋转机械振动信号。一方面,时间序列的长度是不一致的。另一方面,振动信号的能量是不同的,这是反映在信号幅度的差异由于SAX和余弦相似性方法不能测量不同长度的时间序列相似性。因此,他们在非平稳的条件下是有限的。目前,常用的方法来克服转速变化的影响是OT (10- - - - - -12)和DTW的相似度计算方法。首先,OT的本质是重新取样以恒定的角增量和原始振动信号的非平稳信号在时域变换到固定信号在角域(13,14]。2006年,萨维德拉和罗德里格斯(15)进行了详细的分析和验证算法的计算阶比分析。振动信号将会被拉伸或压缩(变形)取样时在OT角域的方法(16]。振动信号的变形严重影响其相似性估计的准确性。其次,DTW方法可以计算出不平等的长时间序列的相似性。2017年,汉et al。1)提出了一种滚动轴承故障识别方法基于多尺度动态时间扭曲(MDTW)应用于测量归一化波形时域特征的相似性,结果用于不同类型的轴承故障进行分类。不同类型的轴承故障进行分类根据计算结果。2013年,甄et al。17]分析了电动机的定子电流信号驱动程序错误使用DTW方法。2019年,Entezami和Shariatmadar [18)提出了一个correlation-based DTW方法检测使用随机高维多元特性的影响。实验结果表明,该方法可以检测和定位损伤下的非平稳信号。然而,高时间复杂度的DTW很难满足高频计算对大数据的时代。

对于这种情况,有必要寻找一个低时间复杂度方法计算振动信号的相似性,它不仅克服了变速的影响,还维护错误响应的基本特征。相空间(19)可以维护的几何不变性的内在结构相对应的源动力系统时域信号。因此,相空间可以用来表示每个响应故障状态的内在联系兴奋的信号。和box-scoring计算(20.)可以将不同长度的时间序列映射到平等阶段肖像克服变速的影响。

针对以上分析,提出了基于相空间和box-scoring计算新方法,称为fast-meshed相图(FMPP)方法。方法有四个步骤:(一)收购错误响应的信号片段,(b)解调信号片段(共振稀疏分解方法中使用的纸),(c)将信号片段映射成大小相同的网格相画像,和(d)的余弦相似性计算网格阶段信号片段的画像。

2。故障信号片段的相似度计算方法

本节描述的四个步骤是用来计算故障信号片段的相似性。在图所示的框架1。

2.1。获取信号的碎片在相等的角错误响应

错误响应片段在振动信号的碰撞损坏组件和其他组件。在其他文件,错误响应碎片被称为连续波。故障响应片段包含一个完整的脉冲响应反映了组件的健康。的错误响应片段包含一个脉冲响应反映了组件的完整的健康信息。下面描述了如何得到响应的片段。

在获得时域振动速度变量数据,错误响应的周期不稳定。由于不同的机械部件的几何特点,不同类型的故障有不同的故障特征的订单(外交部)如每个轴承运行一个循环,和滚动体通过的次数外环缺陷位置外环的故障特征顺序F_{首席运营官}。当轴承运行1 /F_{首席运营官}圆,将引发错误响应,振动在这个过程中收集的数据错误响应碎片。因此,我们可以根据切割获得错误响应碎片在等边角钢基于信号F_有限公司在角域。

首先,角度变化曲线计算按照下列基于转速的积分方程在时间t:

对于离散信号,方程(1)可以写成 在哪里f_年代采样频率和吗 。振动信号然后在相等的角∆切片θ,∆θ是两条断层的间隔角响应。然后,∆θ计算方法如下:

由振动信号 。当单个响应片段的长度n,响应信号片后碎片组Z,在那里是j响应的响应片段组。其中,Z可以根据获得的 在哪里p是一个正整数。由于转速的变化,在这个时候,一个₁,一个₂、…一个_l时域不平等的响应碎片,但它们是轴承的振动数据运行等边角钢(Δ吗θ)。

2.2。解调信号片段

本文以共振稀疏分解为例,从错误响应故障模式信号解调的碎片一个_我,噪声消除。自从Selesnick [21)提出了一个resonance-based信号稀疏分解方法在2011年,它已广泛应用于故障诊断。因为它,乐队重叠问题可以解决。在共振信号稀疏分解使用两种小波高和低质量的因素以适应信号,一个可以找到组件的振动信号表现出不同的波形特征。它由两部分组成:品质因数可调小波变化和形态成分分析,可将信号分解为高频核组件和一个low-resonance组件。

其中,高和低质量因素的设置适合的能力是非常重要的。相对应的小波品质因数应尽可能相似的响应的波形,需要提取。可以估计的质量因素问=中心频率和带宽。当品质因数问和冗余r集,是低通比例因子吗α和高通比例因子β计算如下(22]:

相应的小波中心频率和带宽的不同分解层次是不同的。中心频率f_c和带宽每一次能带可以表示如下: 在哪里j是小波所在的水平。

无论是高频核组件或一个low-resonance组件,它们是线性的一系列不同层次的小波。的中心频率jth级小波可以通过使用方程(估计6)。更大的j,小波的中心频率越小(因为α< 1)。有必要确保小波函数库有小波的中心频率接近组件的振荡频率提取。然而,如果j太大,计算量会增加,和长度的信号吗N,分解阶段的最大数量是由以下方程: 在哪里代表不超过数量的最大整数。

2.3。信号片段映射成大小相同的网格相肖像

网阶段画像方法提出了基于相空间重构和box-scoring。的目标是克服影响能源错误响应之间的显著差异片段长度和可变速度。网阶段画像方法是错误响应片段映射到一个二维网格相图的实现表示错误响应。

2.3.1。信号片段映射

网阶段画像方法由两部分组成。在第一部分中,相空间重建用于重建二维相位轨迹错误响应碎片的画像。在第二部分中,相图是网状,错误响应轨迹地图充满网格单元的一部分。然后,我们计算网格单元和线之间的距离y=x。距离作为重量值填充到相应的单元格。最后,网阶段画像将获得。

步骤1(错误响应使用相空间重建)。为了方便演示,错误响应表现为碎片一个= (一个₁,一个₂、…一个_K)。根据嵌入方法,响应片段一个转换成一个米维相空间向量的延迟时间坐标,米是一个嵌入维数,τ是延迟时间。据侯的研究等。20.),网格开发阶段肖像在二维相空间,米= 2。

第二步(啮合相位空间)。错误响应的二维相空间碎片是网状的,和网格大小是2^米×2^米。的价值米采样精度有关,值设置方法将在下面解释。

步骤3(重量计算)。故障信号振幅的衰减(如冲击式故障信号)的距离相空间轨迹的位置直线(y=x)变得越来越小。因此,轨迹和线之间的距离y=x可以用来表示能量的变化。距离作为重量,并分配到网格单元相空间轨道的位置。重量计算如下: 在哪里 的坐标网格单元。

2.3.2。选择网格单元的数量

网阶段的错误响应碎片的二维矩阵(2^米×2^米)与权重。网格单元数量越大,信号越细节将被保留。但是太大网格单位将增加不必要的计算量。的值范围米必须满足网阶段画像清楚表达错误响应碎片,尽可能地减少计算量。网格单元的数量是有限的价值全面电压V_身上发生和错误响应的峰值V_的错。V_的错需要更大的比网格的分辨率相肖像。根据方程(9)的最小值米可以计算。最低米本文所涉及的实验值5:

2.3.3。延迟参数选择和增量采样

为相空间延迟,没有具体的要求和选择方法嵌入理论。嵌入理论适用于无噪声的和无限长的信号(22]。的过程,因为在实际采集信号,这是不可避免的,将混合噪声和处理数据的长度不是无限的,很难满足要求。不同的延迟τ影响网格相图中包含的信息量。如果τ太大,延迟坐标元素的互信息网相画像将丢失,和信号似乎将折叠痕迹。如果τ太小,冗余大,原文的信息吸引子是小网阶段肖像。在网阶段肖像,轨迹向主对角线收缩。

有许多的方法τ设置,如互信息方法(14),平均自相关方法(AUD) (23]。为了获得的价值τ使用互信息方法。我们发现,τ一个不同n−1样品时间,互相关值不显示一个局部最小值,所以最优τ不能确定。τ计算了澳元是0.075毫秒,错误响应的信号采样周期片段是0.05毫秒。然后τ1.5采样周期。对于离散数据,发生在一个大错误τ需要1或2样品时间。这表明错误响应片段采样频率是不够的。因此,采样频率增加了插值。如图2,他们是错误响应碎片网阶段1 - 10倍的肖像f_年代。从图可以看出2可以观察到,一个清晰的轨迹重建的采样频率5次或更多。后增加采样,采样频率> 6次f_年代。

与τ不同的价值观,网状的肖像阶段错误响应如图碎片3。它可以知道什么时候τ= 0.075毫秒,网格相空间轨道区域占了最大的比例肖像。的价值τ女士也是0.075澳元计算的方法,正好等于1/4的共振周期错误响应碎片。也就是说,τ= 1 / (4×fr),fr是错误响应的共振频率。

为了进一步探索最优的价值之间的关系τ和共振周期,τ值不同的共振频率错误响应片段使用澳元收购方法相比。计算结果如表所示1。和错误响应碎片网阶段肖像图所示4。我们可以从表中1和图5澳元方法收益率的值τ等于1/4倍共振。因此,可以快速确定的值共振,从而减少计算量。

2.3.4。利用变速响应映射网格相图

设备错误响应的差异片段变速和恒速如下:(a)的错误响应速度改变时改变。错误响应片段的长度是不一样的在时域。速度越快,越短片段的长度;(b)的能量错误响应速度改变时是不同的。和更快的速度,更大的能量。它是表达的更大的振幅振动。网格相图法,几何特征的内在动机系统结构不变。因此,网格重建的轨迹相图数据长度无关。它只增加或减少网格相图的内容。它不会改变网格的特点,根据数据的长度相图。 Then, the mesh phase portrait method maps response fragments of different energy into an equal number of grid units, thereby eliminating the energy interference of the rotational speed. It can be known that the mesh phase portrait method can well eliminate the influence of the variable speed. The correspondence between the fault response fragments and the mesh phase portrait is shown in Figure5。网阶段的错误响应片段在不同旋转速度如图6。

2.4。余弦相似度的计算网格阶段信号片段的画像

相似性比较的错误响应碎片是通过计算网格相肖像画和确定他们是否属于相应的故障类型。由于响应片段波形相同的故障并不完全相同,有个体差异。这将导致类似的轨迹形状和重量在肖像网阶段,但并不是平等的。为了消除个体差异的影响故障源的相似性计算,一个3×3高斯滤波执行网格相图。余弦距离,也称为余弦相似性,类似于角度的余弦值的两个向量空间。余弦值接近1,角是接近0度,两个样品更相似。这里的二维网格相图矢量化,然后是余弦值计算。对比100同源片段和100后nonhomologous的相似性阈值可以设置为0.5,将用于后续实验。

3所示。模拟分析

3.1。信号仿真有效性验证

为了验证该方法的有效性,仿真信号验证。轴承故障造成的影响可以通过单自由度影响质-弹响应建模(24,25]:

考虑到滑动轴承滚动元素的影响,故障轴承振动信号模型如下(26,27]: 在哪里一个_米的振幅是吗米th故障脉冲响应,u(t单位阶跃函数,β是结构的衰减系数,ω_r轴承故障的共振频率兴奋,然后呢t_米的时候吗米th发生影响,可以计算如下: 在哪里τ_d代表之间的误差造成的故障影响间隔滑动滚动的元素,并将其值通常0.01∼0.02。和t₀= 0。n代表的数量影响轴的每个革命产生的反应。f(t)代表不同时期的频率,f(t)= 10t+ 15。模拟信号的参数如表所示2。

根据上述模型,轴承外圈故障的振动信号是模拟。故障特征的外环(F_{首席运营官})是3.6。模拟信号波形如图7(一),旋转速度,如图7(b)。

模拟故障轴承振动信号处理速度增加下处理的网格相图相似性比较方法。模拟信号时间是3秒。速度范围是15-45 r / s。根据fast-delay测定方法,延迟时间τ是0.068毫秒,抽样递增多个是8。错误响应碎片的数量在这个实验中是20。其次,选择的错误响应片段是由共振解调的稀疏分解方法,然后转换成网阶段肖像,如图8(a)。最后,每个响应和其他碎片响应片段之间的相似度计算,如红色曲线如图所示6。每个故障响应的平均相似度与其他反应为0.64,大于阈值0.5。仿真结果表明了该方法的有效性。

为了进一步验证该方法是否有误判,相似的错误响应碎片nonhomologous振动源也计算。实验仍然使用模拟轴承故障振动数据增加的速度为对象。根据轴承内圈(F_{细胞色素氧化酶}6.1),故障响应碎片拦截。因为只有一个外圈故障在这些数据,没有内圈故障,所以内圈故障响应nonhomologous碎片。实验结果的黑色曲线,如图所示6。的相似性nonhomologous振动源错误响应片段有大的波动,和相似度很低。nonhomologous平均相似度为0.47,小于阈值的0.5。这是不符合实际情况,验证了该方法的有效性和背面。

3.2。比较分析

为了验证该方法的优越性,它是与OT和DTW方法。比较方法1是OT,消除了转速的影响,振动信号在角域重采样保持错误响应片段的长度一致。2是DTW方法进行了比较。这种方法可以直接计算长度不相等的信号之间的相似性,但时间复杂度高。计算的相似DTW距离,距离越小,越相似。

实验结果如图所示9。从图可以看出9(一个)有更多的重叠区域的相似性之间的同源振动源响应碎片和nonhomologous振动源响应OT碎片,和歧视的效果不明显。同源的相似性平均振动源响应片段很低,这是不符合事实。DTW也不能区分同源和nonhomologous振动源响应碎片。

为了验证方法的有效性,计算1和2的比较方法。Matlab2014a平台运行的三种方法,硬件是ThinkpadE430c笔记本电脑。消费时间的计算结果如图10。FMPP花了1.14秒。计算时间相对于不降低了5%。与DTW相比,计算时间减少了93%。一般来说,FMPP低时间复杂度相比其他两种比较方法。

4所示。实验分析

4.1。有效性验证

为了验证该算法的有效性,实验采集信号的外环断层裂缝方位在速度,增加采样频率是24千赫。实验设备和获得振动信号波形如图11和12。加速度传感器位于支架上的轴承、转速表是安装在轴端。采集设备YE6231采集卡和支持软件。类型、几何参数和故障轴承的外部特征故障特征顺序如表所示3。外圈故障特征F_{首席运营官}和F_{细胞色素氧化酶}可以根据计算轴承的几何参数(18]: 在哪里n_r滚动的元素的数量和吗D₁滚动体的直径。D₂节圆的直径,β接触角。

故障轴承振动信号处理在增加速度是由网格处理相图相似性比较方法。在这个实验中,错误响应碎片的速度范围是50 r / s - 76 r / s,如图13 (b)。错误响应碎片的数量是20。的延迟时间τ是0.042毫秒,抽样递增多个是8。网阶段相应的振动源的肖像错误响应如图碎片(14日)。每个响应和其他碎片响应片段之间的相似度计算,如红色曲线如图所示(13日)。每个故障响应的平均相似度与其他反应为0.57,大于阈值0.5。FMPP的试验结果表明,方法是有效的测量错误响应在变速的相似性。

为了进一步验证该方法是否有误判,相似的错误响应碎片nonhomologous振动源也计算。实验仍然使用的轴承故障振动数据增长速度为对象。根据F_{细胞色素氧化酶}值为4.452时,故障响应碎片拦截。因为只有一个外环的错,没有内圈故障、内圈故障响应碎片nonhomologous响应碎片。实验结果的黑色曲线,如图所示(13日)。的相似性nonhomologous振动源错误响应片段有大的波动,和相似度很低。平均相似度是0.38,小于阈值的0.5。这个实验表明FMPP从背面的有效性。

4.2。比较分析

为了验证该方法的优越性,它是与OT和DTW方法。实验结果如图所示15。从图可以看出(15日)有更多的重叠区域的相似性之间的同源振动源响应碎片和nonhomologous振动源响应OT碎片,和歧视的效果不明显。同源的相似性平均振动源响应片段很低,这是不符合事实。从图可以看出(15日)DTW也不能区分同源和nonhomologous振动源响应碎片。

为了验证该方法的有效性,计算1和2的比较方法。消费时间的结果如图16。FMPP花了1.12秒。计算时间降低了84%的DTW。与OT方法相比,计算时间减少了19%。一般来说,FMPP OT和DTW方法相比有较低的时间复杂度。

5。结论

基于相空间技术和box-scoring计算相似性测量方法FMPP错误响应碎片在变速是首次提出。并由实验得到以下结论:(1)同质轴承故障响应碎片在啮合变速有很高的几何不变性相图。它可以用来测量相似与不同长度和能量响应碎片。(2)仿真分析和试验分析表明,FMPP方法可以精确测量相似错误响应下段变速。OT和DTW相比,FMPP有更好的能力来区分同源和nonhomologous响应碎片。和FMPP减少时间消耗。(3)FMPP可以快速设置延迟的价值τ1/4的共振,从而减少计算量。

数据可用性

测试数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本研究支持的北京自然科学基金(3192025)。非常感谢您的支持。