基于变分模态分解和谱峭度法的滚动轴承故障特征提取
2024-10-18
来源:威能网
第31卷第11期 。电子测量与仪器学报 JOURNAL oF ELECTRoNlC MEAsUREMENT AND INSTRUMENTATIoN Z.31,vo.11 1782‘ 2017年11月 DOI:10.13382/j.jemi.2017.1 1.013 基于变分模态分解和谱峭度法的滚动 轴承故障特征提取木 马增强 李亚超 ’ 阮婉莹 张(1.石家庄铁道大学摘电气与电子工程学院石家庄安 青岛266111) 050043;2.南车青岛四方机车车辆股份有限公司要:针对共振解调中带通滤波器参数的选取通常比较困难,以及滚动轴承早期微弱故障信号通常被强烈的背景噪声淹没, 为此,提出了使变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)和谱峭度法共同作用来处理故障信号的方法。首先要重构 故障信号,利用VMD分解得到故障信号的本征模态分量(intirnsic mode function,IMF),再计算各分量对应的峭度值对其自适 应重构。然后,对重构信号进行快速谱峭度分析,并据此设计带通滤波器。最后,根据重构信号共振解调后的谱线即可准确判 断轴承故障。通过处理实测数据进行诊断,结果表明了该方法较传统共振解调法诊断结果更精确。由此可见,谱峭度法在滤波 器参数选择上具有可靠性,以及VMD与谱峭度结合能够降低噪声干扰提取微弱故障信号。 关键词:故障诊断;滚动轴承;变分模态分解;谱峭度 中图分类号:TN710.1;TH165 .3 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:470.40 Rolling bearing fault feature extraction based on VMD and spectral kurtosis Ma Zengqiang Li Yachao ・ Ruan Wanying Zhang An (1.School of Electircal and Electronics Engineering,Sh ̄iazhuang Tiedao University,ShOiazhuang 050043,China; 2.CRRC Qingdao Si ̄ng Co.Ltd.,Qingdao 2661 1 1,China) Abstract:In order to solve the problem that the band pass filter parameters in resonance demodulation are dificultf to select and the fauh signals of rolling bearing in early failure period aredrowned in strong background noise,thefault diagnosis methodcombining variational mode decomposition(VMD)withspectral kurtosis is proposed.Firstly,the fault signals need to bereconstructed self-adaptively,SO several intirnsic mode function(IMF)are obtgned by VMD,and adaptive reconstruction is performed by computing the kurtosis of IMFs.Next,we can analyze the reconstructed signals by spectral kurtosis and design the band—pass filter.Finally,the working status of rolling bearingis identiifed through the resonance demodulation spectrum of reeonstructedsinag1.By processing real data,the results show that the method is more accurate than traditional resonance demodulation in diagnosing the fault of rolling bearing.Thus,it can be seen, the spectral kurtosis is reliable in selection of the filter parameters,and combining VMD and spectral kurtosis can reduce the noise and extract weak fault signa1. Keywords:fault diagnosis;rolling bearing;VMD;spectral kurtosis 0 引 言 械其他各部位零件,其寿命没有准确性的标定,而其又是 决定机车是否能够安全稳定运行的最主要因素,为避免 由于轴承故障而引发事故,必须及时诊断出轴承的早期 故障,而如何提取出微弱的早期故障信号是研究的重点 与难点,对国民经济以及科学发展都极具研究价值,故障 滚动轴承是旋转机械中极关键的组成部分,旋转机 械的工作性能受其影响非常大。滚动轴承不同于旋转机 收稿日期:2017-05 Received Date:2017-05 基金项目:国家自然科学基金(11227201,11372199)、河北省自然科学基金(A2014210142)资助项目 第11期 基于变分模态分解和谱峭度法的滚动轴承故障特征提取 ・1783・ 诊断技术对生活生产各个方面的发展意义重大 。 传统共振解调技术的理论基础是没有故障就没有故 式中:6(£)为冲激函数。 2)得到若干解析信号的预估中心频率e ,将其混 合后把各模态频谱调制对应的基频带: 障谱线,其核心是在一系列频率混杂的信号中将被高频 调制的故障信号提取出来,有较高的诊断精度。由于其 准确性和易用性,故成为滚动轴承故障诊断中最常用的 方法之一 。侯丽娴等人 将其成功应用于微弱故障信 号的提取工作,但带通滤波器的参数选择问题限制了其 应用。王嘉乐等人 为了克服这一困难,采用小波变换 函数结合时频分析的方法共同处理信号,但其所得信号 c)+ ) (f) . 宽。约束变分模型如下: (2) 3)通过梯度的平方 范数这一参量预估各模态带 J- m,in { JI a [(6c +J订 )’“ c ]e—jm lI ) 3 分解结果和信号本身频率没有关系,对故障特征频段的 提取效果被削弱。左庆林等人 将经验模式分解 (empirical mode decomposition,EMD)和共振解调结合提 高了信噪比,但没有解决参数选择问题。张志刚等人 J 将EMD降噪和谱峭度法结合,虽然有效解决了参数选择 问题,但EMD的明显缺陷——模态混叠问题对诊断结果 造成的影响不容忽视。2014年Dragomiretskiy等人 首 次采用变分模态分解(variational mode decomposition, VMD)方法,其最大优点是自适应性,能够将信号从不同 频段分离并提取出有效成分。刘长良等人 刨和唐贵基 等人 将其引入到机械故障诊断领域,并和包络解调相 结合实现了滚动轴承早期故障的有效判别,但带通滤波 的参数仍然依赖人的主观经验。 本文将结合VMD信号分解方法和谱峭度法提取故 障信号,对轴承故障做出准确诊断。谱峭度概念最早是 由Dwyer 提出,它的实质是在时频分析的基础上,反映 信号每个频段上的峭度值大小,能够反映出非平稳性的 存在,对故障脉冲信号很敏感,并能够明确地指出瞬态成 分的频带,为滤波参数的选取提供理论基础。结果表明 该方法在故障信号被强烈的背景噪声淹没的情况下仍能 有效地进行故障诊断,证明了该方法的有效性。 1变分模态分解原理 VMD分解方法是以经典维纳滤波、Hilbea变换及混 频问题为核心,对信号进行稀疏重构,首先根据约束条件 建模,用最优化方法自适应地对信号进行分解,可得到理 想的模态分量 。 可以认为各模态均有各自的中心频率,并且各自带 宽有限,二者随着分解工作的进行不断变化,VMD方法 就是要找出带宽之和最小的K个模态函数“ (t),其和 即为输入信号.厂。首先要获得各模态函数的带宽,具体步 骤如下 。 1)对各模态分量u (t)做希尔伯特变换,可得对应 的解析信号,其单边频谱为: (1) 【s.t.∑ =, 式中:{ }:{“ 一,u }表示经VMD分解后的K个 IMF分量,{ }={甜 -., }代表各模态的中心频率, ∑:=∑::。表示对各模态分量进行求和运算。 为解决以上问题,本文将引入两个新参数:二次惩罚 因子 和Lagrange乘法算子A(f),其中二次惩罚因子可 不受高斯噪声影响确保信号的重构精度,Lagrange算子 保证了约束条件的严格性,扩展的Lagrange表达式如下: ({/Z },{(£J },A):= a [( + ) )一 u ( ) +(A(£) )一 ( ))。 (4) 要获得扩展后的Lagrange算子‘鞍点’,这里可以运 用ADMM乘子算法,它具有方向交替的特点,利用它可 以准确得到想要的‘鞍点’。详细解法如下: 1)对{ }、{ }、 、rt进行初始化; 2)循环条件:n=rt+1; 3)凡满足 ≥0时,更新五 : A n“( ) )一∑ uAn +l(∞)一∑ (∞)+ ———1 厂—一, ∈{ ,K} (5) 4)更新∞ : O)一k一 — ———————一, E 1 l,K}A} (6)0 l A n“( )l 幽 5)更新A: ” (∞)一 “( )+ (,(∞)一∑ : ( )) (7) 6)重复2)~5),直到迭代停止条件成立: ∑ A n“一 2/l I<s (8) 结束迭代,得到K个IMF分量。 2谱峭度法 为了克服峭度在工程应用中的不足,A t。 i[16 以四 ・1784・ 电子测 与仪器学报 第31巷 阶谱祟积量为核心,对谱峭度做了准确的定义 . CNS过程巾 非 稳信号 ( ),其对心的pU阶 谱累fj5 C (M)可 ,J 为: C4 (“)=S4 (z )一2s ( ),“≠0 (9) 式 f : 、(,,“)为2 ,介时『廿J 均矩 将信 (£)的 峭度简化为能监 化地四阶谱 累积ht.【|f】: 人 : = 。 根抛J_I==(10)定义的谱峭度,对CNS过程定义一个非 平稳僻 为 (f)= (z)+,v(£),式『f1/v(t)表示JJ兀性 稳噪』 , -j (f)相 } i』I● ,z(,)的谱峭度K,(M)为: K(u)- + ≠ - j 『f1.K。(“)为信 ‘ (f)的谱llJilj度;K (“)为噪J N(,)的 峭度;p( )乃信噪比,定义为: = ) (1 3)…J=l=(13)_『知,K (“)彳F信号信噪比很高频率处接 近丁0、 此信号 (f)所 频带也就是峭度最大的频 带,1 以通过汁算整个频域的潜峭度来找到 、 3 基于VMD和谱峭度法的滚动轴承故障特 征提取 鉴j 振解凋巾 :通滤波器参数的选取通常比较『小] 难,『…I_存外界噪声f 扰下,很难准确提取iH占史障信号, 为此,水史将VM1)分解和谱峭度法结合, 1『以很好地降 低噪J} 影响, 能够准确选择滤波器参数 具体过程如 下, 1所求为陔方法的流 1)对故障信号进f VMD分解,把非i 稳信号分解为 荇卜个IMF分 l'f ・一,f ; 2)汁箅 ,f ¨r 的峭度 K。(“),K,(“), …K.(11); 3)圾峭度值最火的前两位对应的1M ’分量C… … 并重构为新的轴承振动俯号c; 4)埘咂辛勾信号 进行快速峭度分析,根据峭度 人 化 则r】J 以确定带迎滤波器的lf1心频率干¨带宽; 5) 据上述确定的参数没计滤波器,冉对各模态分 量进行带通滤波; 6) 带通滤波后的信号冉做包络解州分析,然后经 快速似 叶变换(FF.r)求 包络谱; )5c 1 VMD结合谱峭度法诊断滚动轴7 改障的流 ¨g.1 How thai‘t ol the method ctI[11}lini ̄lg VM I)wittI spe( Il_a kurtosisto, diagn,lsing rIJlli)lg In'ari ̄lg 7){士! 包络谱可以提取}『J滚动轴承的舣障信 n、 4 实例应用 为丁验让本文所述办法的真文丌『靠 ,将 心川于 滚动轴承敞障诊断试验,采Hj汀苏干鹏诊断I ‘限公 一J的QPZZ一1I旋转机械振动^殳障试验 F 进行}JI==验分 析,如 2所爪 .以N205EM轴承敝障模J 为试验对象 进行分析,该轴承参数如衷l所爪 试验IlI.将信 的采 样频率确定为25 600 Hz,JL采20 480个点.轴承转速为 317 r/min .m滚动轴承故障特 频率公式汁钟:f…太J阁故 障特征频率的卵论值为26 Hz 滚动轴承 ^殳障信 的波形及 频潜如 3所,j:,受背景噪声的 响, 故障 信号波肜IIl许不能清晰的绑圳故障特 ,If _频谱『II的 故障特 坝牢也 明显。 2 QI’Zz一Ⅱ旋转机械放障试验半台及传感 安装 ¨g.2 QI’ZZ一1I fauh simulation platto!‘I11 alld sPnSOI’installation 表1滚动轴承N205EM参数 Table 1 Parameters of rolling bearing N205EM 基l丁变分卡}l态分解和Ij}}I【『iIj度法的滚动轴,R故障特 提收 785・ ,/S (a)II,』域波"j a1 I hc llIIIc—doraaln w|1、cf rII 山 一 。一一. ,/ttz 【b)频l* b l rhe frequenc>speclrull 3 内斟故障fi: 时域波形硬 蝴谱 Fig.3_rIl‘ lime—domain ̄avefonn ̄lll1]Ihe frequen{。) spectrtml in the inner fauh signaI 诊断的第一步是通过VMD对采集的信号进行分 , 此例r}1町僻6个IMF分地,分别 算签阶分量的峭度觚, 汁算结果如衷2所示。 表2各阶1MF分量的峭度值 Table 2 Kurtosis of each IFMcomponent 分挝 lMI・’1 IMF2 IM1:3 IM b'4 IMF5 IM1:6 SK 7()91 82 94 4.76 3 36 18 35 2 92 根据表2 II,峭度值lIJ。 J,IMFI和IMl 2峭度值最人. 所以选择这两个分量埘原始信号重构,亟构后的信号波 形和频谱『』l 14所示,『】『以行j}{,在时域波肜中故障冲。 分量更』J兀{lll嚣‘,而且高频 撤部分并不受影响,同时还降 低了低频十扰的影响 对咂构f. ,进行快速 峭度分析, I 5(a)所爪为m 构信号的快速i酱峭度 从I司『}J几『以_『亍¨1,最火峭度蝴 带:中心频率 10 400, j: 为l 600,【{『】频带[8 800, l2 000 范『书]内的曙峭度最人,信噪比最人,对重卡勾f ‘ 0.2 O 1 0 L { T T’l ・r 0 l ()! 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 f/s (a)r 掬 l1j域波 fal 1-he time—domain、、“、eform of reconstrucled signal ,/Hz (b)rE{_;1』 l 晰 h1 The|l' ̄qttcncy Speclrtllll of 1.ecollstruc/ed signal 罔4 砸掬f. 时域波形埂其顿 Fig.4 The timt・domain I{ | { ̄fOl I11 and frequent | spec,triiln in l'{,'COIlS[11l( ted signal 进行带通滤波,可得到滤波后的也络 训谱{nJ 5(b)所 示 从 中可以吞…, 26 Hz及j 倍频处的谱m 突l叶l, 所以I・J‘以断定轴承1人J}趁4确有故障,符合实际。 }11_km‘t 2-K l 31 5 level 3一 I 600 Hz√l()400¨ .y— £一 > H ●●: : 4 4 5 5 6 ● 0 0 0 6 0 6 O 6 O 6 0 6 0 0 .、. o 2 000 4 00{)6 000 8 00()1 0()00 l 2000 //Hz {a)fi:构fT, 速【将峭J (a)The I ̄tst k【Il1t)slsgrapl1(1fIeCOI1SI1ucted signa ● ● 8 4 ^_ 0 00 20() 30()400 50( ,/Hz lI]}币。均 也 l f b1 l'he cn、 eh}pe spectl’tllll of【.CCOIISIructed signal 5 啦陶 快速 IIJfjj 及包络 }、ig.5 Fhefas!km’h is graphan ̄t the PIB eh}I) h‘ilnl in l ‘ onstl3l(・led signal 为r比较}亥方法1 传统包络 州/hfif的效 ,求取 原故障f 号的快速潜l【IiJj度如图6(a)所 ,僻刮滤波器参 数,对信 做滤波处州斤进行r包络解涮分折, 始信号 的但络谱如图6(}】)所爪, 管也能观察剑【人】 敝障特 频率26 ltz处的谱线,但故障频率俯顿处的 线i}{难辨 别,而rI.还有背景噪小的影响 I 此 盯以看l}I.夺史所提 方法卡¨比于传统共振解调方法的诊断效果更好 I786・ 电子测 0 l 0 一, I 6 2 0 2 6 3【] 3 6 4 0 4 6 5 0 5 6 6 0 0 2 000 4 000 6 000 8 000 l0 000 l 2(01[ lfHz (a1 l f l 一} 速 jlj J耍 la)TM sI kurloslsgraph oforiginal signal l 5 > l() = -2()5 () 6原信} ‘快速滑峭度冈及包络谱 }、ig.6 The fast kur"msisgraph and the pnv pP speelr"uln in original signal 5 结论 为J 克服传统包络分析法滤波器没汁的不确定 , 提 p使变分模怠分解、谱峭度和包络孵 同作JI】 来诊断故障的方法 将其』、 用于QPZZ—lI旋转机械 动故障试验平台进行榆验,得 如下纳论: 1) 丁VMD和谱山肖度法的滚动轴承故障诊断方法 能够仃效地将含有故障特征的成分提取}{J束,削弱低 干扰的影响; 2)潜峭度法能够彳r效度量和定佗慢噪』 背景中的断 态冲 戊分,II『用于I I动确定带通滤波器参数; 3)实际信号的分析验址r本史方法对滚动轴承故障 特征的频率提取能够取得比传统共振解州分析更好的 效果 参考文献 熊川良,胡俊锋,陈慧,等. 于SK—NI M包络的滚动 轴恹故障冲击特 增强 J].仪器仪太学报,2016, 37(10):2176—2183. 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