基于壓縮信息特征提取的滾動軸承故障診斷方法

孟宗，李晶，龍海峰，等

摘要：目的：滾動軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重要組成部分，據(jù)統(tǒng)計，在使用滾動軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，約有30%的機(jī)械故障是由滾動軸承引起的，滾動軸承的故障診斷具有十分重要的意義。軸承故障診斷過程中，可靠的信息獲取是故障診斷的前提，提取故障特征是故障診斷的必要條件。傳統(tǒng)采樣過程在遵循 Shannon-Nyquist采樣定理的條件下進(jìn)行，采樣頻率由所采信號頻帶決定，需不低于采樣信號最高頻率的二倍。受硬件限制高頻帶信息采集成本昂貴，產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)易造成數(shù)據(jù)冗余，而數(shù)據(jù)的傳輸、存儲、處理過程均將受到采樣過程限制。壓縮感知作為一種新型壓縮采樣方法，利用信號稀疏特性以遠(yuǎn)低于奈奎斯特采樣定理的采樣速率壓縮采集信號，可減小數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲的硬件壓力。但在工程實際中，機(jī)械系統(tǒng)故障振動信號往往具有復(fù)雜性，信號稀疏特性差，加大了信號的重構(gòu)難度，且故障信號重構(gòu)將花費大量時間增加軟件代價。針對這一問題，本文提出一種基于壓縮感知的故障診斷方法。該方法直接從壓縮采集信息中提取敏感特征參量，在不重構(gòu)信號的情況下進(jìn)行較高效的故障診斷。方法：對于壓縮感知框架下的信號采樣，采樣信號可看作原始信號在測量矩陣下的投影，信號的敏感特征因測量矩陣而改變，但同時采樣信號中保存了原始信號的大部分信息，與原始信號具有相關(guān)性。本文通過對測量矩陣和故障敏感特征參量進(jìn)行分析，選擇部分hadamard矩陣作為測量矩陣，峭度因子、方差、波形因子作為敏感特征參量，不重構(gòu)壓縮測量量，直接利用壓縮采集信息，提取敏感特征從而進(jìn)行故障診斷。具體實現(xiàn)方法可分為3個部分。（1）數(shù)據(jù)采集部分。應(yīng)用壓縮感知理論，確定測量矩陣，確定壓縮比a，在測量矩陣下采集數(shù)據(jù)，得到損傷部位不同的軸承在工作狀態(tài)下的振動數(shù)據(jù)各L幀，每幀M個樣本點。（2）特征提取部分。選擇適當(dāng)統(tǒng)計特征量作為故障特征參量，分別計算采樣所得各組數(shù)據(jù)的特征參量。（3）故障診斷部分。應(yīng)用支持向量機(jī)算法理論進(jìn)行故障診斷，先利用粒子群算法對 SVM中參數(shù)尋優(yōu)，得到最優(yōu)參數(shù)后對特征參量分類識別，從而進(jìn)行故障診斷。結(jié)果：以美國西儲大學(xué)實驗臺數(shù)據(jù)為例，應(yīng)用軸承振動數(shù)據(jù)對本文方法進(jìn)行分析驗證。實驗證明在hadamard矩陣下測量對信號的均方根值、方差等表現(xiàn)信號能量的特征參量影響很小，與理論推導(dǎo)相一致；對峭度因子影響較小，不影響其特征分布；對波形因子的影響稍大，但仍舊遵從一定的分布特征且對其數(shù)值特征影響較小。且方差、峭度因子、波形因子能夠較好地表達(dá)振動信號故障信息，故將其作為故障特征參量，截取軸承四種狀態(tài)下數(shù)據(jù)各120組，在不同壓縮比下提取故障特征，并應(yīng)用 PSO-SVM算法進(jìn)行故障診斷。實驗表明在一定壓縮比范圍內(nèi)，應(yīng)用相同采樣長度數(shù)據(jù)本文方法與傳統(tǒng)采樣方法能夠達(dá)到的故障識別率基本相同，在95%左右，能較好的識別故障特征；隨著采樣點數(shù)逐漸減少、壓縮比逐漸降低，應(yīng)用本文方法采集的數(shù)據(jù)攜帶更多的信息量，其故障識別率高于傳統(tǒng)采樣方法。結(jié)論：提出了一種基于壓縮感知的故障診斷方法，理論及實驗證明了在部分hadamard測量矩陣下采樣得到的數(shù)據(jù)針對特定統(tǒng)計推理任務(wù)仍然有效，可直接利用壓縮采樣信號提取相關(guān)故障特征參量。通過對滾動軸承故障診斷實驗的分析驗證，表明了該方法能夠直接從壓縮采樣數(shù)據(jù)中提取故障信息并識別故障特征，且較傳統(tǒng)方法相比能夠利用更少的采樣點表達(dá)故障特征，降低了信號的平均采樣率，實現(xiàn)故障診斷任務(wù)。

來源出版物：中國機(jī)械工程, 2017, 28(7): 806-812

入選年份：2017

基于無級變速器的混合動力汽車動態(tài)模式切換研究

王建德，周云山，陽輝勇，等

摘要：目的：針對基于無級變速器的混合動力系統(tǒng)在純電動模式到伴隨發(fā)動機(jī)啟動的模式切換過程中，可能造成發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩或電機(jī)轉(zhuǎn)矩突變，對車輛動力系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊的問題，提出了一種模糊推理與最優(yōu)控制理論相結(jié)合的綜合控制策略。方法：首先對基于無級變速器的混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其工作模式進(jìn)行分析，建立了動力學(xué)簡化模型。然后，針對純電動模式到伴隨發(fā)動機(jī)啟動的模式切換，提出了發(fā)動機(jī)啟動、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速同步和離合器結(jié)合的3階段模式切換方法，通過BSG快速啟動發(fā)動機(jī)，控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速同步電機(jī)轉(zhuǎn)速，待轉(zhuǎn)速差小于閾值后，進(jìn)行離合器滑摩控制。在離合器結(jié)合階段，提出了模糊推理與最優(yōu)控制理論相結(jié)合的綜合控制策略，基于駕駛意圖采用模糊控制方法控制離合器結(jié)合時長，基于動力學(xué)模型采用動態(tài)規(guī)劃得到離合器的最優(yōu)傳遞轉(zhuǎn)矩和發(fā)動機(jī)的最優(yōu)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)離合器最優(yōu)傳遞轉(zhuǎn)矩利用電機(jī)的快速響應(yīng)性來實時調(diào)整電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，協(xié)調(diào)模式切換過程中的轉(zhuǎn)矩變化。最后，在轉(zhuǎn)鼓試驗臺上分別進(jìn)行平緩加速、中等加速和緊急加速，車輛從靜止?fàn)顟B(tài)純電動模式起步，根據(jù)能量管理策略進(jìn)行模式切換試驗。結(jié)果：平緩加速時的模式切換過程中，從6.9 s開始進(jìn)入模式切換，7.1 s時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速開始同步電機(jī)轉(zhuǎn)速，7.7 s時開始離合器接合，此時加速踏板開度為30.28%，加速踏板開度變化率為54%。離合器接合過程中,隨著發(fā)動機(jī)動力的介入,電機(jī)逐漸退出工作。中等、緊急加速時的模式切換過程中，在不同的駕駛意圖下，所體現(xiàn)出的模式切換時間和沖擊度大小是不一的，這是由于所采用的控制策略，在非緊急駕駛意圖下，優(yōu)先考慮整車平順性，采用較長的離合器接合時間；在緊急駕駛意圖下和保證整車平順性的前提下，優(yōu)先滿足整車動力性，縮短離合器滑摩時間。該策略的模式切換時間最長為2.4 s，最大沖擊度僅為7.7 m/s，體現(xiàn)出了良好的模式切換效果。該控制策略通過BSG快速啟動發(fā)動機(jī)，待發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速同步后進(jìn)行離合器控制。一方面，發(fā)動機(jī)的啟動不影響模式切換平順性，減少了模式切換過程的沖擊因素；另一方面，離合器在主從動側(cè)轉(zhuǎn)速差較小的時候接合，縮短了離合器接合時間同時降低了接合沖擊強度。結(jié)論：所提出的模式切換動態(tài)控制策略能夠優(yōu)化離合器滑摩時間，體現(xiàn)駕駛意圖，并且能夠有效減小發(fā)動機(jī)啟動模式切換過程中的轉(zhuǎn)矩波動和整車的沖擊度，提高車輛的行駛平順性。

來源出版物：中國機(jī)械工程, 2017, 28(10): 1253-1259

入選年份：2017

基于改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連鑄漏鋼預(yù)報

張本國，李強，王葛，等

摘要：目的：隨著連鑄技術(shù)的不斷發(fā)展，高效連鑄技術(shù)已成為連鑄技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向，受到世界各大鋼鐵企業(yè)、工程公司及設(shè)備制造商的高度重視。高效連鑄技術(shù)是以高質(zhì)量、無缺陷的鑄坯生產(chǎn)為目的，實現(xiàn)高連澆率、高作業(yè)率的連鑄系統(tǒng)技術(shù)。高拉速是高效連鑄技術(shù)的核心，而隨著拉坯速度的提高，漏鋼的風(fēng)險性也隨之增加。連鑄過程中的漏鋼成為制約拉速提高的關(guān)鍵因素，開發(fā)實時有效的漏鋼預(yù)報系統(tǒng)，對可能發(fā)生漏鋼的特征進(jìn)行識別、預(yù)警是防止漏鋼事故發(fā)生的主要手段。目前，我國對漏鋼預(yù)報技術(shù)的研究還處在初期階段，對漏鋼的形成機(jī)理及其過程缺乏系統(tǒng)的研究；現(xiàn)有的漏鋼預(yù)報系統(tǒng)在連鑄生產(chǎn)過程中都存在一定的漏報率和誤報率，導(dǎo)致漏鋼事故時有發(fā)生，造成生產(chǎn)的停滯和設(shè)備的損壞。因此，本文針對這一課題，對連鑄過程中的漏鋼預(yù)報進(jìn)行了深入的研究。方法：分析總結(jié)了連鑄過程中的主要漏鋼形式及其形成原因；結(jié)合結(jié)晶器內(nèi)鋼液彎月面行為，對黏結(jié)漏鋼的形成原因進(jìn)行重點分析與探討；針對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練過程中存在局部最優(yōu)解及收斂速度慢的缺陷，將LM算法引入到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程，建立了LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)漏鋼預(yù)報模型。為了驗證模型的準(zhǔn)確性，并用薄板連鑄生產(chǎn)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)對所建模型進(jìn)行了訓(xùn)練和測試。結(jié)果：為了驗證所開發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)漏鋼預(yù)報模型的有效性并達(dá)到實際應(yīng)用的目的，利用 Visual C++及 ANSYS軟件開發(fā)了以LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為核心算法的薄板坯連鑄可視化漏鋼預(yù)報系統(tǒng)，并用生產(chǎn)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)對所開發(fā)的LM-BP漏鋼預(yù)報系統(tǒng)進(jìn)行了實驗室測試。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)在結(jié)晶器內(nèi)發(fā)生黏結(jié)時能夠及時做出準(zhǔn)確判斷并給出報警，程序界面可以動態(tài)顯示熱電偶的溫度和溫度變化曲線，以及實時顯示結(jié)晶器銅板熱面溫度云圖對漏鋼溫度特征進(jìn)行輔助判斷。結(jié)論：基于LM算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對典型的黏結(jié)漏鋼溫度特征具有很好的識別效果。

來源出版物：中國機(jī)械工程, 2012, 23(2): 204-207

入選年份：2017

液壓激振技術(shù)的研究進(jìn)展

邢彤，左強，楊永帥，等

摘要：目的：隨著液壓技術(shù)的發(fā)展和控制理論的研究，液壓激振技術(shù)也日趨復(fù)雜，本文分類闡述了各種液壓激振技術(shù)的原理、性能優(yōu)缺點及應(yīng)用情況，介紹了典型液壓激振裝備的最新發(fā)展、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能指標(biāo)，簡要介紹了國內(nèi)外液壓激振控制技術(shù)最新成果，通過比較探索未來發(fā)展方向。方法：首先，通過文獻(xiàn)檢索按激振原理列舉液壓式、電動式與機(jī)械式振動臺的特性并進(jìn)行比較，其次，基于 2010年之前的所有數(shù)據(jù)，列舉不同的液壓激振技術(shù)方案及其最新應(yīng)用的激振裝備系統(tǒng)，給出其核心振動器的結(jié)構(gòu)與特點，同時列舉其系統(tǒng)頻率、振幅與輸出推力等性能指標(biāo)從而分析得出優(yōu)缺點及各自適合應(yīng)用的區(qū)域。結(jié)果：文章以表格的形式給出了液壓式、電動式與機(jī)械式振動臺的特性，繪制了3種類型振動臺的頻率幅值圖，其中液壓激振技術(shù)可以獲得的振幅和推力最大，同時在工程振動領(lǐng)域具有較大的優(yōu)勢。液壓激振技術(shù)按激振方式原理可以分為直流液壓激振技術(shù)、液壓自激振技術(shù)、交流液壓激振技術(shù)、液壓射流激振技術(shù)、電液伺服激振技術(shù)和電液交流伺服激振技術(shù)，并從文獻(xiàn)中總結(jié)分析得出了上述技術(shù)最新的應(yīng)用舉例及其技術(shù)的特點。① 直流液壓激振技術(shù)：動作準(zhǔn)確、穩(wěn)定，調(diào)整方便，效率高。② 交流液壓激振技術(shù)：元件少、結(jié)構(gòu)簡單、動作準(zhǔn)確的特點，同時還具有高頻率小振幅或低頻率大振幅、功率大以及推力大等優(yōu)點。③ 液壓射流激振技術(shù)：與同規(guī)格射流沖擊器相比，在沖擊功及沖擊頻率方面相差不大，但壓耗大幅度降低。④ 液壓自激震蕩技術(shù)：結(jié)構(gòu)簡單，耗費功率小，振蕩頻率調(diào)整范圍較寬，從幾赫茲到幾百赫茲，振幅會隨振蕩時間的延長而增大。⑤ 電液伺服激振技術(shù)：大幅度提高了激振器的工作頻率，其上限頻率高達(dá)1000 Hz；無法貼壁散熱，因而也就限制了頻率的進(jìn)一步提高。⑥ 電液交流伺服激振技術(shù)：激振頻率高，最高達(dá)1250 Hz，且較好的振動波形。并且總結(jié)了該6種類型液壓激振技術(shù)典型實例的響應(yīng)頻率f和工作行程L之間關(guān)系，同時文章總結(jié)了液壓激振的控制方法，早前一般采用模擬加數(shù)字混合控制方式以獲得較好的性能，近年來更多地采用全數(shù)字式控制，一些新控制方法（如非線性補償控制等）應(yīng)用在液壓激振系統(tǒng)中，提高了振動臺的工作頻率，改善了高頻時的振動波形和穩(wěn)定性，推動了液壓激振技術(shù)的發(fā)展。結(jié)論：多軸、高頻液壓液壓振動裝備及其控制技術(shù)是近年來的研究熱點，我國的研究工作取得了長足的進(jìn)，已經(jīng)接近國際水平。其中采用 2D激振閥的激振方法是大幅度提高液壓激振頻率的新技術(shù)，根據(jù)六種類型液壓激振技術(shù)的性能比較，電液伺服激振技術(shù)適合于高頻響小振幅場合，新出現(xiàn)的電液交流伺服激振技術(shù)為數(shù)千赫茲的超高頻液壓激振技術(shù)的發(fā)展提供了可能，高頻液壓激振技術(shù)方興未艾。

來源出版物：中國機(jī)械工程, 2012, 23(3): 362-367

入選年份：2017