湯武初,呂亞博,劉佳彬,韓 丹

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116000)

0 引 言

作為一種常見(jiàn)的支撐零部件,軸承的主要作用是連接設(shè)備旋轉(zhuǎn)部件和固定部件。由于起動(dòng)性能好、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕等特點(diǎn),滾動(dòng)軸承被廣泛應(yīng)用于中低速旋轉(zhuǎn)設(shè)備中[1]。在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的實(shí)際工作過(guò)程中,特別是在運(yùn)行環(huán)境比較惡劣時(shí),隨著設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的承載力不斷變化,在交變應(yīng)力的作用下,滾動(dòng)軸承的整體工作性能也會(huì)隨之發(fā)生變化。

因此,為保證軸承的健康運(yùn)行,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷方法進(jìn)行了大量的研究[2]。

近年來(lái),隨著數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)[3]等科技的快速發(fā)展,基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的深度學(xué)習(xí)方法成為故障診斷領(lǐng)域發(fā)展的新趨勢(shì)。其基本思路是利用不同方法提取到振動(dòng)信號(hào)的數(shù)學(xué)特征,然后將其輸入到人工智能算法中,進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別,以完成故障診斷任務(wù)[4]。

目前,已有不少學(xué)者采用上述方法在故障診斷領(lǐng)域取得了一定成果。例如:劉強(qiáng)等人[5]提出了優(yōu)化變分模態(tài)分解與融合包絡(luò)熵結(jié)合支持向量機(jī)的故障診斷方法。JIANG Lu-yang等人[6]運(yùn)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接提取了原始數(shù)據(jù)中的時(shí)頻特征,并測(cè)試在原始數(shù)據(jù)、頻譜和組合時(shí)頻數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)特征的不同性能,結(jié)果表明,卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的提取效果要優(yōu)于手動(dòng)的特征提取效果。

但是,在上述研究中,有一部分沒(méi)有結(jié)合深度學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì),極度依賴(lài)故障診斷專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí);另一部分在研究中由于數(shù)據(jù)量不夠而選擇重疊數(shù)據(jù),導(dǎo)致結(jié)果的準(zhǔn)確度有待考究。也有學(xué)者使用特征融合結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法取得了一定的成績(jī),比如,魏秀業(yè)等人[7,8]將特征融合方法運(yùn)用到齒輪箱故障診斷中,能夠有效地識(shí)別故障,且訓(xùn)練結(jié)果要優(yōu)于傳統(tǒng)故障診斷方法;但需要上千次的迭代周期,訓(xùn)練周期太長(zhǎng)。

基于此,筆者提出一種基于特征融合并結(jié)合改進(jìn)的一維殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ResNet)的滾動(dòng)軸承故障診斷方法。該方法是根據(jù)相關(guān)系數(shù)和方差貢獻(xiàn)率指標(biāo)來(lái)篩選確定變分模態(tài)分解(VMD)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)的有效成分,這些有效成分可以將原始信號(hào)按照由高頻到低頻的特征信息表現(xiàn)出來(lái);但是沒(méi)有專(zhuān)家豐富的基礎(chǔ)知識(shí),其仍然不能直接識(shí)別出是否出現(xiàn)了故障。

因此,筆者結(jié)合改進(jìn)的ResNet可高效地自動(dòng)提取多尺度特征信息,對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行端對(duì)端的高精度故障分類(lèi)診斷工作。

1 基于特征融合的ResNet診斷模型

根據(jù)分解出來(lái)的不同頻率成分下的時(shí)頻信號(hào),可辨別出不同的故障類(lèi)型;同時(shí),經(jīng)EMD、VMD分解出來(lái)的有效分量,由高頻到低頻的每一條有效模態(tài)分量代表原始信號(hào)的某一頻率成分的特征。

筆者將代表不同原始信號(hào)特征的模態(tài)分量進(jìn)行拼接、融合,形成新的特征樣本數(shù)據(jù)。該方法可將原始信號(hào)的特征表達(dá)得更全面、多樣,便于輸入到ResNet中,使其更加容易識(shí)別出故障信息,提高故障診斷的精度。

基于EMD、VMD特征融合的ResNet故障診斷模型如圖1所示。

圖1 EMD、VMD特征融合的ResNet故障診斷模型

該模型的診斷步驟為:

1)利用EMD、VMD方法分別對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分解,得到不同的模態(tài)分量IMF;

2)根據(jù)方差貢獻(xiàn)率和相關(guān)系數(shù)篩選有效分量,對(duì)有效特征的分量進(jìn)行融合,形成新的數(shù)據(jù)樣本;

3)將融合后的數(shù)據(jù)樣本輸入到ResNet中,對(duì)其進(jìn)行端對(duì)端的故障識(shí)別與診斷工作。

1.1 EMD算法

EMD算法的本質(zhì)是無(wú)需設(shè)置任何預(yù)定的目標(biāo)函數(shù),依據(jù)振動(dòng)信號(hào)自身的時(shí)間尺度特征進(jìn)行自適應(yīng)地分解,最終篩選出多個(gè)IMF分量[9],其算法流程如圖2所示。

圖2 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)算法流程

1.2 VMD算法

VMD作為一種信號(hào)分析估計(jì)方法,目前已被廣泛應(yīng)用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)和智能診斷領(lǐng)域,可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的信號(hào)處理功能[10]。

與EMD方法不同的是,VMD是一種完全非遞歸分解方法,其基本思路是將原始振動(dòng)信號(hào)按照實(shí)際分析需求,自適應(yīng)地將其分解成具有特別頻率中心和有限帶寬的模態(tài)分量[11]。

1.3 基于EMD和VMD的特征融合

在滾動(dòng)軸承實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中所采集的振動(dòng)信號(hào)是復(fù)雜的,雖然原始時(shí)域波形代表了滾動(dòng)軸承最原始的狀態(tài)信息,但筆者直接將原始信號(hào)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行端對(duì)端的故障診斷時(shí),發(fā)現(xiàn)其存在特征識(shí)別度低、診斷精度低等問(wèn)題。無(wú)論是時(shí)域分析法還是頻域分析法只能整體表達(dá)信號(hào)的信息,無(wú)法表達(dá)信號(hào)的局部特征。

因此,筆者根據(jù)時(shí)頻分析法,利用EMD、VMD分解原始信號(hào),將其分解成由高頻至低頻的不同特征分量,這些分量分別代表某一頻率下的特征信息。通過(guò)串聯(lián)拼接的方式,按照由高頻到低頻的順序?qū)⒏饔行B(tài)分量融合成多倍擴(kuò)容的一維向量T:

T=[imf1,imf2,imf3,…imfn]

(1)

式中:imf為篩選出的表達(dá)原始信號(hào)局部特征信息的有效模態(tài)分量。

對(duì)于不同工況下的振動(dòng)信號(hào),融合后的特征向量包含可表達(dá)原始信號(hào)的局部特征信息:時(shí)域特征、頻域特征以及時(shí)頻域特征。

筆者將融合后的特征向量輸入到ResNet網(wǎng)絡(luò)中,其可自動(dòng)識(shí)別并提取特征向量T中的融合特征。

對(duì)于不同工況、不同故障頻率,不用人為提取時(shí)域指標(biāo)特征(均值、峭度值、均方根等),也不用進(jìn)行頻域分析,可直接對(duì)其進(jìn)行故障診斷,該方法有利于提高故障診斷的速度以及結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

2.1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)是一種典型的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其可自動(dòng)提取多尺度特征信息[12],一般由輸入層、卷積層、池化層和全連接層組成。

傳統(tǒng)CNN模型[13]是5層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)模型如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)CNN網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

該模型包括2個(gè)卷積層、3個(gè)全連接層。卷積層中使用非線性整流函數(shù)(rectified linear unit,ReLU)作為激活函數(shù),筆者提出隨機(jī)失活(Dropout)方法防止過(guò)擬合,傳統(tǒng)CNN主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 傳統(tǒng)CNN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)置

2.2 深度殘差網(wǎng)絡(luò)模型

深度殘差網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)CNN的主要區(qū)別在于其使用了殘差塊,可以根據(jù)需要靈活使用殘差塊個(gè)數(shù)及殘差塊的結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)跳躍連接目的,解決了傳統(tǒng)CNN網(wǎng)絡(luò)特征難提取的問(wèn)題;且殘差塊通過(guò)跨層數(shù)據(jù)通路,跳過(guò)卷積運(yùn)算,將輸入直接加在激活函數(shù)前,因此可以有效地避免梯度消失和梯度爆炸的問(wèn)題[14,15]。

筆者設(shè)計(jì)的一維ResNet網(wǎng)絡(luò)模型基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 深度殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型基本結(jié)構(gòu)

由圖4可以看出:相比于傳統(tǒng)CNN模型,該深度殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是由8個(gè)不同的的殘差塊堆疊而成。每個(gè)殘差塊由不同的卷積層、規(guī)范化層(batch normalization,BN)和激活函數(shù)ReLU組成。

利用BN和平均池化方法可進(jìn)行正則化,防止網(wǎng)絡(luò)過(guò)深產(chǎn)生過(guò)擬合現(xiàn)象[16],并達(dá)到加速訓(xùn)練、節(jié)省時(shí)間的目的。

深度殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 深度殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)置

3 故障診斷試驗(yàn)

筆者設(shè)置了兩種不同的數(shù)據(jù)集對(duì)上述模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證:

1)美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)軸承數(shù)據(jù)中心提供的開(kāi)源數(shù)據(jù)集,利用開(kāi)源數(shù)據(jù)集對(duì)其進(jìn)行有效性驗(yàn)證,同時(shí)將其與不同的數(shù)據(jù)處理方法相對(duì)比,驗(yàn)證其優(yōu)越性;

2)大連交通大學(xué)雙列圓錐滾子軸承振動(dòng)質(zhì)量動(dòng)態(tài)分析試驗(yàn)臺(tái)采集的數(shù)據(jù)集,利用滾動(dòng)軸承實(shí)例數(shù)據(jù)集進(jìn)一步驗(yàn)證其泛化能力。

3.1 開(kāi)源數(shù)據(jù)集試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

筆者采用美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)提供的開(kāi)源數(shù)據(jù)集(該數(shù)據(jù)集被廣泛用于軸承故障診斷試驗(yàn))。試驗(yàn)軸承為SKF6205深溝球軸承,通過(guò)電火花放電的方式造成滾動(dòng)體、外圈、內(nèi)圈各3種故障,其故障直徑依次為0.177 8 mm、0.355 6 mm、0.533 4 mm,電機(jī)近似轉(zhuǎn)速1 797 r/min,采樣頻率為12 kHz。

外加正常工況共計(jì)10種不同工況,如表3所示。

表3 滾動(dòng)軸承10類(lèi)工況

3.1.2 分解信號(hào)篩選有效分量

筆者將上文各工況下的軸承數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,并以2 048個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為一個(gè)樣本,去分割振動(dòng)信號(hào),共計(jì)3 189個(gè)樣本集;再利用EMD和VMD方法去分解樣本,得到多個(gè)IMF分量。

以正常工況樣本為例,原始數(shù)據(jù)和經(jīng)EMD分解的各個(gè)IMF分量的時(shí)域波形圖如圖5所示。

圖5 正常工況EMD分解圖

原始數(shù)據(jù)和經(jīng)VMD分解的各個(gè)IMF分量的時(shí)域波形圖如圖6所示。

圖6 正常工況VMD分解圖

由圖(5)和圖(6)可以看出:各IMF分量與原始信號(hào)的相關(guān)程度不同,每一個(gè)IMF分量代表了原始信號(hào)中存在的一種內(nèi)涵模態(tài)分量,最后一階分量為殘差。由于信號(hào)成分復(fù)雜、VMD分解參數(shù)選擇等因素,導(dǎo)致分解結(jié)果中存在虛假分量[17]。因此,筆者根據(jù)相關(guān)系數(shù)和方差貢獻(xiàn)率來(lái)確定有效分量,剔除與故障特征無(wú)關(guān)的分量。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]可知相關(guān)系數(shù)大小所代表的相關(guān)程度高低,如表4所示。

表4 相關(guān)系數(shù)程度表

經(jīng)VMD分解后的各分量與原始數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)如表5所示。

表5 VMD各分量與原始數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)表

經(jīng)VMD分解后的各分量與原始數(shù)據(jù)的方差貢獻(xiàn)率如表6所示。

表6 VMD各分量方差貢獻(xiàn)率表

經(jīng)EMD分解后的各分量與原始數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)如表7所示。

表7 EMD各分量與原始數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)表

經(jīng)EMD分解后的各分量與原始數(shù)據(jù)的方差貢獻(xiàn)率如表8所示。

表8 EMD各分量方差貢獻(xiàn)率表

從表(5)和表(7)可以看出:在各工況下,原始數(shù)據(jù)經(jīng)VMD、EMD分解后,前兩階IMF分量與原始信號(hào)的相關(guān)系數(shù)均大于0.3。由此可以初步判斷出經(jīng)VMD、EMD分解出的前兩階分量為有效分量。

從表6可以看出:原始數(shù)據(jù)經(jīng)VMD分解后,前兩階分量的方差貢獻(xiàn)率大于0.01,且大于其平均值0.125。

同樣,從表8可以看出:經(jīng)EMD分解的前兩階分量的方差貢獻(xiàn)率均大于其平均值0.125。

綜合表(5)～表(8)最終確定:經(jīng)VMD、EMD分解出的分量中,有效分量為前兩階,IMF1和IMF2。

筆者將上述篩選出的有效分量進(jìn)行特征融合,形成新的數(shù)據(jù)樣本,提取出了更為有效的特征信息,并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)擴(kuò)容和數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的;同時(shí),抑制了因分解原始信號(hào)導(dǎo)致的模態(tài)混疊和端點(diǎn)效應(yīng),使提取的故障信息更有效、更全面,也解決了滾動(dòng)軸承因?qū)嶋H工作環(huán)境惡劣而導(dǎo)致的故障特征難提取的問(wèn)題。

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比分析

1)深度殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷結(jié)果與分析

為了說(shuō)明數(shù)據(jù)處理方法的有效性,筆者將其與不同數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)反復(fù)訓(xùn)練學(xué)習(xí),選用最大值為0.001的余弦退火學(xué)習(xí)率,該學(xué)習(xí)率為周期循環(huán)學(xué)習(xí)率,周期為50,批量大小為8,迭代周期為100。

特征融合后數(shù)據(jù)樣本的訓(xùn)練集、測(cè)試集、損失值隨訓(xùn)練迭代次數(shù)的變化,如圖7所示。

圖7 融合特征網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果

由圖7可以看出:在前40個(gè)迭代周期內(nèi),損失值下降很快,且訓(xùn)練精度達(dá)到了95%以后,再經(jīng)過(guò)100次迭代,2條準(zhǔn)確率曲線都逐漸趨于平穩(wěn),達(dá)到完全收斂,測(cè)試集的準(zhǔn)確率為99.8%,損失值為0.025。

筆者將原始數(shù)據(jù)輸入ResNet網(wǎng)絡(luò)模型中進(jìn)行分類(lèi),概率混淆矩陣如圖8所示。

圖8 原始數(shù)據(jù)的分類(lèi)結(jié)果

由圖8可知:將未經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)融合的原始數(shù)據(jù)輸入ResNet模型中,其分類(lèi)精度較差,僅正常工況的能被完全識(shí)別出,其他工況均有較大誤差,總體準(zhǔn)確度為91.3%。

筆者將經(jīng)EMD分解并融合有效分量的數(shù)據(jù),輸入ResNet網(wǎng)絡(luò)模型中進(jìn)行分類(lèi),概率混淆矩陣如圖9所示。

圖9 EMD分解重構(gòu)數(shù)據(jù)的分類(lèi)結(jié)果

從圖9可以看出:其結(jié)果優(yōu)于原始數(shù)據(jù)的分類(lèi)結(jié)果,總體準(zhǔn)確度達(dá)到96.5%。

筆者將經(jīng)VMD分解并融合有效分量的數(shù)據(jù),輸入ResNet網(wǎng)絡(luò)模型中進(jìn)行分類(lèi),概率混淆矩陣如圖10所示。

圖10 VMD的分類(lèi)結(jié)果

從圖10可以看出:總體準(zhǔn)確度達(dá)到98.5%,但仍然有多個(gè)工況存在較大誤差。

筆者將經(jīng)EMD、VMD分解并融合有效分量的數(shù)據(jù),輸入ResNet網(wǎng)絡(luò)模型中進(jìn)行分類(lèi)。

概率混淆矩陣如圖11所示。

圖11 特征融合的分類(lèi)結(jié)果

從圖11可以看出:總體準(zhǔn)確度達(dá)到99.8%,僅有一個(gè)樣本被錯(cuò)誤分類(lèi),且其訓(xùn)練速度最快,損失值最小。

根據(jù)不同數(shù)據(jù)樣本的概率混淆矩陣圖可以看出:其他數(shù)據(jù)樣本對(duì)于故障類(lèi)別分類(lèi)都有明顯偏差,而特征融合后的數(shù)據(jù)樣本僅在滾動(dòng)體故障上有極小的偏差。因此,在故障信息的提取和識(shí)別方面,筆者提出的方法更為有效。

基于不同數(shù)據(jù)處理方法,樣本在ResNet網(wǎng)絡(luò)模型中的訓(xùn)練結(jié)果,如表9所示。

表9 不同數(shù)據(jù)樣本的故障診斷結(jié)果

從表9可以看出:經(jīng)過(guò)特征融合的數(shù)據(jù)樣本的準(zhǔn)確率達(dá)到99.8%,高于其他數(shù)據(jù)樣本的準(zhǔn)確率,且損失值最小,訓(xùn)練速度最快,證明了特征融合后,能夠提高滾動(dòng)軸承故障診斷正確率。

2)與傳統(tǒng)CNN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)診斷結(jié)果對(duì)比分析

為了進(jìn)一步說(shuō)明ResNet網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)勢(shì),筆者選擇對(duì)比傳統(tǒng)CNN網(wǎng)絡(luò),將相同的EMD和VMD分解融合的數(shù)據(jù)樣本輸入傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。

CNN網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果如圖12所示。

圖12 CNN網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果

從圖12的CNN網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果可以看出:與ResNet網(wǎng)絡(luò)模型相比,其收斂速度慢,且測(cè)試集的準(zhǔn)確率僅達(dá)到90%,損失值大;通過(guò)混淆矩陣得知,僅正常工況的分類(lèi)準(zhǔn)確度達(dá)到100%,其余工況的分類(lèi)準(zhǔn)確度均有誤差。

通過(guò)以上對(duì)比分析可知:與傳統(tǒng)CNN相比,無(wú)論是準(zhǔn)確度還是收斂速度,深度殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都有更大的優(yōu)勢(shì),且損失值更低,訓(xùn)練效率更高。因此,筆者設(shè)計(jì)的ResNet網(wǎng)絡(luò)對(duì)滾動(dòng)軸承故障的診斷更有效。

3.2 故障模擬試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法在實(shí)際應(yīng)用中的有效性、可行性,以及ResNet網(wǎng)絡(luò)模型的泛化能力,筆者設(shè)計(jì)了軸承故障模擬試驗(yàn),除正常工況外,另外設(shè)置了外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體這3種故障,共4種工況。

軸承試驗(yàn)平臺(tái)如圖13所示。

所測(cè)軸承是353130B的雙列圓錐滾子軸承,筆者利用試驗(yàn)臺(tái)側(cè)面的振動(dòng)加速度傳感器采集信號(hào),采樣頻率為20 kHz,轉(zhuǎn)速為900 r/min。

試驗(yàn)軸承基本參數(shù)如表10所示。

表10 試驗(yàn)軸承尺寸表

按照2 048個(gè)采樣點(diǎn)為一個(gè)數(shù)據(jù)樣本,筆者對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分割;同時(shí),為防止數(shù)據(jù)的重復(fù)疊加使用影響其準(zhǔn)確度,將窗口移動(dòng)步長(zhǎng)也設(shè)置為2 048。四種工況共計(jì)生成2 560條數(shù)據(jù)樣本,隨機(jī)選取20%的數(shù)據(jù)樣本作為測(cè)試集,剩余80%作為訓(xùn)練集[18]。

筆者對(duì)2 560條樣本進(jìn)行VMD、EMD分解,同樣根據(jù)方差貢獻(xiàn)率和相關(guān)系數(shù)篩選有效分量,將融合后的數(shù)據(jù)輸入前文設(shè)計(jì)的殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,經(jīng)過(guò)100次迭代后,測(cè)試集的準(zhǔn)確率為98.3%,訓(xùn)練集的準(zhǔn)確率為97.3%。

其訓(xùn)練結(jié)果如圖14所示。

圖14 353130B軸承數(shù)據(jù)訓(xùn)練結(jié)果

結(jié)合美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)開(kāi)源數(shù)據(jù)集試驗(yàn)結(jié)果可知:筆者設(shè)計(jì)的ResNet網(wǎng)絡(luò)具有收斂速度快、準(zhǔn)確率高的特點(diǎn),進(jìn)而可以說(shuō)明,在滾動(dòng)軸承故障診斷方面,采用基于特征融合和改進(jìn)ResNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法具有較強(qiáng)的魯棒性和通用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于滾動(dòng)軸承信號(hào)非平穩(wěn)、非線性,導(dǎo)致軸承的故障信息提取困難,并且采用傳統(tǒng)故障診斷方法的診斷精度低,為此,筆者提出了一種基于特征融合和改進(jìn)ResNet的滾動(dòng)軸承故障診斷方法。

首先使用EMD和VMD方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,再根據(jù)相關(guān)系數(shù)和方差貢獻(xiàn)率,篩選出代表原始信號(hào)的有限特征分量,并進(jìn)行特征的融合,最后將其輸入ResNet網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行故障診斷;同時(shí),將該方法與傳統(tǒng)CNN網(wǎng)絡(luò)和不同數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行對(duì)比,利用美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)開(kāi)源數(shù)據(jù)集和滾動(dòng)軸承實(shí)例數(shù)據(jù)集對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。

研究結(jié)果表明:

1)采用EMD和VMD的方法分解原始信號(hào),篩選有效分量IMF,更便于表達(dá)軸承故障特征,得到更全面的故障信息,其診斷結(jié)果可以達(dá)到99.8%,優(yōu)于原始數(shù)據(jù)的診斷結(jié)果(91.3%),且收斂速度更快;

2)根據(jù)改進(jìn)ResNet網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)CNN網(wǎng)絡(luò)診斷結(jié)果的對(duì)比分析,改進(jìn)ResNet網(wǎng)絡(luò)診斷結(jié)果為99.8%,其明顯優(yōu)于CNN網(wǎng)絡(luò)診斷結(jié)果的(90%),可見(jiàn)改進(jìn)ResNet網(wǎng)絡(luò)對(duì)滾動(dòng)軸承故障的診斷更為科學(xué)有效;

3)滾動(dòng)軸承實(shí)例試驗(yàn)結(jié)果表明,原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)EMD和VMD處理后并結(jié)合ResNet網(wǎng)絡(luò),故障診斷精度達(dá)到97.3%,證明了該方法具有良好的泛化能力和較強(qiáng)的魯棒性。

鑒于ResNet網(wǎng)絡(luò)模型的最優(yōu)超參數(shù)需要反復(fù)試驗(yàn)訓(xùn)練才能確定,因此,在后續(xù)的工作中,筆者會(huì)對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)模型的超參數(shù)選擇算法進(jìn)行深入研究。