专利摘要
本发明公开了一种基于变分模式分解滤波的包络分析方法。该方法首先利用变分模式分解方法对原始信号进行分解,然后利用数据的重排和替代操作排除分解结果中的噪声分量和趋势项,接着再采用谱峭度方法对第一次滤波后的信号进行分析,得到最优滤波器的中心频率和带宽,然后利用该滤波器对第一次滤波后的信号再进行第二次滤波,然后采用有理样条迭代平滑包络分析方法对第二次滤波后的信号进行包络分析,最后根据包络谱确定旋转机械的故障类型。本发明适合于处理复杂的旋转机械故障信号,能够准确地判定出旋转机械的故障类型,具有良好的抗噪性和鲁棒性,便于工程应用。
权利要求
1.一种基于变分模式分解滤波的包络分析方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:利用加速度传感器以采样频率fs测取旋转机械的振动信号x(k), k=1, 2, …,N,N为采样信号的长度;
步骤2:采用变分模式分解(Variational Mode Decomposition)算法将信号x(k)分解成n个分量之和,即 ,其中,ci(k)代表由变分模式分解算法得到的第i个分量;
步骤3:对ci(k)执行重排操作和替代操作,经重排操作得到的数据用cishuffle(k)表示,替代操作后得到数据用ciFTran(k)表示;
步骤4:对ci(k)、cishuffle(k)和ciFTran(k)分别执行多重分形去趋势波动分析(Multifractal Detrended Fluctuation Analysis, MFDFA),得到广义Hurst指数曲线,ci(k)的广义Hurst指数曲线用Hi(q)表示;cishuffle(k)的广义Hurst指数曲线用Hishuffle(q)表示;ciFTran(k)的广义Hurst指数曲线用HiFTran(q)表示;
步骤5:如果Hi(q) 与Hishuffle(q)或Hi(q) 与HiFTran(q)之间的相对误差小于5%,或者Hi(q) 、Hishuffle(q) 和HiFTran(q)三者都不随q而变化,则抛弃对应的ci(k)分量;
步骤6:对剩余的ci(k)分量求和,将该和记为信号经重排和替代滤波后的结果xf1(k);
步骤7:对xf1(k)执行谱峭度分析,求出信号峭度最大处所对应的中心频率f0和带宽B;
步骤8: 根据中心频率f0和带宽B对xf1(k)进行带通滤波,得到xf2(k);
步骤9:对信号xf2(k)执行有理样条迭代平滑包络分析,得到信号包络eov(k);
步骤10:对得到的信号包络eov(k)执行离散傅里叶变换得到包络谱,根据包络谱特征频率判断机器的故障类型。
2.根据权利要求1所述的一种基于变分模式分解滤波的包络分析方法,其特征在于,所述步骤3中数据重排操作包括以下步骤:
随机打乱分量ci(k)的排列顺序。
3.根据权利要求1所述的一种基于变分模式分解滤波的包络分析方法,其特征在于:所述步骤3中数据替代操作包括以下步骤:
1) 对分量ci(k)执行离散傅里叶变换,获得分量ci(k)的相位;
2) 用一组位于(-π,π)区间内的伪独立同分布数来代替分量ci(k)的原始相位;
3) 对经过相位替代后的频域数据执行离散傅里叶逆变换得到数据ciIFFT(k),求取数据ciIFFT(k)的实部。
4.根据权利要求1所述的一种基于变分模式分解滤波的包络分析方法,其特征在于:所述步骤4中MFDFA方法包括以下步骤:
1)构造xy(k)的轮廓
,
,
xy(k)代表权利要求1所述步骤4中的ci(k)或cishuffle(k)或ciFTran(k);
2)将信号轮廓
为了充分利用数据的长度,再从数据的反方向以相同的长度分段,这样一共得到2
3)利用最小二乘法拟合每段数据的多项式趋势,然后计算每段数据的方差:
4P`F)18O2626ZX3J9SV283R
Y$[`H}@AV[I7X%IJ6A_JQWC ;
4) 计算第
0R(8CJGG2TXCM$2NT2@((TH ;
5)如果xy(k)存在自相似特征,则第
当
S42M8HF%L8]B11YUNN21RY7 ;
6)对步骤5)中的公式两边取对数可得ln[
5.根据权利要求1所述的一种基于变分模式分解滤波的包络分析方法,其特征在于:所述步骤7中的谱峭度方法包括以下步骤:
1)构造一个截止频率为
2)基于
;
3)信号 经
4)分解树中第
5)计算每一个滤波器结果
6)将所有的谱峭度汇总,得到信号总的谱峭度。
6.根据权利要求1所述的一种基于变分模式分解滤波的包络分析方法,其特征在于,所述步骤9中的有理样条迭代平滑包络分析方法包括以下步骤:
1)计算信号
2)采用有理样条曲线拟合局部极值点得到包络线eov1(k);
3)对
4)第2次迭代:把
5)第i次迭代:把
6) 如果第
说明书
技术领域
本发明涉及旋转机械状态监测与故障诊断领域,具体涉及一种基于变分模式分解滤波的包络分析方法。
背景技术
包络分析技术广泛应用于齿轮和滚动轴承的故障诊断中。现有的包络分析技术有下面三个缺陷:①现有的包络分析技术或者是直接对原始信号进行分析,或者是仅对原始信号进行简单的滤波后再进行分析,因此现有的方法容易受到噪声、趋势及其它成分的干扰,从而导致现有技术的分析精度较低;②现有的包络分析技术是以Hilbert变换为基础,而Hilbert变换要求被分析的信号必须是单分量的窄带信号,否则信号的频率调制部分将要污染信号的幅值包络分析结果,但是目前待分析的信号都不严格满足单分量且窄带的条件,这样就会导致现有技术因精度不高而容易出现误判问题;③ 由传统方法得到的包络谱存在着端点效应。
发明内容
本发明要解决的问题是针对以上不足,提出一种基于变分模式分解滤波的包络分析方法,采用本发明的包络分析方法后,具有分析结果准确度和精确度高,并能准确地检测出旋转机械故障类型的优点。
为解决以上技术问题,本发明采取的技术方案如下:一种基于变分模式分解滤波的包络分析方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:利用加速度传感器以采样频率fs测取旋转机械的振动信号x(k), (k=1,2, …,N),N为采样信号的长度;
步骤2:采用变分模式分解(Variational Mode Decomposition)算法将信号x(k)分解成n个分量之和,即 ,其中,ci(k)代表由变分模式分解算法得到的第i个分量;
步骤3:对ci(k)执行重排操作和替代操作,经重排操作得到的数据用cishuffle(k)表示,替代操作后得到数据用ciFTran(k)表示;
步骤4:对ci(k)、cishuffle(k)和ciFTran(k)分别执行多重分形去趋势波动分析(Multifractal Detrended Fluctuation Analysis, MFDFA),得到广义Hurst指数曲线,ci(k)的广义Hurst指数曲线用Hi(q)表示;cishuffle(k)的广义Hurst指数曲线用Hishuffle(q)表示;ciFTran(k)的广义Hurst指数曲线用HiFTran(q)表示;
步骤5:如果Hi(q) 与Hishuffle(q)或Hi(q) 与HiFTran(q)之间的相对误差小于5%,或者Hi(q) 、Hishuffle(q) 和HiFTran(q)三者都不随q而变化,则抛弃对应的ci(k)分量;
步骤6:对剩余的ci(k)分量求和,将该和记为信号经重排和替代滤波后的结果xf1(k);
步骤7:对xf1(k)执行谱峭度分析,求出信号峭度最大处所对应的中心频率f0和带宽B;
步骤8: 根据中心频率f0和带宽B对xf1(k)进行带通滤波,得到xf2(k);
步骤9:对信号xf2(k)执行有理样条迭代平滑包络分析,得到信号包络eov(k);
步骤10:对得到的信号包络eov(k)执行离散傅里叶变换得到包络谱,根据包络谱特征频率判断机器的故障类型。
一种优化方案,所述步骤3中数据重排操作包括以下步骤:
随机打乱分量ci(k)的排列顺序。
进一步地,所述步骤3中数据替代操作包括以下步骤:
1) 对分量ci(k)执行离散傅里叶变换,获得分量ci(k)的相位;
2) 用一组位于(-π,π)区间内的伪独立同分布数来代替分量ci(k)的原始相位;
3) 对经过相位替代后的频域数据执行离散傅里叶逆变换得到数据ciIFFT(k),求取数据ciIFFT(k)的实部。
进一步地,所述步骤4中MFDFA方法包括以下步骤:
1)构造
;
2)将信号轮廓
为了充分利用数据的长度,再从数据的反方向以相同的长度分段,这样一共得到2
3)利用最小二乘法拟合每段数据的多项式趋势,然后计算每段数据的方差:
;
4) 计算第
;
5)如果
当
;
6)对步骤5)中的公式两边取对数可得ln[
进一步地,所述步骤7中的谱峭度方法包括以下步骤:
1)构造一个截止频率为
2)基于
;
3)信号 经
4)分解树中第
5)计算每一个滤波器结果 (
6)将所有的谱峭度汇总,得到信号总的谱峭度。
进一步地,所述步骤9中的有理样条迭代平滑包络分析方法包括以下步骤:
1)计算信号
2)采用有理样条曲线拟合局部极值点得到包络线eov1(k);
3)对
4)第2次迭代:把
5)第i次迭代:把
6) 如果第
本发明采用以上技术方案,与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1)利用变分模式分解对原始信号进行分解,然后利用数据的重排和替代操作排除其中的噪声和趋势分量,仅仅保留信号分量中的有用成分,从而避免了噪声和趋势分量对包络分析结果的影响,分析结果准确度和精确度高。
2)利用有理样条迭代平滑包络分析方法将信号包络与频率调制部分完全分离,能够避免频率调制部分对信号包络分析结果的影响,从而提高包络分析的精度。
3) 能够准确地检测出旋转机械的故障类型。
4) 由传统方法得到的包络谱存在端点效应,而由本发明得到的包络谱能够避免端点效应。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
附图说明
附图1为本发明实施例中本发明方法的流程图;
附图2为本发明实施例中采用低通滤波器和高通滤波器对信号进行初步分解的示意图;
附图3为本发明实施例中采用树状滤波器结构快速计算谱峭度的示意图;
附图4为本发明实施例中具有内圈故障的滚动轴承振动信号;
附图5为本发明实施例中采用传统包络分析方法对内圈故障滚动轴承振动信号的分析结果;
附图6为本发明实施例中本发明对内圈故障滚动轴承振动信号的分析结果;
附图7为本发明实施例中具有外圈故障的滚动轴承振动信号;
附图8为本发明实施例中采用传统包络分析方法对外圈故障滚动轴承振动信号的分析结果;
附图9为本发明实施例中本发明对外圈故障滚动轴承振动信号的分析结果。
具体实施方式
实施例,如图1、图2、图3所示,一种基于变分模式分解滤波的包络分析方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:利用加速度传感器以采样频率fs测取旋转机械的振动信号x(k), (k=1,2, …,N),N为采样信号的长度;
步骤2:采用变分模式分解(Variational Mode Decomposition)算法将信号x(k)分解成n个分量之和,即 ,其中,ci(k)代表由变分模式分解算法得到的第i个分量,变分模式分解已公知,见文献
Konstantin Dragomiretskiy, Dominique Zosso. Variational ModeDecomposition, IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING, 2014, 62(3) : 531-544;本例中,设置模态数目为10;
步骤3:对ci(k)执行重排操作和替代操作,经重排操作得到的数据用cishuffle(k)表示,替代操作后得到数据用ciFTran(k)表示;
步骤4:对ci(k)、cishuffle(k)和ciFTran(k)分别执行多重分形去趋势波动分析(Multifractal Detrended Fluctuation Analysis, MFDFA),得到广义Hurst指数曲线,ci(k)的广义Hurst指数曲线用Hi(q)表示;cishuffle(k)的广义Hurst指数曲线用Hishuffle(q)表示;ciFTran(k)的广义Hurst指数曲线用HiFTran(q)表示;
步骤5:如果Hi(q) 与Hishuffle(q)或Hi(q) 与HiFTran(q)之间的相对误差小于5%,或者Hi(q) 、Hishuffle(q) 和HiFTran(q)三者都不随q而变化,则抛弃对应的ci(k)分量;
步骤6:对剩余的ci(k)分量求和,将该和记为信号经重排和替代滤波后的结果xf1(k);
步骤7:对xf1(k)执行谱峭度分析,求出信号峭度最大处所对应的中心频率f0和带宽B;
步骤8: 根据中心频率f0和带宽B对xf1(k)进行带通滤波,得到xf2(k);
步骤9:对信号xf2(k)执行有理样条迭代平滑包络分析,得到信号包络eov(k);
步骤10:对得到的信号包络eov(k)执行离散傅里叶变换得到包络谱,根据包络谱特征频率判断机器的故障类型。
步骤3中数据重排操作包括以下步骤:
随机打乱分量ci(k)的排列顺序。
步骤3中数据替代操作包括以下步骤:
1) 对分量ci(k)执行离散傅里叶变换,获得分量ci(k)的相位;
2) 用一组位于(-π,π)区间内的伪独立同分布数来代替分量ci(k)的原始相位;
3) 对经过相位替代后的频域数据执行离散傅里叶逆变换得到数据ciIFFT(k),求取数据ciIFFT(k)的实部。
步骤4中MFDFA方法包括以下步骤:
1)构造
;
2)将信号轮廓
为了充分利用数据的长度,再从数据的反方向以相同的长度分段,这样一共得到2
3)利用最小二乘法拟合每段数据的多项式趋势,然后计算每段数据的方差:
;
4) 计算第
;
5)如果
当
;
6)对步骤5)中的公式两边取对数可得ln[
步骤7中的谱峭度方法包括以下步骤:
1)构造一个截止频率为
2)基于
;
3)信号 经
4)分解树中第
5)计算每一个滤波器结果 (
6)将所有的谱峭度汇总,得到信号总的谱峭度。
步骤9中的有理样条迭代平滑包络分析方法包括以下步骤:
1)计算信号
2)采用有理样条曲线拟合局部极值点得到包络线eov1(k);
3)对
4)第2次迭代:把
5)第i次迭代:把
6) 如果第
试验1,利用具有内圈故障的滚动轴承振动数据对本发明所述算法的性能进行验证。
实验所用轴承为6205-2RS JEM SKF,利用电火花加工方法在轴承内圈上加工深度为0.2794mm、宽度为0.3556mm的凹槽来模拟轴承内圈故障,本实验负载约为0.7457kW,驱动电机转频约为29.5Hz,轴承内圈故障特征频率约为160Hz,采样频率为4.8KHz,信号采样时长为1s。
采集到的内圈故障信号如图4所示。
首先采用传统的包络分析方法对图4所示的信号进行分析,得到的分析结果如图5所示。从图5可以看出,轴承的故障特征完全被掩盖,因此传统的包络分析方法不能有效地提取轴承的故障特征;此外,从图5可以看出,包络谱的左端点存在着异常高值,这说明由传统方法得到的包络谱存在着端点效应。
采用本发明所提出的方法对图4所示的信号进行分析,得到的分析结果如图6所示。从图6可以看出,160Hz和320Hz所对应的谱线明显高于其它谱线,这两个频率分别对应轴承内圈故障特征频率的1倍频和2倍频,据此可以判断轴承具有内圈故障;从图6可以看出,由本发明得到包络谱没有端点效应。
经多次实验表明,在负载和故障尺寸深度不变的情况下,本发明能够可靠识别的最小内圈故障尺寸宽度约为0.22 mm,而传统方法能够可靠识别的最小内圈故障尺寸宽度约为0.53mm,精度提高58.5%。
试验2,利用具有外圈故障的滚动轴承振动数据对本发明所述算法的性能进行验证。
实验所用轴承为6205-2RS JEM SKF,利用电火花加工方法在轴承外圈上加工深度为0.2794mm、宽度为0.5334mm的凹槽来模拟轴承外圈故障,本实验负载约为2.237 kW,驱动电机转频约为28.7Hz,轴承外圈故障特征频率约为103Hz,采样频率为4.8KHz,信号采样时长为1s。
采集到的外圈故障信号如图7所示。
首先采用传统的包络分析方法对图7所示的信号进行分析,得到的分析结果如图8所示。从图8可以看出,轴承的故障特征完全被掩盖,因此传统的包络分析方法不能有效地提取轴承的故障特征;此外,从图8可以看出,包络谱的左端点存在着异常高值,这说明由传统方法得到的包络谱存在着端点效应。
采用本发明所提出的方法对图7所示的信号进行分析,得到的分析结果如图9所示。从图9可以看出,103Hz和206Hz所对应的谱线明显高于其它谱线,这两个频率分别对应轴承外圈故障特征频率的1倍频和2倍频,据此可以判断轴承具有外圈故障;从图9可以看出,由本发明得到包络谱没有端点效应。。
经多次实验表明,在负载和故障尺寸深度不变的情况下,本发明能够可靠识别的最小外圈故障尺寸宽度约为0.28mm,而传统方法能够可靠识别的最小外圈故障尺寸宽度约为0.68mm,精度提高58.8%。
根据试验结果,分析后认为:
1) 传统的包络分析方法直接对原始信号进行包络分析,或者对仅经过简单处理后的原始信号进行包络分析,与传统的包络分析方法不同,本发明首先利用变分模式分解对原始信号进行分解,然后利用数据的重排和替代操作排除其中的噪声和趋势分量,仅仅保留信号分量中的有用成分,从而避免了噪声和趋势分量对包络分析结果的影响,提高了准确度和精确度。
2) 传统的包络分析方法以Hilbert变换为基础,而Hilbert变换要求被分析的信号必须是单分量的窄带信号,否则信号的频率调制部分将要污染信号的包络分析结果,但是目前待分析的信号都不严格满足单分量且窄带的条件,这样就会导致现有技术因精度不高而容易出现误判问题,与传统包络分析方法不同,本发明利用有理样条迭代平滑包络分析方法将信号包络与频率调制部分完全分离,能够避免频率调制部分对信号包络分析结果的影响,从而提高包络分析的精度。
3)能够准确地检测出旋转机械的故障类型。
4) 由传统方法得到的包络谱存在端点效应,而由本发明得到的包络谱能够避免端点效应。
本领域技术人员应该认识到,上述的具体实施方式只是示例性的,是为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明内容,不应理解为是对本发明保护范围的限制,只要是根据本发明技术方案所作的改进,均落入本发明的保护范围。
一种基于变分模式分解滤波的包络分析方法专利购买费用说明
Q:办理专利转让的流程及所需资料
A:专利权人变更需要办理著录项目变更手续,有代理机构的,变更手续应当由代理机构办理。
1:专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2:按规定缴纳著录项目变更手续费。
3:同时提交相关证明文件原件。
4:专利权转移的,变更后的专利权人委托新专利代理机构的,应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A:(1)直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,(2)通过代办处缴纳,(3)通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q:专利转让变更,多久能出结果
A:著录项目变更请求书递交后,一般1-2个月左右就会收到通知,国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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