一種基于廣義極值形態(tài)濾波的機(jī)械故障檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明專利涉及一種基于廣義極值形態(tài)濾波的機(jī)械故障檢測方法，屬于機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷【技術(shù)領(lǐng)域】；本發(fā)明首先均值化觀測振動信號，根據(jù)信號的局部極大值極小值確定結(jié)構(gòu)元素的高度HL和長度KL集合構(gòu)造多結(jié)構(gòu)廣義開-閉極大和閉-開極小組合形態(tài)濾波器（GOCMax-GCOMin-CMF）；隨后進(jìn)行濾波處理；接著使用多維字空間聚類方法估計源數(shù)目個數(shù)及混合矩陣，進(jìn)而運(yùn)用加權(quán)最小化范數(shù)理論優(yōu)化算法估計源信號；最終分析分離信號的包絡(luò)解調(diào)譜，進(jìn)行故障判斷；該方法在無需知源數(shù)目個數(shù)情況下，能實現(xiàn)軸承復(fù)合故障欠定盲提取。
【專利說明】一種基于廣義極值形態(tài)濾波的機(jī)械故障檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及一種基于廣義極值形態(tài)濾波的機(jī)械故障檢測方法，通過振動信號監(jiān)測提取、分離故障特征信息，屬于機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)現(xiàn)場中復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和多干擾源使得傳感器接收到的觀測信號往往是一個復(fù)雜混合過程的結(jié)果，待識別故障源信號與其他各種信號混雜在一起。因此，需要抑制這些干擾或噪聲，以期準(zhǔn)確的提取機(jī)械故障信號進(jìn)行診斷。現(xiàn)場拾取的觀測信號表現(xiàn)出典型的非平穩(wěn)性及高頻調(diào)制特性，而形態(tài)濾波作為一種非線性濾波技術(shù)，可以有效的提高信號的邊緣輪廓、形態(tài)特征及抑制背景噪聲。經(jīng)對現(xiàn)有形態(tài)濾波技術(shù)在機(jī)械故障診斷領(lǐng)域應(yīng)用相關(guān)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，沈長青等在《振動與沖擊》(2013年32卷第2期)上發(fā)表的“基于EEMD和改進(jìn)形態(tài)濾波方法的軸承故障診斷研究”，該文為了同時去除信號中正、負(fù)兩種噪聲，通常采用形態(tài)開、形態(tài)閉的級聯(lián)形式，MARAG0S采用相同尺寸的結(jié)構(gòu)元素，通過不同順序級聯(lián)開、閉運(yùn)算，定義了形態(tài)開-閉和閉-開濾波器:
OC(J{n)) = (/og.g)(?)和COC/0)) = (/?g°g)(?),公式中°.和.分別表示形態(tài)開和形態(tài)
閉運(yùn)算，為了抑制統(tǒng) 計偏倚，通常采用形態(tài)開-閉(OC)和閉-開(CO)平均組合濾波器:
y(n) = [0C(f(n) + C0(/(n)]f2o
[0003]該方法采用單一結(jié)構(gòu)元素對信號進(jìn)行降噪，而相同尺寸的結(jié)構(gòu)元素將導(dǎo)致濾波器輸出的嚴(yán)重偏倚，因為形態(tài)開閉濾波器進(jìn)行開運(yùn)算在去除正脈沖的同時增強(qiáng)了負(fù)脈沖噪聲，開-閉濾波器使用相同尺寸結(jié)構(gòu)元素閉運(yùn)算不能濾除增強(qiáng)了的負(fù)脈沖噪聲，同理閉-開濾波器也不能濾除全部的正脈沖噪聲。
[0004]并且實際工業(yè)現(xiàn)場信號往往存在多種類型噪聲信號，噪聲通常是隨機(jī)信號，所以很有必要采用多尺度多結(jié)構(gòu)元素對信號中的不同類型噪聲信號進(jìn)行濾波處理。
[0005]其次，現(xiàn)場測試時傳感器個數(shù)有限，而機(jī)械聲源數(shù)目眾多加之復(fù)合故障的存在，造成很多測試僅僅滿足觀測信號數(shù)目小于故障源數(shù)目《的欠定條件。需要抑制這些干擾和噪聲，往往需要在欠定條件下提取機(jī)械故障特征，從而進(jìn)行故障診斷。
[0006]此外，現(xiàn)有的SCA算法大多是在源數(shù)目已知的情況下通過混合矩陣估計源信號，然而工業(yè)現(xiàn)場背景噪聲強(qiáng)、干擾源多，致使在實際測試過程中故障源數(shù)目事先并不清楚。針對以上存在問題，提出了一種基于廣義極值形態(tài)濾波的機(jī)械故障檢測方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提出了一種在欠定條件下從機(jī)械振動信號中提取轉(zhuǎn)動型機(jī)械部件(如軸承、齒輪等)復(fù)合故障的檢測方法，可在未知源數(shù)目個數(shù)且傳感器數(shù)目小于故障源數(shù)目的情況下，利用機(jī)械振動信號進(jìn)行故障特征提取及診斷。
[0008]本發(fā)明的方案是:首先均值化處理觀測振動信號；計算信號的局部極大值極小值，確定結(jié)構(gòu)元素的高度扎和長度I集合；將計算的扎和I代入三角和半圓結(jié)構(gòu)元素公
式，構(gòu)造結(jié)構(gòu)元素集合1和& ;通過ft和4構(gòu)造多結(jié)構(gòu)廣義開-閉極大和閉-開極小組合
形態(tài)濾波器(GOCMax-GCOMin-CMF);隨后進(jìn)行濾波處理；接著使用多維字空間聚類方法估
計源數(shù)目個數(shù)及混合矩陣，進(jìn)而運(yùn)用加權(quán)最小化4范數(shù)理論優(yōu)化算法求取解調(diào)源信號；最
終實現(xiàn)在欠定條件下對軸承復(fù)合故障的盲提取，將復(fù)合故障信號徹底分離開來，最終分析分離信號的包絡(luò)解調(diào)譜，鎖定軸承故障類型。
[0009]本發(fā)明的具體步驟包括如下:
(O把加速度傳感器安裝在機(jī)械設(shè)備的殼體表面，拾取機(jī)械振動的觀測信號x(0 ；
(2)均值化處理步驟(1)中檢測到的振動信號-)得到信號.1lJ),根據(jù)極值的定義計算信號勿/.)的局部極大 值和極小值，根據(jù)信號相鄰峰值間隔的最大值和最小值確定三角和半圓結(jié)構(gòu)元素的長度I集合，根據(jù)信號峰值的最大值和最小值確定三角和半圓結(jié)構(gòu)元素的高度Hl集合；
(3)將步驟(2)中得到的集合氏和集合&代入三角和半圓結(jié)構(gòu)元素公式，構(gòu)造三角元素集合ft和半圓結(jié)構(gòu)元素集合g2 ;
(4)通過步驟(3)中得到的三角元素集合，和半圓結(jié)構(gòu)元素集合構(gòu)造多結(jié)構(gòu)
廣義開-閉極大和閉-開極小組合形態(tài)濾波器，具體步驟如下:設(shè)JM = Mfh MO為
步驟(1)中檢測到的振動信號功)經(jīng)均值化處理后的信號，將沿和&分別代入公式
【權(quán)利要求】
1.一種基于廣義極值形態(tài)濾波的機(jī)械故障檢測方法，其特征在于具體包括如下步驟: (O把加速度傳感器安裝在機(jī)械設(shè)備的殼體表面，拾取機(jī)械振動的觀測信號x(i).(2)均值化處理步驟(1)中檢測到的振動信號得到信號.1lf),根據(jù)極值的定義計算信號承的局部極大值和極小值，根據(jù)信號相鄰峰值間隔的最大值和最小值確定三角和半圓結(jié)構(gòu)元素的長度&集合，根據(jù)信號峰值的最大值和最小值確定三角和半圓結(jié)構(gòu)元素的高度扎集合； (3)將步驟(2)中得到的集合&和集合&代入三角和半圓結(jié)構(gòu)元素公式，構(gòu)造三角元素集合ft和半圓結(jié)構(gòu)元素集合& ; (4)通過步驟(3)中得到的三角元素集合沿和半圓結(jié)構(gòu)元素集合^構(gòu)造多結(jié)構(gòu)廣義開-閉極大和閉-開極小組合形態(tài)濾波器:設(shè)/W》二細(xì)，為步驟(1)中檢測到的振動信號讀)經(jīng)均值化處理后的信號，將.?和g2分別代入公式MO) = Hiax(Og1^g2)O))和片⑶= rmn((/_glCg2)(_ ,公式中。和·分別表示形態(tài)開和形態(tài)閉運(yùn)算，然后將4和片代入^⑷-^^⑷+片⑷’得到的^⑶即為改進(jìn)的多結(jié)構(gòu)廣義開-閉極大和閉-開極小組合形態(tài)濾波器； (5)用步驟(4)得到的多結(jié)構(gòu)廣義開-閉極大和閉-開極小組合形態(tài)濾波器對均值化處理結(jié)果.1li)進(jìn)行濾波處理得到； (6)采用濾波信號fc?估計多維子空間厶(扔，接著通過子空間厶(約估計混合矩陣； (7)進(jìn)而運(yùn)用加權(quán)最小化數(shù)理論優(yōu)化算法估計源信號Ki),將復(fù)合故障信號徹底分離開來； (8)對估計的源信號進(jìn)行包絡(luò)譜分析，最終實現(xiàn)故障診斷。
【文檔編號】G01M13/00GK103940597SQ201410136608
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月8日
【發(fā)明者】伍星, 周俊, 潘楠, 遲毅林, 劉暢, 柳小勤, 劉鳳, 謝金葵, 陳慶, 賀瑋 申請人:昆明理工大學(xué)