本發(fā)明涉及機(jī)械設(shè)備故障診斷領(lǐng)域，尤其涉及一種基于增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振的微弱故障信號(hào)特征提取方法。
背景技術(shù)：
：隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)科技的不斷發(fā)展，機(jī)械設(shè)備日趨大型化、高速化、自動(dòng)化、智能化。在設(shè)備組成和結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜，功能更加完善的同時(shí)，各部件間的聯(lián)系也越來(lái)越緊密，動(dòng)態(tài)行為更加復(fù)雜，從而出現(xiàn)故障的頻率和診斷難度逐漸提高。大型機(jī)械設(shè)備是動(dòng)力、機(jī)械制造、石油、冶金、發(fā)電、化工等領(lǐng)域的核心設(shè)備，一旦其中一個(gè)零部件出現(xiàn)失效或者故障將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，輕者影響生產(chǎn)、造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，重則可能導(dǎo)致人員傷亡、出現(xiàn)重大事故。因此，診斷出機(jī)械的早期故障特征對(duì)避免嚴(yán)重故障的發(fā)生，保證機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。然而，早期故障的特征本身是很微弱的，實(shí)現(xiàn)早期故障微弱特征的提取極具挑戰(zhàn)性。現(xiàn)有的微弱故障信號(hào)特征提取方法大多是從消除噪聲的角度來(lái)檢測(cè)故障特征的，但是對(duì)于強(qiáng)噪聲背景下微弱特征信號(hào)提取，一味的降噪雖然在一定程度上降低了噪聲，但也削弱了特征信號(hào)，這使得測(cè)量信號(hào)在信噪比極低的情況下難以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。隨機(jī)共振是一種利用噪聲來(lái)增強(qiáng)微弱信號(hào)的新理論，它是以噪聲為媒介引起微弱周期信號(hào)與非線性協(xié)同作用的非線性現(xiàn)象，已作為一種微弱特征提取方法，應(yīng)用到微弱信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域。與傳統(tǒng)方法相比，它在削弱噪聲的同時(shí)強(qiáng)化微弱特征，提高信噪比，實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的檢測(cè)。然而，只有在輸入信號(hào)、噪聲和非線性系統(tǒng)之間滿足一定的匹配條件，才能產(chǎn)生隨機(jī)共振現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)微弱特征的提取。實(shí)際在處理信噪比極低的微弱信號(hào)時(shí)，一般隨機(jī)共振的效果并不能達(dá)到我們的預(yù)期目標(biāo)，會(huì)對(duì)診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性造成一定的影響。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明目的在于提供一種放大微弱故障信息、方便提取信號(hào)的基于增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振的微弱故障信號(hào)特征提取方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了以下技術(shù)方案：本發(fā)明主要包括一種增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)，所述增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)由多個(gè)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)依次連接組成，且前一級(jí)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出作為下一級(jí)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸入，最后一級(jí)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出為增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出；所述方法是基于所述的增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)，給增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的各級(jí)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)分別施加一個(gè)時(shí)間尺度與增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的特征時(shí)間相匹配的第二周期驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)中產(chǎn)生隨機(jī)共振加強(qiáng)的新現(xiàn)象。所述方法的具體步驟如下：步驟1，計(jì)算待診斷機(jī)械設(shè)備的故障特征頻率，提取待診斷機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)數(shù)據(jù)作為增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸入，增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出作為振動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)果；對(duì)提取的振動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行傅里葉變換，得到振動(dòng)信號(hào)的頻譜，并確定頻譜中所含的頻率成分；步驟2，對(duì)所有的多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行最佳選取，將最佳的振動(dòng)信號(hào)引入增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)；步驟3，對(duì)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的每一級(jí)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)輸入施加匹配的第二驅(qū)動(dòng)周期信號(hào)，使增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)中產(chǎn)生隨機(jī)共振加強(qiáng)的新現(xiàn)象；步驟4，為使提取特征信號(hào)的過(guò)程更加明確，對(duì)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的每一級(jí)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)輸出信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，并獲取每個(gè)輸出信號(hào)的頻譜，觀察每一級(jí)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻譜中是否有故障特征頻率成分，根據(jù)結(jié)果判斷該機(jī)械設(shè)備是否存在故障以及發(fā)生故障的部位。進(jìn)一步的，在步驟2中，所述多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)通過(guò)Langevin方程dx/dt＝-dU(x)/dx+s(t)+η(t)進(jìn)行描述；式中，多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的勢(shì)函數(shù)U(x)是由系統(tǒng)參數(shù)b、c、d的取值共同決定，當(dāng)b、c、d取值不同時(shí)，該勢(shì)函數(shù)可能是三穩(wěn)、雙穩(wěn)和單穩(wěn)；s(t)為微弱信號(hào)；D為噪聲強(qiáng)度，ε(t)是均值為0、方差為1的白噪聲；調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)b、c、d，使系統(tǒng)參數(shù)b、c、d與輸入振動(dòng)信號(hào)達(dá)到最佳匹配并且伴隨出現(xiàn)隨機(jī)共振現(xiàn)象。進(jìn)一步的，在步驟3中，對(duì)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的每一級(jí)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)輸入施加匹配的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)，每一級(jí)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程變?yōu)閐x/dt＝-dU(x)/dx+s(t)+s1(t)+η(t)；式中，s1(t)為系統(tǒng)加入的第二驅(qū)動(dòng)周期信號(hào)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：利用多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)對(duì)時(shí)域波形降噪的優(yōu)良特性，對(duì)有噪信號(hào)進(jìn)行級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振輸出，能量逐漸由高頻向低頻轉(zhuǎn)移的同時(shí)，使信號(hào)得到降噪，使多穩(wěn)系統(tǒng)中產(chǎn)生隨機(jī)共振的現(xiàn)象得到加強(qiáng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了軸承機(jī)械故障的有效診斷。克服了強(qiáng)噪聲背景下微弱信號(hào)提取難的問(wèn)題，使被噪聲淹沒(méi)的微弱故障信息得以放大，對(duì)機(jī)械設(shè)備的早期故障診斷具有重要意義。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明方法的流程圖。圖2是原始信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。圖3是原始信號(hào)直接進(jìn)行兩級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)果圖。圖4是B＝0.04、C＝0時(shí)，二級(jí)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)輸出結(jié)果圖。圖5是B＝0.04、C＝0.08時(shí)，二級(jí)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)輸出結(jié)果圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明：本發(fā)明主要包括一種增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)，所述增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)由多個(gè)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)依次連接組成，且前一級(jí)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出作為下一級(jí)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸入，最后一級(jí)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出為增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出；所述方法是基于所述的增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)，給增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的各級(jí)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)分別施加一個(gè)時(shí)間尺度與增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的特征時(shí)間相匹配的第二周期驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)中產(chǎn)生隨機(jī)共振加強(qiáng)的新現(xiàn)象。如圖1所示，所述方法的具體步驟如下：步驟1，計(jì)算待診斷機(jī)械設(shè)備的故障特征頻率，提取待診斷機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)數(shù)據(jù)作為增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸入，增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出作為振動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)果；對(duì)提取的振動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行傅里葉變換，得到振動(dòng)信號(hào)的頻譜，并確定頻譜中所含的頻率成分；步驟2，對(duì)所有的多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行最佳選取，將最佳的振動(dòng)信號(hào)引入增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)；多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)通過(guò)Langevin方程dx/dt＝-dU(x)/dx+s(t)+η(t)進(jìn)行描述；式中，多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的勢(shì)函數(shù)U(x)是由系統(tǒng)參數(shù)b、c、d的取值共同決定，當(dāng)b、c、d取值不同時(shí)，該勢(shì)函數(shù)可能是三穩(wěn)、雙穩(wěn)和單穩(wěn)；s(t)為微弱信號(hào)；D為噪聲強(qiáng)度，ε(t)是均值為0、方差為1的白噪聲；調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)b、c、d，使系統(tǒng)參數(shù)b、c、d與輸入振動(dòng)信號(hào)達(dá)到最佳匹配并且伴隨出現(xiàn)隨機(jī)共振現(xiàn)象。選用兩級(jí)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)系統(tǒng)為例，其Langevin方程為：式中，x1(t)為第一級(jí)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的輸出信號(hào)，x2(t)為第二級(jí)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的輸出信號(hào)。步驟3，對(duì)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的每一級(jí)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)輸入施加匹配的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)，每一級(jí)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程變?yōu)閐x/dt＝-dU(x)/dx+s(t)+s1(t)+η(t)；式中，s1(t)為系統(tǒng)加入的第二驅(qū)動(dòng)周期信號(hào)。則兩級(jí)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的Langevin方程變?yōu)椋菏街校瑇1(t)和x2(t)分別是第一級(jí)和次級(jí)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)系統(tǒng)的輸出信號(hào)。Asin(2πf0)是使系統(tǒng)發(fā)生隨機(jī)共振的第一周期信號(hào)，Bsin(2πf1t)是第一級(jí)系統(tǒng)加入的第二驅(qū)動(dòng)周期信號(hào)，Csin(2πf2t)是第二級(jí)系統(tǒng)加入的第二驅(qū)動(dòng)周期信號(hào)。分別匹配B、C的值使級(jí)聯(lián)多穩(wěn)系統(tǒng)產(chǎn)生隨機(jī)共振加強(qiáng)的現(xiàn)象；步驟4，為使提取特征信號(hào)的過(guò)程更加明確，對(duì)增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的每一級(jí)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)輸出信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，并獲取每個(gè)輸出信號(hào)的頻譜，觀察每一級(jí)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻譜中是否有故障特征頻率成分，根據(jù)結(jié)果判斷該機(jī)械設(shè)備是否存在故障以及發(fā)生故障的部位。實(shí)施例一：滾動(dòng)軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架四部分組成，如果滾動(dòng)軸承發(fā)生故障，其故障頻率是可預(yù)知的。假設(shè)滾動(dòng)軸承的外圈固定，內(nèi)圈隨工作軸轉(zhuǎn)動(dòng)，工作軸轉(zhuǎn)速為N(r/min)，軸承節(jié)徑為D(mm)，滾動(dòng)體直徑為d(mm)，接觸角為β(rad)，滾動(dòng)體個(gè)數(shù)為n，則其不同故障特征頻率如下：軸承外圈有缺陷時(shí)的特征頻率：軸承內(nèi)圈有缺陷時(shí)的特征頻率：?jiǎn)蝹€(gè)滾動(dòng)體有缺陷時(shí)的特征頻率：保持架與外圈發(fā)生碰磨頻率：對(duì)于型號(hào)為SKF6205的軸承，轉(zhuǎn)速為1797r/min(29.95Hz)，采樣頻率為12kHz。該軸承的節(jié)徑為39.04mm，滾動(dòng)體直徑為7.94mm，滾動(dòng)體個(gè)數(shù)是9，接觸角是0°。對(duì)于該型號(hào)的滾動(dòng)軸承，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得到其故障特征頻率如表1所示。內(nèi)圈故障頻率162Hz外圈故障頻率107Hz滾動(dòng)體故障頻率141Hz保持架故障頻率12Hz表1軸承故障特征頻率首先，對(duì)軸承信號(hào)進(jìn)行采集，如圖2，為該軸承內(nèi)圈故障信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。從圖2(a)可見(jiàn)信號(hào)的時(shí)域波形存在明顯的周期沖擊振動(dòng)，而在頻譜圖2(b)中，頻譜能量分布在一個(gè)很寬的頻率范圍內(nèi)，且在1kHz～2kHz范圍內(nèi)具有大的譜峰群，這是軸承部件的一階固有模態(tài)振動(dòng)，但是在原始譜的低頻段看不到明顯的振動(dòng)特征。圖3為原始信號(hào)經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)系統(tǒng)后的輸出，其中1級(jí)、2級(jí)的級(jí)聯(lián)參數(shù)均為：b1＝b2＝0.52,c1＝c2＝-0.33，d1＝d2＝0.05，二次采樣頻率為6Hz。從圖3(b)和3(d)中可以看出，經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)系統(tǒng)后，原始譜中一階主振動(dòng)模態(tài)的高頻部分被完全“濾波”，頻譜中出現(xiàn)明顯的特征頻率fc，特別是通過(guò)2級(jí)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)系統(tǒng)之后，由于高頻能量不斷向低頻轉(zhuǎn)移，圖3(d)中留下來(lái)很明顯的特征頻率fc，頻譜中特征頻率的幅值從0.05793變成了0.08164，明顯增加。這說(shuō)明多穩(wěn)系統(tǒng)串聯(lián)級(jí)聯(lián)后，對(duì)原始信號(hào)達(dá)到了良好的降噪和整形效果。圖4和圖5為原始信號(hào)經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)系統(tǒng)加強(qiáng)后的輸出頻譜圖，其中1級(jí)、2級(jí)級(jí)聯(lián)參數(shù)為保持不變，二次采樣頻率仍為6Hz。圖4是在B＝0.04，C＝0時(shí)，即第一級(jí)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)加入第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)后x2(t)的頻譜圖。其中，加入的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為f1＝0.65HZ。圖5是在B＝0.04，C＝0.08時(shí)，即第一級(jí)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)和第二級(jí)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)同時(shí)加入第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)后x2(t)的頻譜圖。其中，在第二級(jí)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中加入的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為f2＝0.88HZ。在圖4中，x2(t)的頻譜幅度在fc處出現(xiàn)峰值為0.1152，比圖3增長(zhǎng)了0.033。對(duì)比圖4和圖3，說(shuō)明第二驅(qū)動(dòng)周期信號(hào)能夠增強(qiáng)隨機(jī)共振的效果。在圖5中，x2(t)的頻譜幅度在fc處的峰值為0.12，幅值比圖4大，對(duì)隨機(jī)共振進(jìn)行了再一次的增強(qiáng)。滾動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)證明了加入第二驅(qū)動(dòng)周期信號(hào)能有效加強(qiáng)隨機(jī)共振的效果。綜上所述，利用增強(qiáng)級(jí)聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的方法來(lái)提取特征微弱信號(hào)，在去除高頻噪聲的同時(shí)優(yōu)化了隨機(jī)共振的效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械故障的有效診斷。這種方法克服了強(qiáng)噪聲背景下微弱信號(hào)提取難的問(wèn)題，使被噪聲淹沒(méi)的微弱故障信息得以放大，對(duì)滾動(dòng)軸承的早期故障診斷具有重要意義。以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)確定的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3