匹配追踪算法的优化及其在滚动轴承故障诊断中的应用

发布时间：2019-07-24 20:33

【摘要】：随着现代化工业大生产的不断发展和科学技术水平的日益进步,机械设备不断向大型化、连续化、高速化、重载化和智能化等方向发展。这些发展极大地降低了生产成本、提高了生产效率和产品的设计、制造及服务速度。然而,生产设备一旦发生故障或故障得不到及时排除,就可能影响整个生产过程,不仅会影响企业的生产效率、造成经济损失,而且会增加企业的维护和修缮成本,严重时甚至造成人员伤亡,给社会带来不良影响。因此,如何准确有效可靠地针对机械设备开展状态监测和故障诊断工作,避免设备恶性突发事故是当前迫切需要解决的问题。在机械设备故障诊断过程中,如何有效地去噪、提取故障特征信息,是故障诊断的关键问题。常见的去噪方法有最优估计法和基于小波变换的门限法以及谱相减方法等,这些方法在一定范围内都实现了信号去噪,但它们都依赖于信号或噪声的统计特性。实际应用中往往无法先验获知信号或噪声的统计特性,因此这些方法的应用受到限制。基于匹配追踪(MP)算法的信号稀疏分解是一种自适应的信号分解与表示方法,这种去噪方法不仅可以有效去噪,不会损伤有效波,而且不需要先验地获取信号和噪声的统计特性,能够应用于各种不同模型的信号,所以得到了广泛的应用。将基于MP算法的去噪方法应用到故障诊断中来,可以有效的去噪,对去噪后信号进行处理,可以更好的分析出机械设备的故障情况,提高诊断的有效性和可靠性。MP算法存在的最大不足就是需要计算机内存较大,并且运算量过大,运算起来非常耗时,只有将其进行一定的优化,才能更好的应用到故障诊断中来。本论文对MP算法进行优化改进,并将基于MP算法的去噪方法应用到滚动轴承的故障诊断中来,在国家自然科学基金重点项目(批准号: 51035007)“关键设备故障预示与运行安全保障的新理论和新方法”的资助下开展研究,研究工作主要包括以下几个方面: (1)介绍了信号稀疏分解和MP算法的基本理论,利用差分进化算法来求得MP算法的每一步分解的最佳原子,使得MP算法得到优化,解决了MP算法需要计算机内存大和运算量过大的问题,提高了运算速度,并且通过MP算法去噪之后的信号具有较好质量; (2)介绍了包络谱分析和STFT、WVD、CWD时频分析的理论,提出了MP算法在滚动轴承故障诊断中的应用方法,即:先对滚动轴承的振动信号进行MP去噪处理,再利用包络谱分析和时频分析进行信号处理,得到故障频率,并将该频率与滚动轴承的特征通过频率比较来确定轴承的故障情况。最后通过对滚动轴承内圈和外圈点蚀故障的仿真信号进行分析来说明该方法的有效性。 (3)利用数据采集设备,在轴承试验台上采集到滚动轴承的内圈、外圈、滚动体等故障信号,利用MP算法在滚动轴承故障诊断中的应用方法,对滚动轴承的各种故障振动信号进行分析,诊断出轴承的故障情况,并验证MP去噪的可靠性和有效性; (4)研究开发了一套系统,实现MP算法在滚动轴承故障诊断中的应用。系统的硬件包括有加速度传感器、NI-USB9234采集器和笔记本电脑。系统的软件是在LabVIEW虚拟仪器平台上开发的,软件系统包括数据采集模块、历史数据查询模块、原始信号分析模块、匹配追踪算法实现模块、生成报表模块。做到了数据采集、存储、读取和处理等一体化,实现了MP去噪理论在滚动轴承故障诊断中的应用。
【图文】：

mg 0 到 M 1进行求和，得：10,Mm Mm mmf R f g g R fg g = ∑ +进行求和得：12220,mMMmmf R f g R fg = ∑ + 趋于无穷时，mR f 将按指数收敛于 0。信号可0,Mmm mmf R f g gg g=≈ ∑ 得知，信号 MP 分解的过程可以用图 2-1 形象的原子的线性组合后，用这样的线性组合表示信选的最佳原子满足公式(2-7)或(2-8)，所以分解已经证明[25]，在信号长度有限的情况下，|| kR f

匹配追踪算法的优化及其在滚动轴承故障诊断中的应用

功率大小来判断轴承的好坏。一般来说，带通滤波器的中心频率和带通截止频率应根据轴承的类型及尺寸等进行相应调整，以达到最佳效果。③高频段(5~10kHz)。由于在轴承（疲劳剥落）故障所引起的冲击振动，很大部分的冲击能量分布在高频段，因此，，可以利用加速度传感器的谐振或专门设计的谐振电路来放大或增强由于冲击而形成的衰减振动信号，以获得早期诊断信息。总体上讲，高频段中的信号经谐振放大后，富含信息，为有效的、准确的诊断提供了较好的依据。后面介绍的瑞典的冲击脉冲（SPM）和美国的 IFD 方法均是采用这个频段。2)冲击脉冲法(SPM 法)冲击脉冲（SPM Shock Pulse Method）法是一种用于提取滚动轴承在运转中的冲击能量的方法。当轴承受到损伤后，如疲劳剥落、裂纹、磨损及表面划伤等，在运转过程中就会产生冲击振动。由于阻尼的作用，这是一种衰减性的振动。研究结果表明，这种振动中冲击的强弱反映了轴承在一定转速下的故障大小程度。冲击脉冲法(SPM)就是基于这个基本原理。首先让信号经过 5kHz～10kHz 中心频率的带通滤波器滤波，然后再利用传感或谐振电路之谐振放大特点，提取冲击能量或折算成脉冲值。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH165.3

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