CN108223782B - 一种行星齿轮箱故障检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种行星齿轮箱故障检测方法,一包括如下步骤:步骤1:构建训练数据集;步骤2:计算各故障状态两两之间的高斯核函数;步骤3:计算余弦相似性度量矩阵;步骤4:计算类间分离度和类内分离度,并根据类间分离度和类内分离度计算类分离度;步骤5:降维计算;步骤6:通过步骤5选择的故障特征参数重复步骤1‑3,计算各故障状态两两之间的高斯核函数和Aij,并构建决策导向无环图支持向量机的结构;步骤7:使用决策导向无环图支持向量机的结构进行行星齿轮箱故障检测,本发明的一种行星齿轮箱故障检测方法,用于建立决策导向无环图支持向量机的结构,且使用该支持向量机的结构进行行星齿轮箱故障检测具有较高的准确率。
Description
技术领域
本发明涉及故障诊断技术领域,具体涉及一种行星齿轮箱故障检测方法。
背景技术
由于行星齿轮箱具有在一个紧凑的空间结构中能够获得高扭矩比的特性,因此被广泛应用于各种机械系统传动装置中。在风力发电领域,行星齿轮箱通常需要面对诸如负载随风速变化大、工作时间长、粉尘沙粒等问题,因此其发生故障十分频繁,并且由其引起的停机维修时间是所有故障中最长的,且维修费用很高。因此,行星齿轮箱的故障诊断得到了广泛的关注。
对于行星齿轮箱的复杂系统而言,若使用模型方法进行故障诊断,存在难以准确建模的问题。数据驱动方法中的支持向量机被认为是一种潜力大且有效的故障诊断方法,该方法采用结构风险最小化原则,利用线性不可分的数据,首先将低维数据投影到高维空间,并在该空间求解最佳分类超平面,克服了维数灾难和局部最小问题,且对故障样本的需求量较小。
但支持向量机仅仅能完成二分类问题,为能完成多分类任务,有人提出多种扩展的策略。其中,决策导向无环图支持向量机(DAG-SVM)是目前较为先进的一种支持向量机多分类扩展策略,但其在决策时存在划分偏好问题,导致不同的决策导向无环图结构,有不同的分类准确率。例如,对一个五分类问题,就有120种不同的结构,往往为了得到一个准确率高的结构图,需要不断地重复计算。
鉴于此,特提出此方明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种行星齿轮箱故障检测方法,用于建立决策导向无环图支持向量机的结构,且使用该支持向量机的结构进行行星齿轮箱故障检测具有较高的准确率。
本发明的技术方案是这样实现的:
一种行星齿轮箱故障检测方法,包括如下步骤:步骤1:模拟行星齿轮箱各种故障状态,分别采集故障数据,计算原始特征参数,构建训练数据集;步骤2:使用各故障状态的训练数据集计算各故障状态两两之间的高斯核函数;步骤3:通过步骤1计算的原始特征参数和步骤2计算得高斯核函数计算余弦相似性度量矩阵,余弦相似性度量矩阵的元素为矩阵块Aij,i和j表示故障的类数;步骤4:通过步骤3计算得矩阵块Aij分别计算类间分离度和类内分离度,并根据类间分离度和类内分离度计算类分离度;步骤5:通过步骤4计算的类分离度进行降维计算,选择故障特征参数;步骤6:通过步骤5选择的故障特征参数重复步骤1-3,计算各故障状态两两之间的高斯核函数和Aij,这里需要计算满足i<j的Aij,然后按照Aij从小到大的顺序,从根节点开始逐层构建决策导向无环图支持向量机的结构;步骤7:使用步骤6构建的决策导向无环图支持向量机的结构进行行星齿轮箱故障检测,本发明的一种行星齿轮箱故障检测方法,用于建立决策导向无环图支持向量机的结构,且使用该支持向量机的结构进行行星齿轮箱故障检测具有较高的准确率。
进一步,步骤1中,原始特征参数包括反映时域信号的幅值和能量大小的参数、反映时域信号的时间序列分布情况的参数、反映频域能量的大小的参数、反映主频带位置的变化的参数和反映频谱的分散或者集中程度的的参数,各原始特征参数可从不同的角度识别行星齿轮箱发生的故障。
进一步,步骤3中,余弦相似性度量矩阵形式的计算公式如下:
公式中n表示行星齿轮箱故障总共的类数,其中,任意一个元素为Aij,Aij的计算公式如下:
公式中m表示训练数据的个数,其中,任意一个元素为cosθ(Φ(xi a),Φ(xj b)),表示第i类故障的第a个训练数据和第j类故障的第b个训练数据之间的余弦相似性度量,a,b=1,2,3...,m。
进一步,步骤4中,类间分离度的计算公式如下:
类内分离度的计算公式如下:
类分离度的计算公式如下:
类间分离度、类内分离度和类分离度用于后续的降维计算和决策导向无环图支持向量机的结构的构建。
进一步,步骤5降维计算的具体过程如下,重复步骤1-4计算类分离度Jc,c=1,2,...,p,P表示原始特征参数的个数,c表示第c个原始特征参数,Jc表示去掉第c个原始特征参数后重复步骤1-4计算的类分离度,然后分别计算特征因子,特征因子的计算公式如下:
λc=J-Jc
然后计算特征因子的平均值,若某原始特征参数被去掉后计算的特征因子大于特征因子的平均值,则该原始特征参数被保留,作为故障特征参数,若某原始特征参数被去掉后计算的特征因子不大于特征因子的平均值,则该原始特征参数被移除,各原始特征参数可从不同的角度识别行星齿轮箱发生的故障,但是它们对于不同的故障具有不同的敏感程度,只有一部分原始特征参数是与故障紧密相关的,而另一部分原始特征参数与故障是无关的或者与其它原始特征参数相互冗余,这部分原始特征参数不仅对故障识别贡献不大,甚至还会降低故障识别正确率,因此,在构建决策导向无环图支持向量机的结构之前,进行降维计算,将与故障特征紧密相关的敏感原始特征参数选择出来,可以有效的避免维数灾害。
进一步,步骤6中,按照Aij从小到大的顺序,从根节点开始构建前d层决策导向无环图支持向量机的结构,d+1层开始任意排列即可,d的计算公式如下:
公式中n表示行星齿轮箱故障总共的类数,只对前d层决策导向无环图支持向量机的结构进行构建,可有效减少计算量,且不影响后续的故障检测准确率。
本发明的有益效果是:
(1)本发明的一种行星齿轮箱故障检测方法,用于建立决策导向无环图支持向量机的结构,且使用该支持向量机的结构进行行星齿轮箱故障检测具有较高的准确率。
(2)原始特征参数包括反映时域信号的幅值和能量大小的参数、反映时域信号的时间序列分布情况的参数、反映频域能量的大小的参数、反映主频带位置的变化的参数和反映频谱的分散或者集中程度的的参数,各原始特征参数可从不同的角度识别行星齿轮箱发生的故障。
(3)在构建决策导向无环图支持向量机的结构之前,进行降维计算,将与故障特征紧密相关的敏感原始特征参数选择出来,可以有效的避免维数灾害。
(4)只对前d层决策导向无环图支持向量机的结构进行构建,可有效减少计算量,且不影响后续的故障检测准确率。
附图说明
图1为一种行星齿轮箱故障检测方法实验装置的结构原理图;
图2为无故障状态的实验数据;
图3为缺齿故障状态的实验数据;
图4为根部断裂故障状态的实验数据;
图5为断齿故障状态的实验数据;
图6为表面磨损故障状态的实验数据;
图7为实施例一步骤6构建的决策导向无环图支持向量机的结构。
图中:1-驱动电机,2-平行齿轮箱,3-行星齿轮箱,4-制动单元。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合本发明的附图,对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述,基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例,都应当属于本申请保护的范围。
实施例一:
如图1所示,行星齿轮箱故障实验装置包括顺序连接的驱动电机1、平行齿轮箱2、行星齿轮箱3和制动单元4,在平行齿轮箱2内设有扭力传感器、两个加速度传感器和压力传感器,两个加速度传感器分别设于平行齿轮箱2的输入端和输出端。该实验装置中行星齿轮箱故障总共为5类,分别是无故障(为特殊故障)、缺齿故障、根部断裂故障、断齿故障和表面磨损故障。
按照如下步骤进行行星齿轮箱的故障检测:
步骤1:分别模拟行星齿轮箱5种故障状态,并采集故障数据,图2为无故障状态的实验数据,图3为缺齿故障状态的实验数据,图4为根部断裂故障状态的实验数据,图5为断齿故障状态的实验数据,图6为表面磨损故障状态的实验数据,图2~图6均包括由扭力传感器、两个加速度传感器和压力传感器采集得到的时域序列x(分别对应A、B、C、D)以及四幅时域序列通过傅里叶变换得到的频域序列s,将图2~6中的数据平均分割为27段,其中前18段用于构建训练数据集,后9段用于构建测试数据集。
然后通过每段时域序列x(d)和频谱序列s(e)计算原始特征参数,构建训练数据集,原始特征参数计算公式如下:
原始特征参数F1 max(x(d))
原始特征参数F2 min(x(d))
原始特征参数F3
原始特征参数F4
原始特征参数F5
原始特征参数F6
原始特征参数F7
原始特征参数F8
原始特征参数F9
原始特征参数F10
原始特征参数F11
原始特征参数F12 F1/F10
原始特征参数F13 F1/F3
原始特征参数F14 F1/F4
原始特征参数F15 F9/F4
原始特征参数F16
原始特征参数F17
原始特征参数F18
原始特征参数F19
原始特征参数F20
原始特征参数F21
原始特征参数F22
原始特征参数F23
公式中,d=1,2,...,P,P为每段时域序列的序列长度,e=1,2,...,Q,Q为每段频域序列的序列长度,f(e)为第e个频域数据的幅值,F1~F7反映了时域信号的幅值和能量大小;F8~F15反映了时域信号的时间序列分布情况;频域特征参数F16反映了频域能量的大小;F17~F20反映了主频带位置的变化;F21~F23反映了频谱的分散或者集中程度。
根据一个传感器采集的时域数据可计算得到23个特征参数,根据四个传感器采集的时域数据共计算得到92个特征参数,该92个特征参数构成1个特征向量,即1个训练数据,前18段数据共克计算得到18个训练数据,构成训练数据集。
步骤2:使用各故障状态的原始特征参数计算各故障状态两两之间的高斯核函数。步骤3:通过步骤1计算的原始特征参数和步骤2计算得高斯核函数计算余弦相似性度量矩阵,余弦相似性度量矩阵的元素为矩阵块Aij,i和j表示故障的类数,其中,余弦相似性度量矩阵形式的计算公式如下:
公式中n表示行星齿轮箱故障总共的类数,本实施例中n=5,其中,任意一个元素为Aij,Aij的计算公式如下:
公式中m表示训练数据的个数,本实施例中18,其中,任意一个元素为cosθ(Φ(xia),Φ(xj b)),表示第i类故障的第a个训练数据和第j类故障的第b个训练数据之间的余弦相似性度量,a,b=1,2,3...,m。
步骤4:通过步骤3计算得矩阵块Aij分别计算类间分离度和类内分离度,并根据类间分离度和类内分离度计算类分离度,其中,类间分离度的计算公式如下:
类内分离度的计算公式如下:
类分离度的计算公式如下:
类间分离度、类内分离度和类分离度用于后续的降维计算和决策导向无环图支持向量机的结构的构建。
步骤5:通过步骤4计算的类分离度进行降维计算,选择故障特征参数,具体降维计算如下:重复步骤1-4计算类分离度Jc,c=1,2,...,23,c表示第c个原始特征参数,Jc表示去掉第c个原始特征参数后重复步骤1-4计算的类分离度,然后分别计算特征因子,特征因子的计算公式如下:
λc=J-Jc
然后计算特征因子的平均值,若某原始特征参数被去掉后计算的特征因子大于特征因子的平均值,则该原始特征参数被保留,作为故障特征参数,若某原始特征参数被去掉后计算的特征因子不大于特征因子的平均值,则该原始特征参数被移除,本实施例中,经降维计算,选择故障特征参数为F3、F7、F8、F10、F12和F17。
步骤6:通过步骤5选择的故障特征参数重复步骤1-3,计算各故障状态两两之间的高斯核函数和Aij,这里需要计算满足i<j的Aij,然后按照Aij从小到大的顺序,从根节点开始构建前d层决策导向无环图支持向量机的结构,d+1层开始任意排列即可,d的计算公式如下:
公式中n表示行星齿轮箱故障总共的类数,本实施例中,n=5,经计算d=2,如图7所示为构建所得的决策导向无环图支持向量机的结构。
步骤7:使用步骤6构建的决策导向无环图支持向量机的结构进行行星齿轮箱故障检测,本实施例中按照步骤1的方法,使用故障特征参数F3、F7、F8、F10、F12和F17构建测试数据集,然后使用测试数据集对步骤6构建的决策导向无环图支持向量机的结构进行故障检测的测试,测试结果如表1所示,由测试结果可知本实施例的行星齿轮箱故障检测方法具有较高的检测准确率。
表1测试结果统计表
故障类型 | 测试正确率 |
无故障 | 100% |
缺齿故障 | 100% |
根部断裂故障 | 100% |
断齿故障 | 89% |
表面磨损故障 | 100% |
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种行星齿轮箱故障检测方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1:模拟行星齿轮箱各种故障状态,分别采集故障数据,计算原始特征参数,构建训练数据集;步骤2:计算各故障状态两两之间的高斯核函数;步骤3:计算余弦相似性度量矩阵,余弦相似性度量矩阵的元素为矩阵块Aij,i和j表示故障的类数;步骤4:计算类间分离度和类内分离度,并根据类间分离度和类内分离度计算类分离度;步骤5:降维计算,选择故障特征参数;步骤6:通过步骤5选择的故障特征参数重复步骤1-3,计算各故障状态两两之间的高斯核函数和Aij,这里需要计算满足i<j的Aij,然后按照Aij从小到大的顺序,从根节点开始逐层构建决策导向无环图支持向量机的结构;步骤7:使用步骤6构建的决策导向无环图支持向量机的结构进行行星齿轮箱故障检测。
2.如权利要求1所述的一种行星齿轮箱故障检测方法,其特征在于,步骤1中,原始特征参数包括反映时域信号的幅值和能量大小的参数、反映时域信号的时间序列分布情况的参数、反映频域能量的大小的参数、反映主频带位置的变化的参数和反映频谱的分散或者集中程度的参数。
3.如权利要求1所述的一种行星齿轮箱故障检测方法,其特征在于,步骤3中,余弦相似性度量矩阵形式的计算公式如下:
公式中n表示行星齿轮箱故障总共的类数,其中,任意一个元素为Aij,Aij的计算公式如下:
公式中m表示训练数据的个数,其中,任意一个元素为cosθ(Φ(xia),Φ(xj b)),表示第i类故障的第a个训练数据和第j类故障的第b个训练数据之间的余弦相似性度量,a,b=1,2,3...,m。
4.如权利要求3所述的一种行星齿轮箱故障检测方法,其特征在于,步骤4中,类间分离度的计算公式如下:
类内分离度的计算公式如下:
类分离度的计算公式如下:
5.如权利要求4所述的一种行星齿轮箱故障检测方法,其特征在于,步骤5降维计算的具体过程如下,重复步骤1-4计算类分离度Jc,c=1,2,...,p,P表示原始特征参数的个数,c表示第c个原始特征参数,Jc表示去掉第c个原始特征参数后重复步骤1-4计算的类分离度,然后分别计算特征因子,特征因子的计算公式如下:
λc=J-Jc
然后计算特征因子的平均值,若某原始特征参数被去掉后计算的特征因子大于特征因子的平均值,则该原始特征参数被保留,作为故障特征参数,若某原始特征参数被去掉后计算的特征因子不大于特征因子的平均值,则该原始特征参数被移除。
6.如权利要求1所述的一种行星齿轮箱故障检测方法,其特征在于,步骤6中,按照Aij从小到大的顺序,从根节点开始构建前d层决策导向无环图支持向量机的结构,d+1层开始任意排列即可,d的计算公式如下:
公式中n表示行星齿轮箱故障总共的类数。
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