CN109682953B - 一种使用bp神经网络判定电机轴承润滑脂含量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用BP神经网络判定电机轴承润滑脂含量的方法,包括以下步骤:1)通过注水法测得电机轴承的容积;2)将电机轴承分别注入6种不同含量的润滑脂,分别为其容积的0倍、0.1倍、0.2倍、0.3倍、0.4倍、0.5倍;3)使用振动传感器采集不同润滑脂含量下电机轴承的振动数据;4)提取振动数据的统计特征;5)构造一个含有双隐层的BP神经网络,利用建立的神经网络确立输入的统计特征与输出的润滑脂含量之间的函数关系。本发明可以利用采集到的电机轴承的振动数据,通过BP神经网络有效的检测出其对应的润滑脂含量,对电机轴承的维修保护有着重要的意义。

Description

一种使用BP神经网络判定电机轴承润滑脂含量的方法
技术领域
本发明属于机械设备故障诊断领域,具体涉及一种使用BP神经网络判定电机轴承润滑脂含量的方法。
背景技术
在现代化生产中,电机作为一种常见的机械设备越来越受到重视。而轴承作为支撑轴的部件,发生故障时若不能即使发现和排除,不仅会造成机械设备的损坏,更有可能经济财产和人身安全带来巨大的隐患。保证轴承正常运转的关键是从它的维修保养入手,而其中最重要的材料就是润滑脂。润滑脂作为分离滚动体与套圈的润滑媒介,对轴承的寿命有着重要影响。据估计,80%以上轴承都是采用润滑脂润滑的,其含量的多少直接关系到轴承的运行性能和运转寿命。为了提升电机轴承的使用寿命,对轴承润滑脂含量的研究显得越来越重要,只有保证润滑脂保持在一定的含量,才能使电机轴承更持续稳定的运行下去。但是,在正常情况下,当电机正在运行时,很难对其停转进行润滑脂含量的测量,而且很多轴承的润滑脂都是密封的。因此,如何能在不拆封、不停转的情况下判别出轴承润滑脂的含量成为当前急需解决的问题。
发明内容
针对上述问题,本发明提供了一种使用BP神经网络判定电机轴承润滑脂含量的方法,本发明利用BP神经网络构建统计特征和电机轴承润滑脂含量的函数关系,通过统计特征即可判别当前电机轴承润滑脂的含量。当轴承润滑脂的含量不在健康范围内时,可以及时停转进行润滑脂补充,避免对电机轴承造成进一步的损伤。
为解决上述问题,本发明提供了一种使用BP神经网络判定电机轴承润滑脂含量的方法,包括以下步骤:
步骤一:电机轴承空心容积的测量与润滑脂含量选取
利用注水法测得电机轴承滚子间的空心容积V,然后将电机轴承内注入M种不同含量的润滑脂,分别为0倍V、0.1倍V、0.2倍V、……、0.(M-1)倍V;
步骤二:数据采集
利用加速度传感器采集不同润滑脂含量下的电机轴承的振动数据;
步骤三:统计特征的提取与样本集的制作;
步骤四:训练集和测试集的制作,将制作好的样本集按照6:4的比例随机划分为训练集和测试集;
步骤五:神经网络的搭建
搭建一个含有双隐层的BP神经网络;
步骤六:利用搭建好的网络进行诊断
利用步骤四中的训练集对步骤五中搭建的网络进行训练得到模型,用测试集对模型的可靠性进行检测并得到结果。
进一步改进在于:在所述步骤三中,统计特征的提取与样本集的制作的具体方法为:
a、将采集到的实验信号进行统计特征提取,分别提取4个时域特征和4个频域特征,具体提取的时域特征为峰值指标Ip、裕度指标Ce、歪度指标Cw、峭度指标Cq;频域特征为中心频域Fc、频率标准差Fv、均方根频率Fr、频率集中度Fj
b、对M种不同含量润滑脂情况下的电机轴承进行标签二值化处理,其中第1种润滑脂含量对应下的电机轴承输出为
Figure GDA0003114845340000031
第M种润滑脂含量对应下的电机轴承输出为
Figure GDA0003114845340000032
c、将步骤a中提取到的统计特征进行归一化处理,定义其在第P种润滑脂含量下电机轴承的N维矩阵为
Figure GDA0003114845340000033
其中P∈[0,M],xi为第i个统计特征,其对应的标签为
Figure GDA0003114845340000034
其中第p个值为1,将神经网络的输入输出进行预处理后,即完成了样本集的制作。
进一步改进在于:在所述步骤五中,搭建一个含有双隐层的BP神经网络的具体网络参数设置如下:
a、网络节点确定:输入层的节点数和输入的统计特征的个数相同,设为n;输出层的节点数与润滑脂含量的类别数相同,设为m;两个隐层的节点数由如下公式进行试验确定,具体为:
Figure GDA0003114845340000035
其中,k为隐含层节点数,n为输入层节点数,m为输出层节点数,a为常数,且1≤a≤10;
b、初始权值:神经网络在训练过程中采用随机初始化权值进行训练;
c、激励函数:构建的神经网络使用的激励函数为Sigmoid函数,具体表达式为:
Figure GDA0003114845340000041
其中,x为节点的计算输入值,Sigmoid激励函数可以将较大范围内变化的输入值挤压到(0,1)输出值范围内;
d、神经网络的迭代步数由具体情况而定,以保证损失函数的变化与测试集准确率的变化曲线都趋于平稳。
本发明的有益效果是:
1)本发明提出了一种使用BP神经网络判定电机轴承润滑脂含量的方法,通过统计特征即可判别当前电机轴承润滑脂的含量;
2)相比于以前测量润滑脂含量的方法,本发明判定润滑脂含量的方法更便捷、更符合实际情况,且全过程无需拆封,更不用靠停转测量;
3)需要更少的测量设备,只要采集到振动信号即可。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明提供方法的分类结果可视化图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解,下面将结合实施例对本发明做进一步详述,本实施例仅用于解释本发明,并不构成对本发明保护范围的限定。
根据图1、2所示,本实施例提供了一种使用BP神经网络判定电机轴承润滑脂含量的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:电机轴承空心容积的测量与润滑脂含量选取
首先利用注水法测得电机轴承滚子间的空心容积为7ml,将将电机轴承内注入6种不同含量的润滑脂,分别为0ml、0.7ml、1.4ml、2.1ml、2.8ml、3.5ml;
步骤2:数据采集
利用加速度传感器采集不同润滑脂含量下的电机轴承的振动数据,采样频率设置为20k,采样时间为10s,这样每种类型采集到的信号长度为20万点;
步骤3:统计特征的提取与样本集的制作
a、将采集到的实验信号分小段进行统计特征提取,每小段长度为4千点。因此,我们每种润滑脂含量下测得的数据为50小段信号,共50×6=300个信号。对每小段信号分别提取4个时域特征和4个频域特征,具体提取的时域特征为峰值指标Ip、裕度指标Ce、歪度指标Cw、峭度指标Cq;频域特征为中心频域Fc、频率标准差Fv、均方根频率Fr、频率集中度Fj
b、对M种不同含量润滑脂情况下的电机轴承进行标签二值化处理,其中第1种润滑脂含量对应下的电机轴承输出为
Figure GDA0003114845340000051
第M种润滑脂含量对应下的电机轴承输出为
Figure GDA0003114845340000061
c、将步骤a中提取到的统计特征进行归一化处理,定义其在第P种润滑脂含量下电机轴承的N维矩阵为
Figure GDA0003114845340000062
其中P∈[0,M],xi为第i个统计特征,其对应的标签为
Figure GDA0003114845340000063
其中第p个值为1;
至此,以完成样本集的制作,每种类型得到50个样本数据,共50×6=300组数据;
步骤4:训练集和测试集的制作
将制作好的样本集按照6:4的比例随机划分为训练集和测试集,这样训练集有180个样本,测试集有120个样本;
步骤5:神经网络的搭建
搭建一个含有双隐层的BP神经网络,其中,具体网络参数设置如下:
a、网络节点确定:输入层的节点数和输入的统计特征的个数相同,设为8;输出层的节点数与润滑脂含量的类别数相同,设为6;两个隐层的节点数由如下公式进行试验确定,具体为:
Figure GDA0003114845340000064
其中,k为隐含层节点数,n为输入层节点数,m为输出层节点数,a为常数,且1≤a≤10;
b、初始权值:神经网络在训练过程中采用随机初始化权值进行训练;
c、激励函数:构建的神经网络使用的激励函数为Sigmoid函数,具体表达式为:
Figure GDA0003114845340000071
其中,x为节点的计算输入值,Sigmoid激励函数可以将较大范围内变化的输入值挤压到(0,1)输出值范围内;
d、神经网络的迭代步数由具体情况而定,以保证损失函数的变化与测试集准确率的变化曲线都趋于平稳;
最终确定迭代步数为3万步;
步骤6:利用搭建好的网络进行诊断
利用步骤4中的训练集对步骤5中搭建的网络进行训练得到模型,用测试集对模型的可靠性进行检测,最终我们得到了96%的识别率,证明了本方法的有效性。最终的分类结果可视化图如图2所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种使用BP神经网络判定电机轴承润滑脂含量的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:电机轴承空心容积的测量与润滑脂含量选取
利用注水法测得电机轴承滚子间的空心容积V,然后将电机轴承内注入M种不同含量的润滑脂,分别为0倍V、0.1倍V、0.2倍V、……、0.(M-1)倍V;
步骤二:数据采集
利用加速度传感器采集不同润滑脂含量下的电机轴承的振动数据;
步骤三:统计特征的提取与样本集的制作;
步骤四:训练集和测试集的制作,将制作好的样本集按照6:4的比例随机划分为训练集和测试集;
步骤五:神经网络的搭建
搭建一个含有双隐层的BP神经网络;
步骤六:利用搭建好的网络进行诊断
利用步骤四中的训练集对步骤五中搭建的网络进行训练得到模型,用测试集对模型的可靠性进行检测并得到结果;
在所述步骤三中,统计特征的提取与样本集的制作的具体方法为:
a、将采集到的实验信号进行统计特征提取,分别提取4个时域特征和4个频域特征,具体提取的时域特征为峰值指标Ip、裕度指标Ce、歪度指标Cw、峭度指标Cq;频域特征为中心频域Fc、频率标准差Fv、均方根频率Fr、频率集中度Fj
b、对M种不同含量润滑脂情况下的电机轴承进行标签二值化处理,其中第1种润滑脂含量对应下的电机轴承输出为
Figure FDA0003137670020000021
第M种润滑脂含量对应下的电机轴承输出为
Figure FDA0003137670020000022
c、将步骤a中提取到的统计特征进行归一化处理,定义其在第P种润滑脂含量下电机轴承的N维矩阵为
Figure FDA0003137670020000023
其中P∈[0,M],xi为第i个统计特征,其对应的标签为
Figure FDA0003137670020000024
其中第p个值为1,将神经网络的输入输出进行预处理后,即完成了样本集的制作。
2.根据权利要求1所述的一种使用BP神经网络判定电机轴承润滑脂含量的方法,其特征在于:在所述步骤五中,搭建一个含有双隐层的BP神经网络的具体网络参数设置如下:
a、网络节点确定:输入层的节点数和输入的统计特征的个数相同,设为n;输出层的节点数与润滑脂含量的类别数相同,设为m;两个隐层的节点数由如下公式进行试验确定,具体为:
Figure FDA0003137670020000025
其中,k为隐含层节点数,n为输入层节点数,m为输出层节点数,a为常数,且1≤a≤10;
b、初始权值:神经网络在训练过程中采用随机初始化权值进行训练;
c、激励函数:构建的神经网络使用的激励函数为Sigmoid函数,具体表达式为:
Figure FDA0003137670020000031
其中,x为节点的计算输入值,Sigmoid激励函数可以将较大范围内变化的输入值挤压到(0,1)输出值范围内;
d、神经网络的迭代步数由具体情况而定,以保证损失函数的变化与测试集准确率的变化曲线都趋于平稳。
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