WO2019179340A1 - 基于eemd和msb的滚动轴承故障特征提取方法 - Google Patents
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- G06F2218/08—Feature extraction
Definitions
- the invention relates to the technical field of mechanical equipment condition monitoring and fault diagnosis, in particular to a rolling bearing fault feature extraction method based on collective empirical mode decomposition and modulation bispectrum analysis.
- Empirical Mode Decomposition is a newly developed method for non-stationary signal processing, and this method has strong adaptability and has been widely used in many aspects.
- EMD decomposition has phenomena such as endpoint effects and modal aliasing. Therefore, WU et al. (WU Z H, HUANG N E. Ensemble empirical mode decomposition: a noise assisted data analysis method [J]. Advances in adaptive data analysis, 2009, 1(1): 1-41.) is the basis of the EMD method.
- the noise assisted analysis is introduced, and the integrated empirical mode decomposition method (EEMD) is proposed to effectively suppress the modal aliasing phenomenon.
- Shen Changqing et al. Shen Changqing, Xie Weida, Zhu Zhongkui, et al. Bearing fault diagnosis based on EEMD and improved morphological filtering method [J]. Vibration and Shock, 2013, 32(2): 39-43.
- Proposed EEMD and improved morphology The learning filter improves the reliability of rolling bearing fault diagnosis.
- Peng Chang et al Peng Chang, Berlin, Xie Xiaoliang. Rolling bearing fault diagnosis method based on EEMD, measure factor and fast kurtosis graph [J].
- MSAM Cumulative mean
- MSB Modulation Bispectrum Analysis
- the technical solution of the present invention to solve the technical problem is to design a rolling bearing fault feature extraction method based on collective empirical mode decomposition and modulation bispectrum analysis, wherein the specific steps are as follows:
- Step 1 measuring the vibration signal of the detected rolling bearing by the vibration sensor, and the obtained vibration signal is the original signal y(t);
- Step 2 Perform EEMD decomposition on the original signal y(t) to obtain a series of IMFs of different frequencies
- Step 3 Calculate the MSAM values of different decomposition scales of the EEMD
- Step 4 Judging the MSAM value calculated in the third step. If the MSAM value at the m-th scale deviates significantly from the zero value, the IMFs before the m-scale are considered to be high-frequency and further WT noise reduction processing is performed; The IMFs and residual signals after the m scale are low frequencies; the remaining low frequency IMFs, the residual signal and the denoised high frequency IMFs components are superimposed and reconstructed to obtain the superposed reconstructed signal x(t);
- Step 5 Perform the MSB separation modulation component on the superposed reconstructed signal x(t), and extract the fault characteristic frequency.
- the present invention has the following advantages:
- EEMD applies noise-assisted analysis to empirical mode decomposition (EMD) to promote anti-aliasing decomposition and effectively suppress the mode aliasing problem inherent in EMD.
- EMD empirical mode decomposition
- Figure 1 is a flow chart of the present invention
- FFT Fourier transform
- Figure 4 is an exploded view of the original signal EEMD of the embodiment, wherein Figure 4 (a) is IMF1 ⁇ IMF6; Figure 4 (b) is IMF7 ⁇ IMF12; Figure 4 (c) is IMF13 ⁇ IMF18;
- FIG. 5 is an MSAM diagram of different decomposition scales of the EEMD of FIG. 4;
- Fig. 7 is a graph showing the results of the MSB of the embodiment.
- the rolling bearing fault feature extraction method based on the collective empirical mode decomposition and modulation bispectrum analysis proposed by the invention has the following specific steps:
- Step 1 measuring the vibration signal of the detected rolling bearing by the vibration sensor, and the obtained vibration signal is the original signal y(t);
- Step 2 Perform EEMD decomposition on the original signal y(t) to obtain a series of IMFs of different frequencies
- Step 3 Calculate the MSAM values of different decomposition scales of the EEMD
- Step 4 Judging the MSAM value calculated in the third step. If the MSAM value at the m-th scale deviates significantly from the zero value, the IMFs before the m-scale are considered to be high-frequency and further WT noise reduction processing is performed; The IMFs and residual signals after the m scale are low frequencies. The remaining low frequency IMFs, the residual signal and the denoised high frequency IMFs components are superposed and reconstructed to obtain a superposed reconstructed signal x(t);
- Step 5 Perform the MSB separation modulation component on the superposed reconstructed signal x(t), and extract the fault characteristic frequency.
- the step 2 specifically includes:
- Step 102 Add a random white noise n i (t) of a certain magnitude to the original signal y(t) to form a new series of noise signals y i (t).
- Step 103 Perform EMD decomposition on a series of noise signals y i (t).
- n is the number of IMFs that are resolved
- c i,n (t) are the decomposed IMFs
- r i,n (t) are the residual components.
- Step 104 Repeat steps 102-103N times, each time adding a certain amount of white noise, and decomposing a series of IMFs. The averaging process is performed on the set of IMFs to obtain the IMF component c n (t) of the EEMD decomposition.
- the third step is specifically: after the multi-scale decomposition of the signal by using the EEMD, the cumulative mean MSAM of the normalized modulus is defined as follows:
- mean is the mean function
- std is the standard deviation function
- the step 5 specifically includes the following steps:
- Step 105 The MSB of the superposed reconstructed signal x(t) expressed in the form of a discrete Fourier transform X(f) can be defined as:
- B MS (f c , f x ) denotes the bispectrum of the superposed reconstructed signal x(t)
- E ⁇ > denotes the expectation
- f c is the modulation frequency
- f x is the carrier frequency
- (f c +f x ) and f c -f x ) are the upper and lower sideband frequencies, respectively.
- Step 106 The MSB obtained in step 105 is improved, and the f c component of the carrier frequency is modified by eliminating the substantial influence to accurately quantize the sideband amplitude.
- the improved MSB is MSB-SE and is defined as follows:
- Step 107 Calculate the average value of the MSB in the increment direction of f x to obtain the f c slice:
- ⁇ f represents the resolution of f x .
- Step 108 Calculate the average value of the plurality of optimal MSB slices, that is, the fault characteristic frequency of the rolling bearing, which is expressed as:
- N is the total number of selected f c slices.
- the original signal y(t) in this embodiment is the vibration signal of the outer ring of the rolling bearing.
- the sampling frequency of the original signal y(t) is 71.5 Hz
- the sampling length is point 285715
- the fault frequency of the bearing outer ring is 88.5 Hz.
- the waveform of the original signal y(t) is shown in Fig. 2, and its amplitude spectrum is shown in Fig. 3. The failure characteristics are not observed in Fig. 3.
- the second step EEMD decomposition of the original signal y (t), obtaining a series of IMF components of different frequencies as shown in Figure 4.
- the third step Calculate the MSAM values of different decomposition scales of EEMD, as shown in Figure 5.
- the fourth step then perform signal superposition reconstruction, as shown in Figure 6.
- Step 5 The superimposed reconstructed signal is subjected to MSB separation and modulation components, and the fault characteristic frequency is extracted as shown in Fig. 7.
- the main frequencies are multiple frequencies such as 88.5 Hz and 177 Hz, 265.5 Hz, etc., which are consistent with the calculated outer ring fault characteristic frequency.
- the fault characteristic information of the outer ring of the rolling bearing is accurately extracted.
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Abstract
本发明公开了一种基于集合经验模式分解和调制双谱分析的滚动轴承故障特征提取方法,用于通过振动信号分析滚动轴承故障。首先采用EEMD对加速度传感器采集的轴承原始振动信号进行分解获得一系列不同频率的模态函数(IMFs),通过标准化模量的累计均值(MSAM)对IMFs进行多尺度划分,进而得到高频和低频的IMFs。然后通过小波变换(WT)对高频的IMFs进行降噪,并将降噪的高频IMFs与低频的IMFs进行叠加重构。最后将叠加重构信号通过MSB分离调制成分,从而提取出故障特征频率。对滚动轴承故障特征的成功提取验证了该方法的有效性与可行性。该发明适用于机械设备的状态监测以及故障诊断等领域。
Description
本发明涉及到机械设备状态监测和故障诊断技术领域,具体是基于集合经验模式分解和调制双谱分析的滚动轴承故障特征提取方法。
滚动轴承是旋转机械的重要组成部分,它的状况好坏将直接影响到整机的运行,对其进行故障诊断具有重要的理论价值和现实意义。经验模态分解(EMD)是最新发展起来的非平稳信号处理的方法,且该方法具有很强自适应性,已经在很多方面得到广泛的应用。但是EMD分解存在着端点效应和模态混叠等现象。因此WU等(WU Z H,HUANG N E.Ensemble empirical mode decomposition:a noise assisted data analysis method[J].Advances in adaptive data analysis,2009,1(1):1-41.)在EMD方法的基础上引入噪声辅助分析,提出了集成经验模态分解方法(EEMD)可有效抑制模态混叠现象。沈长青等(沈长青,谢伟达,朱忠奎,等.基于EEMD和改进的形态滤波方法的轴承故障诊断研究[J].振动与冲击,2013,32(2):39-43.)提出EEMD和改进的形态学滤波器提高了滚动轴承故障诊断的可靠性。彭畅等(彭畅,柏林,谢小亮.基于EEMD、度量因子和快速峭度图的滚动轴承故障诊断方法[J].振动与冲击,2012,31(20):143-146.)提出基于EEMD、 度量因子和快速谱峭度相结合成功实现了对轴承的故障诊断。刘永强(刘永强,李翠省,廖英英.基于EEMD和自相关函数峰态系数的轴承故障诊断方法[J].振动与冲击,2017,36(2):111-116.)提出了基于EEMD和自相关函数峰态系数的轴承故障诊断方法,通过轴承故障的仿真和实验研究,验证了该方法的有效性和可行性。以上研究表明了EEMD在轴承故障特征提取中具有重要价值和明显优势,然而EEMD分解的每个固有模态函数(IMF)仍然含有大量的噪声,其降噪效果并不明显。
发明内容
为了提高EEMD的降噪效果,提出MSAM(累积均值)进行降噪,其降噪效果得到了很好的改善,但原始信号中存在的非线性调制成分仍保留在相应IMFs中。为了克服IMFs中存在非线性调制成分,提出MSB(调制双谱分析)来分离调制成分,从而提取故障特征频率。从而提出了基于集合经验模式分解和调制双谱分析的滚动轴承故障特征提取方法。
本发明解决所述技术问题的技术方案是,设计一种基于集合经验模式分解和调制双谱分析的滚动轴承故障特征提取方法,其特征在于,具体步骤如下:
步骤一:通过振动传感器测量被检测的滚动轴承的振动信号,所得振动信号为原始信号y(t);
步骤二:对原始信号y(t)进行EEMD分解,获得一系列不同频率的IMFs;
步骤三:计算EEMD不同分解尺度的MSAM值;
步骤四:对步骤三中计算所得的MSAM值进行判断,若在第m尺度的MSAM值明显偏离零值,则认为在m尺度之前的IMFs为高频并对其进行进一步的WT降噪处理;在m尺度之后的IMFs和残余信号均为低频;将其余低频的IMFs、残余信号和降噪后高频IMFs分量进行信号叠加重构,得到叠加重构信号x(t);
步骤五:将叠加重构信号x(t)进行MSB分离调制成分,提取故障特征频率。
与现有技术相比,本发明有益效果在于:
(1)EEMD将噪声辅助分析应用于经验模式分解(EMD)中,以促进抗混叠分解,有效的抑制EMD中固有的模式混叠问题。
(2)EEMD分解后的每个IMFs仍然含有大量的噪声,其降噪效果并不明显,为了提高EEMD的降噪效果,提出MSAM选取IMFs。
(3)虽然使用MSAM提高了信噪比,但是原始信号中存在的非线性调制成分仍保留在相应IMFs中。为了克服IMFs中存在非线性调制成分,提出MSB来分离调制成分,从而提取故障特征频率。
图1为本发明的流程图;
图2为实施例的原始信号波形图;
图3为实施例的原始信号的傅里叶变换(FFT)图;
图4为实施例的原始信号EEMD分解图,其中图4(a)为IMF1~IMF6;图4(b)为IMF7~IMF12;图4(c)为IMF13~IMF18;
图5为图4的EEMD不同分解尺度的MSAM图;
图6为实施例的降噪后的信号频率叠加重构图;
图7为实施例的MSB的结果图。
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明,不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提出的基于集合经验模式分解和调制双谱分析的滚动轴承故障特征提取方法,其具体步骤如下:
步骤一:通过振动传感器测量被检测的滚动轴承的振动信号,所得振动信号为原始信号y(t);
步骤二:对原始信号y(t)进行EEMD分解,获得一系列不同频率的IMFs;
步骤三:计算EEMD不同分解尺度的MSAM值;
步骤四:对步骤三中计算所得的MSAM值进行判断,若在第m尺度的MSAM值明显偏离零值,则认为在m尺度之前的IMFs为高频并对其进行进一步的WT降噪处理;在m尺度之后的IMFs和残余信号均为低频。将其余低频的IMFs、残余信号和降噪后高频IMFs分量进行信号叠加重构,得到叠加重构信号x(t);
步骤五:将叠加重构信号x(t)进行MSB分离调制成分,提取故障特征频率。
所述步骤二具体包括:
步骤101:给原始信号y(t)设定平均处理次数N,初始i=1,2,...,N。
步骤102:给原始信号y(t)添加一定幅值的随机白噪声n
i(t),组成新的一系列噪声信号y
i(t)。
y
i(t)=y(t)+n
i(t)
式中,i=1,2,...,N
步骤103:对一系列噪声信号y
i(t)进行EMD分解。
式中,n是分解的IMF数量,c
i,n(t)是分解的IMFs,r
i,n(t)是残余分量。
步骤104:重复步骤102~103N次,每次加入一定不同幅度的白噪声,分解出一系列IMFs。对IMFs的集合做均值处理得到EEMD分解的IMF分量c
n(t)。
式中,i=1,2,...N;n=1,2,...N,c
i,n(t)为第i次EMD所得到的第n个IMF。
所述步骤三具体为:利用EEMD进行信号的多尺度分解后,按如下定义标准化模量的累计均值MSAM:
式中:mean为均值函数;std为标准差函数。
所述步骤五具体包括如下步骤:
步骤105:以离散傅立叶变换X(f)的形式表示的叠加重构信号x(t)的MSB可以被定义为:
B
MS(f
c,f
x)=E<X(f
c+f
x)X(f
c-f
x)X
*(f
c)X
*(f
c)>
其中B
MS(f
c,f
x)表示叠加重构信号x(t)的双谱,E<>表示期望,f
c为调制频率,f
x为载波频率,(f
c+f
x)和(f
c-f
x)分别为上、下边带频率。
步骤106:对步骤105所得的MSB进行改善,通过消除实质影响来修改载波频率的f
c分量,以便精确地量化边带幅度。改进后的MSB为MSB-SE,定义如下:
其中B
MS(f
c,0)表示f
x=0时的平方功率谱。
步骤107:计算在f
x增量方向上MSB的平均值,以得到f
c切片:
其中Δf表示f
x的分辨率。
步骤108:计算多个最优的MSB切片的平均值,即得滚动轴承的故障特征频率,其表示为:
其中N是选定的f
c切片的总数。
下面采用具体实施例来验证本发明方法,其步骤如下:
第一步:本实施例中的原始信号y(t)为滚动轴承外圈的振动信号,原始信号y(t)的采样频率为71.5Hz,采样长度为点285715,轴承外圈故障频率为88.5Hz。原始信号y(t)的波形如图2,其幅值谱如图3所 示,观察图3未能发现故障特征。
第二步:对原始信号y(t)进行EEMD分解,获得一系列不同频率的IMF分量如图4所示。
第三步:计算EEMD不同分解尺度的MSAM值,如图5所示。
第四步:,然后进行信号叠加重构,如图6所示。
第五步:将叠加重构的信号进行MSB分离调制成分,提取故障特征频率如图7所示,主要频率是88.5Hz和177Hz、265.5Hz等多倍频,与计算的外圈故障特征频率吻合,准确的提取了滚动轴承外圈故障特征信息。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (4)
- 基于集合经验模式分解和调制双谱分析的滚动轴承故障特征提取方法,其特征在于,具体步骤如下:步骤一:通过振动传感器测量被检测的滚动轴承的振动信号,所得振动信号为原始信号y(t);步骤二:对原始信号y(t)进行EEMD分解,获得一系列不同频率的IMFs;步骤三:计算EEMD不同分解尺度的MSAM值;步骤四:对步骤三中计算所得的MSAM值进行判断,若在第m尺度的MSAM值明显偏离零值,则认为在m尺度之前的IMFs为高频并对其进行进一步的WT降噪处理;在m尺度之后的IMFs和残余信号均为低频;将其余低频的IMFs、残余信号和降噪后高频IMFs分量进行信号叠加重构,得到叠加重构信号x(t);步骤五:将叠加重构信号x(t)进行MSB分离调制成分,提取故障特征频率。
- 根据权利要求1所述的基于集合经验模式分解和调制双谱分析的滚动轴承故障特征提取方法,其特征在于,所述步骤二具体包括:步骤101:给原始信号y(t)设定平均处理次数N,初始i=1,2,...,N;步骤102:给原始信号y(t)添加一定幅值的随机白噪声n i(t),组成新的一系列噪声信号y i(t);y i(t)=y(t)+n i(t)式中,i=1,2,...,N步骤103:对一系列噪声信号y i(t)进行EMD分解;式中,n是分解的IMF数量,c i,n(t)是分解的IMFs,r i,n(t)是残余分量;步骤104:重复步骤102~103N次,每次加入一定不同幅度的白噪声,分解出一系列IMFs;对IMFs的集合做均值处理得到EEMD分解的IMF分量c n(t);式中,i=1,2,...N;n=1,2,...N,c i,n(t)为第i次EMD所得到的第n个IMF。
- 根据权利要求1所述的基于集合经验模式分解和调制双谱分析的滚动轴承故障特征提取方法,其特征在于,所述步骤五具体包括如下步骤:步骤105:以离散傅立叶变换X(f)的形式表示的叠加重构信号x(t)的MSB可以被定义为:B MS(f c,f x)=E<X(f c+f x)X(f c-f x)X *(f c)X *(f c)>其中B MS(f c,f x)表示叠加重构信号x(t)的双谱,E<>表示期望,f c为调制频率,f x为载波频率,(f c+f x)和(f c-f x)分别为上、下边带频率;步骤106:对步骤105所得的MSB进行改善,通过消除实质影响来修改载波频率的f c分量,以便精确地量化边带幅度;改进后的MSB为MSB-SE,定义如下:其中B MS(f c,0)表示f x=0时的平方功率谱;步骤107:计算在f x增量方向上MSB的平均值,以得到f c切片:其中Δf表示f x的分辨率;步骤108:计算多个最优的MSB切片的平均值,即得滚动轴承的故障特征频率,其表示为:其中N是选定的f c切片的总数。
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