应用ICEEMDAN和SVM的行星齿轮箱故障诊断_王浩楠.pdf

年第 卷 月第 期机 械 科 学 与 技 术 ：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）、山西省重点研发计划（国际合作）项目（）及中北大学先进制造技 术 山 西 省 重 点 实 验 室 开 放 课 题 研 究 基 金（）作者简介：王浩楠（），硕士研究生，研究方向为现场测试及机械故障诊断，通信作者：崔宝珍，副教授，硕士生导师，王浩楠，崔宝珍，彭智慧，等应用 和 的行星齿轮箱故障诊断机械科学与技术，（）：应用 和 的行星齿轮箱故障诊断王浩楠，崔宝珍，彭智慧，任川（中北大学 机械工程学院，太原）摘要：针对行星齿轮箱复合故障准确分类问题，应用了改进自适应噪声完备集合经验模态分解（）和支持向量机（）相结合的故障诊断方法。首先，将行星齿轮箱的不同故障信号分别进行 分解，得到各阶内禀模态函数（）；其次，利用各阶 分量与原信号的相关性大小，剔除虚假的 分量；最后，以优选 分量的多尺度模糊熵均值作为特征向量，输入到多分类 中进行故障分类，分类准确率高达，实验结果证明了该方法的可行性。关键词：改进自适应噪声完备集合经验模态分解；频域互相关；多尺度模糊熵；支持向量机；行星齿轮箱故障中图分类号：.文献标志码：文章编号：（），（，）：，（）（），（），：；行星齿轮箱具有结构紧凑、体积小、质量轻、传动比大、承载能力强、传动比高等优点，广泛应用于高速大功率以及低速大扭矩的机械传动场合。由于在实际生产工作中，行星齿轮箱经常承受复杂的动态重载作用力，所以极易出现机械故障。齿轮故障是导致机械故障的主要因素，据调查显示在旋转机械故障中齿轮故障占总体的 左右。为了避免行星齿轮箱出现故障造成一些不必要的经济损失，以及出于对第 期 王浩楠，等：应用 和 的行星齿轮箱故障诊断：工作人员的生命安全考虑，国内外很多学者针对行星齿轮箱中的齿轮故障展开了深入的研究。信号故障特征提取是故障诊断的前提。由于行星齿轮箱振动信号传输路径复杂、外界噪声干扰以及信号调制造成的多模式混淆，导致齿轮故障响应极其微弱。特别是行星齿轮箱运行时载荷的瞬时变化和齿轮故障，都会引起振动的非平稳性，更增加了故障诊断的难度。经验模态分解（，）可以将信号分解成不同尺度的 分量，非常适用于非平稳信号，但由于存在模态混叠问题，分解效果不理想。等提出了自适应噪声完备经验模态分解（，），该方法通过自适应加入白噪声来放大模态之间的不相关程度，从而提取出原来不可分的两个模态。该方法能较好地解决模态混叠问题，重构信号中的噪声残余小，降低了筛选次数。等提出了改进自适应噪声完备经验模式分解（，），该方法通过改进在自适应分解中 分解的不足，大大减少了 中的残余分量，从而得到更好的重构结果，进一步改善模态混叠问题。管一臣等运用 和频率解调对行星齿轮箱的电机电流信号进行分析，准确地提取行星齿轮箱的故障特征，实现了行星齿轮箱 种齿轮的故障诊断。姚瑞琦利用 的排列熵与 相结合，有效地改善了 种工况下的滚动轴承故障识别率。针对行星齿轮箱复合故障难以分类的问题，本文利用 和 对其进行故障识别。首先，将采集到的信号利用 分解，得到不同尺度的 分量；然后，利用频域互相关剔除 虚假分量；最后，以优选 分量的多尺度模糊熵均值为特征向量，输入到 中进行分类得到最优的分类结果，并与传统方法进行对比，验证该方法的可行性和优越性。信号特征提取方法 方法传统的 的方法，在每次迭代中利用多个添加自适应噪声的原始信号或残余分量进行 分解得到多个，并对其做平均处理得到最终的。与 相比采用了上一步计算的残差与本次计算的多个添噪信号残差平均值的差作为本次迭代的，可以进一步解决模态混叠问题，减少分解结果中的 虚假分量。算法如下：）在原始信号 的基础上构造 个含可控噪声的信号（）（），（）式中：（）是第 个构造信号；是第一次分解时信号的噪声标准偏差；（）是第 个被添加的零均值单位方差白噪声；（）是计算信号第一个 算子。）对每一个（）计算局部均值并求平均，得到第一个残余分量为 （）（）式中（）为局部均值函数。）计算第一个模态（），原信号 减去第一次计算的残差，即 （）计算第 个模态（），将上一次计算的残差 减去本次计算的残差，即 （）（）（）计算第 个模态，返回第 步，直到满足迭代终止条件。行星齿轮箱在正常工况时，一般呈现出一定的周期性。可以用低频或高频的简谐信号表示行星齿轮箱内部各构件的振动信号，用调制信号表示齿轮啮合故障点处的振动信号。假设行星齿轮箱的振动信号为：（）（）（）（）.（）（）（）（）（）（）（）利用 和 分别对添加随机白噪声的（）进行分解，其中 的取值范围一般为.，文中.，噪声添加次数。如图 所示，分解能够有效改善 分解产生的模态混叠和端点效应等问题，并且产生了较少的 无用分量。机 械 科 学 与 技 术第 卷：图 与 分解对比 频域互相关消除 虚假分量 分解过程中会不可避免地产生过分解，导致大量的低频分量出现。这些低频分量中大部分是虚假的 无法反映原始信号的特征信息，不仅增大了计算量而且会影响故障诊断的结果，所以剔除虚假分量是十分必要的。由于虚假分量不能反映原始信号的特征，与原始信号的相关性差，所以可以将分解后的 分量第 期 王浩楠，等：应用 和 的行星齿轮箱故障诊断：与原始信号的互相关系数做为区分虚假分量的评定指标。传统的互相关分析一般在时域中进行互相关计算，并将互相关系数较小的 分量剔除。在时域中，两个信号 和 的时域互相关系数可以描述为 （）（）（）（）（）式中 和 为信号 和 的均值。行星齿轮箱在实际运行中会产生大量噪声，由于噪声对时域信号影响严重，从而导致错误判断虚假分量。而在频域中，噪声虽然也存在于信号的各个频段，但有用信号的功率谱频率幅值远大于噪声在功率谱密度中的幅值，有用信号更加突出，进而抑制了噪声的干扰。在频域中，用 和 的功率谱 和 替代 和，是分析频率，频域互相关表示为（）（）（）（）（）频域互相关与时域互相关相比，前者提取的 分量更真实。所以本文采用频域互相关来分析各阶 分量与原始信号的相关性大小，判断并剔除虚假分量。多尺度模糊熵模糊熵是对时间序列在单一尺度上复杂性和无规则程度的度量。多尺度熵是对序列在不同尺度因子下的复杂性的度量。等结合了模糊熵和多尺度熵的思想，提出了多尺度模糊熵的方法，能够在衡量时间序列在不同尺度因子下的复杂程度和维数变化时产生新信息的概率大小。由于不同故障信号的不同特征频段的复杂度各不相同，因此可以用多尺度模糊熵作为信号的故障特征，区分不同类别的故障信号。多尺度模糊熵算法如下：）将 分量序列，粗粒化处理，则（）（）（）式中，为尺度因子。）设置嵌入维度，对粗粒化处理后的 个序列（）（），（），（），构造 维向量（）（），（），（）（）式中：，；是连续 个（）的平均值。）计算任意两个不同样本（）和（）之间的距离（）（）（）通过模糊函数，定义向量（）和（）的相似度（）（）式中：为模糊函数梯度；为相似容限。样本平均相似度函数（），（）设置维数，重复步骤）步骤），求（）；）原始信号的模糊熵为（，）（）（）（）多尺度模糊熵在计算过程中，参数的选择是否合理，对计算结果有至关重要的影响。理论上讲嵌入维度 越大结果越精确，但 受数据长度的影响，一般取 或；相似容限 决定模糊函数边界宽度，过大或过小都会导致统计结果不理想，一般取原始信号.倍标准差；模糊函数梯度 起权重作用，一般取；数据长度；本文中尺度因子取。故障分类方法支持向量机（，）是一种基于统计学的一种机器学习方法。它通过结构风险最小化原则同时兼顾经验风险和置信范围，在小样本、非线性以及高维模式识别等问题中有明显的优势，能够在有限样本条件下，得到较好的分类结果。是一种使用超平面作为分类函数的一种线性分类器。针对线性可分问题，应最大化超平面两边样本到超平面的距离之和，通过最大化分类间隔从而得到最优分类超平面。对于线性不可分问题，常常使用非线性映射算法将低维空间线性不可分转化为高维空间线性可分问题，在高维空间中对样本分类。但直接将特征从低维映射到高维，数据的计算量会非常庞大。在 中一般使用核函数来避免“维度灾难”，核函数通过在低维空间进行计算将分类效果表现在高维上，从而避免了在高维空间的复杂计算。机 械 科 学 与 技 术第 卷：的常用核函数包括：）线性核函数；）多项式核函数；）径向基核函数；）感知器核函数。本文使用径向基核函数来实现特征的分类。故障诊断本文使用 行星齿轮箱故障诊断试验平台，来验证该方法的可行性。试验平台的结构如图 所示，变频交流电动机为试验平台提供动力，磁粉离合制动器为行星齿轮箱提供负载。图 行星齿轮箱故障诊断试验平台设置故障工况：正常工况、太阳轮齿面磨损行星轮两齿磨损、太阳轮齿面磨损行星轮三齿磨损和太阳轮齿面磨损行星轮齿面点蚀这 种工况。齿轮故障如图 所示。图 齿轮故障工况图设置行星齿轮箱故障诊断试验平台。在负载电流.，变频交流电动机转动频率 条件下进行试验。在行星齿轮箱箱体输入轴和输出轴位置安装单向压电式加速度传感器如图 所示。设置传感器采样频率为.，通过数据采集器依次采集 种工况下的实验数据。图 传感器测点布置位置 信号的特征提取选取行星架输出轴上的测点采集到的数据作为样本。并把 种工况的数据分别划分为 组样本信号，共 组数据，每组样本信号包含 个数据 点。以 行 星 齿 轮 箱 正 常 工 况 为 例，使 用 对样本信号进行分解。分解行星齿轮箱正常工况的 分量如图 所示。图 行星齿轮箱正常工况 分解结果由于得到的 分量存在大量虚假分量，故采用频域互相关消除虚假分量。各 分量与原始信号的互相关系数如图 所示。根据图 选取第、阶互相关系数大于.的 作为特征分量。第 期 王浩楠，等：应用 和 的行星齿轮箱故障诊断：图 正常工况下各 分量的频域互相关系数计算优选的 分量的多尺度模糊熵均值，尺度因子取。每种工况 组样本信号，每组样本信号计算第、阶 分量的多尺度模糊熵均值。把 种工况总共 个数据，作为故障分类的特征，部分特征向量如表 所示。表 行星齿轮箱 种工况的部分特征向量工况.行星齿轮箱故障分类将正常工况、太阳轮齿面磨损行星轮两齿磨损、太阳轮齿面磨损行星轮三齿磨损和太阳轮齿面磨损行星轮齿面点蚀这 种工况的训练样本标签依次设置为、。在每种工况 组样本中选择 组数据共 组数据作为训练样本，每种工况剩余的 组数据共 组数据作为测试样本。由于篇幅所限，只列出每种工况下的 组信号样本的特征，如表 所示。本文使用了由台湾大学林智仁教授等开发的 工具箱进行 故障分类。参数均设置为默认值：参数类型，核函数参数 （为特征向量的维数），错误惩罚因子。核函数采用径向基核函数，其他参数均取默认值即可。分别把用、和 方法提取的特征矩阵输入到支持向量机中进行分类，并比较 种方法的分类准确率。得到的分类结果如图 图 所示。图 分解 分类预测图图 分解 分类预测图图 分解 分类预测图从图 可以看出使用 方法，分类预测准确率为。其中正常工况和太阳轮齿面磨损行星轮齿面点蚀故障工况中有 组样本错分。从图 可以看出使用 方法，分类预测准确率为。其中太阳轮齿面磨损行星轮齿面点蚀和太阳轮齿面磨损行星轮三齿磨损故障工况中有 组样本错分。根据图 可知使用 方法，分类机 械 科 学 与 技 术第 卷：预测准确率达到了。表 对比了 种方法的分类准确率，并计算对应方法下每种工况提取 组特征向量的耗时。通过表 可以得出使用 和 相结合的方法可以很好地兼顾分类准确率和计算耗时，能够更准确快速地解决行星齿轮箱的复合故障分类问题，证明了该方法的可行性和优越性。表 种方法分类对比特征提取方法分类准确率 每种工况用时.结束语本文针对行星齿轮箱的复合故障准确分类问题，应用了 和 相结合的方法实现了行星齿轮箱的故障诊断。利用 方法对不同工况信号分解，改善了 方法造成的模态混叠和无用分量过多等问题。最后使用 对行星齿轮箱的 种工况进行分类，通过对比 种方法的分类准确率，证明了该方法对行星齿轮箱复合故障分类的可行性和优越性。参考文献 饶振刚行星齿轮传动设计北京：化学工业出版社，：，（）丁康，李巍华，朱小勇齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术北京：机械工业出版社，：，：，：（）雷亚国，何正嘉，林京，等行星齿轮箱故障诊断技术的研究进展机械工程学报，（）：，（）：（）熊国良，甄灿壮，张龙，等基于 多尺度排列熵的轴承故障智能识别 聚类方法噪声与振动控制，（）：，（）：（），（），：，：，：，：裴振伟，朱平基于 的肺音信号识别研究电子设计工程，（）：，（）：（）管一臣，童攀，冯志鹏基于 方法和频率解调的行星齿轮箱故障电流信号特征分析振动与冲击，（）：，（）：（）姚瑞琦基于信息熵的直升机自动倾斜器滚动轴承故障诊断方法研究南昌：南昌航空大学，：，（），（）：张梅军，唐建，何晓晖 方法及其在机械故障诊断中的应用北京：国防工业出版社，：，：，：（）郑近德，陈敏均，程军圣，等多尺度模糊熵及其在滚动轴承故障诊断中的应用振动工程学报，（）：，（）：（）柴兴亮，刘薇娜基于改进 和多尺度模糊熵的气阀故障诊断组合机床与自动化加工技术，（）：，（）：（）周建民，王发令，张臣臣，等基于特征优选和 的滚动轴承智能评估方法振动与冲击，（）：，（）：（）潘峰，唐东林，陈印，等管道腐蚀缺陷超声信号的 模式识别研究机械科学与技术，（）：，（）：（）