小波分析在旋转机械故障诊断中的应用
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基于小波多分辨分析的试飞中发动机转静子碰摩故障检测及诊断符娆;陈钊;左思佳【摘要】In allusion to the rotor-stator rubbing signal of aeroengine in flight test, firstly the original signal was denoised by wavelet threshold method, and the result shows that the saltation information of fault characteristics was remained while the high-frequency noise was filtered out effectively;then the denosied signal was processed by wavelet multi-resolution analysis. The result by time-frequency analysis shows that it has the capability to enhance the efficiency and precision rate of trouble-shooting.So the method that was mentioned in this paper provides an effective approach to real-time fault monitoring with the actual flight loads for the future.%针对试飞中发动机振动异常现象,采集发动机关键部位机匣振动信号,首先应用小波阈值方法对原始振动信号进行降噪处理,有效的滤除了高频噪声干扰,同时很好保留了故障特征信息;然后,对降噪后信号进行小波多分辨分析,得到信息无冗余、不遗漏、相互独立的各个子频带,这就使得故障信息浓缩化,位于某个频带的分解信号就只提供该频带中的机械动态信息,缩小了查找故障的范围,提高了故障检测及诊断的准确性、及时性,为今后真实飞行载荷下的实时故障监测提供一种有效途径。
小波分析在故障诊断中的应用摘要:小波分析技术具有多分辨率及良好的时域特性,为机械故障诊断提供了一条有效途径,本文以齿轮故障诊断为例,简要分析了小波分析技术在故障诊断中的应用。
关键词:小波分析;故障诊断;齿轮箱小波分析由于具有良好的时频局部化性能,已经在信号分析、图像处理、语音合成、故障诊断、地质勘探等领域取得一系列重要应用。
其多分辨率分析不仅应用于数字信号处理和分析、信号检测和噪声抑制,而且各种快速有效的算法也大大促进了小波分析在实际系统中的应用,使得小波及相关技术在通信领域中的应用也得到了广泛的研究,已逐步用于通信系统中的信号波形设计、扩频特征波形设计、多载波传输系统等。
被誉为数学显微镜的小波分析技术,为机械故障诊断中的非平稳信号分析、弱信号提取、信噪分离等提供了一条有效的途径,国内外近年来应用小波分析进行机械故障诊断的研究发展十分迅速,但就目前应用现状来看,还存在一些问题,限制了小波分析优良性质的发挥[1]。
一、小波分析理论小波分析方法具有对低频信号在频域里有较高分辨率,对高频信号在时域里也有较高的分辨率的特点,具有可调窗口的时频局部分析能力,弥补了傅立叶变换和快速傅立叶变换的不足。
目前,一般认为离散小波分析、多分辨率分析、连续小波分析及后来发展的小波包分析等都是小波理论的不同方面,是在小波理论发展的过程中不断繁衍产生的,这些方面都在故障诊断的应用中得到了体现。
㈠多分辨率分析小波分解相当于一个带通滤波器和一个低通滤波器,每次分解总是把原信号分解成两个子信号,分别称为逼近信号和细节信号,每个部分还要经过一次隔点重采样,再下一层的小波分解则是对频率的逼近部分进行类似的分解。
如此分解N次即可得到第N层(尺度N上)的小波分解结果。
在工程应用中,利用多分辨率分析可以对信号进行分解重构,不仅可以达到降噪的的目的,还可以识别在含噪声信号中有用信号的发展趋势。
㈡小波包分析小波包分解是从小波分析延伸出来的一种信号进行更加细致的分析与重构的方法。
时频分析及在旋转机械故障诊断中应用刘功生南华大学机械工程学院,湖南衡阳421001摘要:旋转机械故障信号常非平稳信号为,而时频分析是非平稳信号比较有力的分析工具。
为加深对时频分析方法及其应用的了解,从时频分析方法的的基本概念和在旋转机械故障诊断的应用特点入手,概括性介绍了四种典型的时频分析方法的优缺点及应用。
最后详细介绍了小波变换方法及其应用,为时频分析技术在旋转机械故障诊断中的应用提供了理论依据。
关键字:旋转机械;故障诊断;非平稳信号;时频分析方法;小波变换Time-frequency analysis and its application to fault diagnosis of rotary machinesGongsheng LiuAcademy of mechanical engineering, Hunan Hengyang 421001Abstract: The fault signal of rotary machines are always the non-stationary signal. To deal with a non-stationary signal time-frequency analysis techniques are widely used. To gain a better understanding of time-frequency analysis and its application, the basic concept and the application characteristics of fault diagnosis in rotary machines are first described. Then the characteristics of four typical time-frequency analysis techniques are generally described. At last the Wavelet transform technique and its application are introduced in detail. All the introduces are providing theoretical basis to the time-frequency techniques of fault diagnosis in rotary machines. Keywords: Rotary machine; Fault diagnosis; Non-stationary signal; Time-frequency techniques; Wavelet transform1前言旋转机械是机械设备的重要组成部分,如大型石油、化工、电力、冶金等行业的汽轮机、发电机、鼓风机、压缩机等都是典型的旋转机器[1]。
小波变换在故障诊断中的应用故障诊断是一项重要的技术,它可以帮助我们快速准确地找出设备或系统中的问题,并采取相应的措施进行修复。
而小波变换作为一种信号处理技术,在故障诊断中发挥着重要的作用。
本文将探讨小波变换在故障诊断中的应用,并分析其优势和局限性。
一、小波变换的基本原理小波变换是一种时频分析方法,它可以将信号分解成不同频率的成分,并提供信号的时域和频域信息。
其基本原理是将信号与一组基函数(小波函数)进行卷积运算,得到小波系数。
通过对小波系数的分析,可以获得信号的频率、幅值和相位等信息。
二、1. 故障特征提取小波变换可以将信号分解成不同频率的成分,因此可以用于提取故障信号中的特征。
例如,在机械故障诊断中,通过对振动信号进行小波分解,可以提取出不同频率的共振峰,从而确定故障类型和位置。
类似地,在电力系统故障诊断中,可以通过小波变换提取出电流或电压信号中的谐波成分,以判断是否存在电力设备的故障。
2. 故障诊断与分类小波变换可以将信号分解成多个尺度的小波系数,这样可以提供多尺度的频率信息。
在故障诊断中,我们可以利用这一特性进行故障分类。
例如,在机械故障诊断中,可以通过对振动信号进行小波分解,得到不同频率范围内的小波系数,然后利用机器学习算法对这些系数进行分类,从而实现对不同故障类型的自动识别。
3. 故障定位小波变换可以提供信号的时域和频域信息,因此可以用于故障的定位。
例如,在电力系统故障诊断中,可以通过小波变换将电流或电压信号分解成不同频率的小波系数,然后通过分析不同频率范围内的系数变化,确定故障的位置。
类似地,在机械故障诊断中,可以通过小波变换将振动信号分解成不同频率范围的小波系数,然后通过分析这些系数的幅值变化,确定故障的位置。
三、小波变换在故障诊断中的优势和局限性小波变换在故障诊断中具有以下优势:1. 多尺度分析:小波变换可以提供多尺度的频率信息,从而可以更全面地分析信号的特征。
2. 时频局部性:小波变换可以提供信号的时域和频域信息,并且在时频领域内具有局部性,能够更准确地描述信号的瞬态特征。
机械振动信号的小波分析与故障诊断机械振动是指机械系统在运行过程中所产生的振动现象。
振动信号是机械故障的重要指标,因为它可以反映机械系统的运行状态和内部结构的变化。
因此,对机械振动信号进行分析和诊断是实现机械故障预测和维护的关键技术之一。
在振动信号的分析方法中,小波分析作为一种多尺度分析方法,因其在时频域上具有出色的分辨能力,成为了机械振动信号分析与故障诊断领域中广泛应用的技术。
一、小波分析的基本原理小波分析是一种基于时频分析原理的分析方法。
其基本思想是将信号分解成不同尺度的小波基函数,用小波基函数对信号进行变换。
小波分析的核心是小波变换,其可以将信号转换为时域和频域的双重信息,从而更好地理解信号的特性和内在结构。
二、小波分析在机械振动信号处理中的应用小波分析在机械振动信号处理中具有较高的应用价值。
首先,小波变换可以提取信号的频谱信息和时域特征,通过对频谱分布进行分析,可以识别出机械系统中存在的频率分量和谐波分布,从而判断机械系统的正常运行状态。
其次,小波包分解和重构方法可以对振动信号进行时频分析,通过对振动模态和频率变化的研究,可以了解机械系统在不同工况下的振动特性和变化规律。
此外,小波模态分解方法可以提取出机械振动信号的分量,实现故障信号的提取和识别,为故障诊断提供有力的依据。
三、小波包分析在滚动轴承故障诊断中的应用滚动轴承是机械系统中常见的易损部件之一,其故障常表现为振动信号的不稳定性和频率分量的变化。
针对滚动轴承故障诊断问题,小波包分析方法能够更好地提取滚动轴承振动信号中的故障特征。
通过对滚动轴承振动信号进行小波包分解,可以得到一系列分量信号。
其中,能量集中的低频分量对应轴承的正常工作状态,而能量集中的高频分量则对应轴承的故障状态。
通过对不同尺度的高频分量进行分析,可以判断轴承故障的类型和程度。
此外,小波包分析方法还可以通过构建滚动轴承的特征向量,实现对不同故障状态的自动分类和识别。
四、小波熵在齿轮故障诊断中的应用齿轮是机械系统传动的重要部件之一,其故障常表现为齿面接触不良和齿面断裂等现象。
基于机器学习的旋转机械故障诊断方法的研究摘要旋转机械在工业生产中得到广泛应用,对旋转机械的故障诊断和预测成为了研究的热点之一。
本文提出了一种基于机器学习的旋转机械故障诊断方法,该方法可以对旋转机械进行故障分类和预测。
首先,采集旋转机械的振动信号和噪声信号,并对其进行滤波和降噪处理。
然后,通过小波变换将信号分解成多个尺度,利用能量和功率谱密度等特征参数进行特征提取。
最后,使用支持向量机、神经网络和随机森林等机器学习算法进行分类和预测。
实验结果表明,该方法可以有效地识别旋转机械的故障类型和预测故障发生时间,具有很高的诊断准确率和精度。
关键词:旋转机械;故障诊断;机器学习;小波变换;支持向量机;神经网络;随机森林AbstractRotating machinery has been widely used in industrial production, and the diagnosis and prediction of rotating machinery faults have become a hot research topic. In this paper, a machine learning-based rotating machinery fault diagnosis method is proposed, which can classify and predict faults of rotating machinery. First, the vibration signal and noise signal of the rotating machinery are collected and filtered and denoised. Then, the signal is decomposed into multiple scales by wavelet transform, and feature parameters such as energy and power spectral density are used for feature extraction. Finally, machine learning algorithms such as support vector machines, neural networks, and random forests are used for classification and prediction. The experimental results show that this method can effectively identify the type of rotating machinery faults and predict the time of fault occurrence, and has high diagnostic accuracy and precision.Keywords: Rotating machinery; fault diagnosis; machine learning; wavelet transform; support vector machine; neural network; random forest1. IntroductionRotating machinery is an important equipment in industrial production, which is widely used in various industries. However, due to the complexity of the working environment and the high requirements for operation, rotating machinery is prone to various failures, which seriously affect the efficiency of production and the safety of personnel. Therefore, the diagnosis and prediction of rotating machinery faults have become the focus of attention of relevant researchers.In recent years, with the rapid development of machine learning technology, more and more researchers have applied machine learning algorithms to the field of rotating machinery fault diagnosis. Machine learning is a comprehensive discipline that combines computer science, statistics, and artificial intelligence. It can analyze and learn data patterns and rules automatically, and use these patterns and rules to make predictions and decisions.This paper proposes a machine learning-based rotating machinery fault diagnosis method. First, the vibration signal and noise signal of the rotating machinery are collected and filtered and denoised. Then, the signal is decomposed into multiple scales by wavelet transform, and feature parameters such as energy and power spectral density are used for feature extraction. Finally, machine learning algorithms such as support vector machines, neural networks, and random forests are used for classification and prediction. The experimental results show that this method can effectively identify the type of rotating machinery faults and predict the time of fault occurrence, and has high diagnostic accuracy and precision.2. Related workRotating machinery fault diagnosis has been studied for many years, and various diagnosis methods have been proposed. Traditional diagnosis methods mainly rely on the analysis of vibration signals and noise signals, and use frequency spectrum analysis, envelope analysis, and time-frequency analysis to extract fault features.With the continuous advancement of machine learning technology, machine learning-based rotating machinery fault diagnosis methods have gradually attracted attention. For example, Bai et al. [1] proposed a convolutional neural network-based fault diagnosis method for rolling bearings. The method uses a data augmentation strategy to improve the performance of the model, and achieves a high diagnostic accuracy of 99.8%.Liu et al. [2] proposed a hybrid feature extraction method based on variational mode decomposition and permutation entropy. The method can extract more effective fault features from raw vibration signals, and achieved a high diagnostic accuracy of98.5%.Zheng et al. [3] proposed a fault diagnosis method based on a combination of spectral clustering and support vector machine. The method can effectively identify the type of faults in rotating machinery, and achieved a high diagnostic accuracy of 96.3%.3. Methodology3.1 Data collection and preprocessingIn this study, the vibration signal and noise signal of the rotating machinery are collected by a sensor. The collected signals are first filtered by a band-pass filter to remove any undesirable frequency components. Then, the signals are denoised by using a wavelet threshold denoising method. After filtering and denoising, the signals are divided into multiple segments to facilitate subsequent analysis.3.2 Feature extractionThe wavelet transform is used to decompose the signal into multiple scales, and the energy and power spectral density of each scale are calculated as feature parameters. Specifically, the signal is decomposed into several levels by using the discrete wavelet transform, and the energy and power spectral density of each level are calculated. Then, the feature parameters of the signal are obtained by combining the energy and power spectral density of different scales.3.3 Classification and predictionMachine learning algorithms such as support vector machines, neural networks, and random forests are used for classificationand prediction. Support vector machines are used to classify the type of faults in the rotating machinery, and neural networks are used to predict the time of fault occurrence. Random forests are used to validate the performance of the proposed method.4. ResultsThe proposed method is tested on a set of data collected from a rotating machinery. The data set contains 5000 vibration and noise signals, and is divided into 70% training set and 30% test set. The performance of the proposed method is evaluated by using several indicators such as accuracy, precision, and recall.The experimental results show that the proposed method can achieve a high diagnostic accuracy of 95%, with a precision of 93% and a recall of 96%. The method can effectively classify the typeof faults in the rotating machinery, and predict the time of fault occurrence with a low error rate.5. ConclusionIn this paper, a machine learning-based rotating machinery fault diagnosis method is proposed. The method uses wavelet transform to extract feature parameters from vibration and noise signals, and uses support vector machines, neural networks, and random forests for classification and prediction. The experimental results show that the proposed method can effectively identify the type of faults in the rotating machinery, and predict the time of fault occurrence with a high diagnostic accuracy and precision.The proposed method has important practical applications in the field of rotating machinery fault diagnosis.。
小波分析在旋转机械故障诊断中的应用
小波分析在旋转机械故障诊断中的应用
引言:
随着工业生产的发展,旋转机械在各个领域中得到了广泛应用,如船舶、飞机、汽车等。
然而,由于长期运转和复杂工况的影响,旋转机械故障常常会导致设备的停机和生产事故。
因此,旋转机械故障诊断成为了提高设备可靠性和效率的重要研究方向之一。
小波分析作为一种时间频率分析方法,已经在旋转机械故障诊断领域发挥了重要作用。
小波分析简介:
小波分析是一种同时分析时间和频率特性的信号处理方法。
它可以将复杂的非稳态信号分解为一系列时间和频率不同的小波基函数。
相对于传统的傅里叶变换方法,小波分析能够更好地捕捉信号的瞬时特征和频率变化。
小波分析在旋转机械故障诊断中的应用:
1. 故障特征提取:小波分析通过对旋转机械振动信号进行小
波分解,可以提取出信号中的瞬时频率、幅值和相位等信息。
这些信息能够帮助分析师识别旋转机械故障的特征频率和故障类型,如轴承故障、齿轮磨损等。
2. 故障诊断:小波包分析是小波分析的一种扩展方法,
它可以进一步提高信号分辨率和特征提取的效果。
通过将旋转机械振动信号进行小波包分解,可以获得更多的频率带宽和频率分辨率,进而提高故障诊断的准确性。
3. 故障监测:小波变换提供了一种有效的频率域监测方法。
通过对旋转机械振动信号进行小波分析,可以实时监测旋转机械的运行状态,并及时检测出故障的发生。
这种监测方法
可以有效地提醒操作人员进行设备维护和故障排除,从而减少停机时间和生产事故的发生。
小波分析在旋转机械故障诊断中的应用案例:
某工厂的离心风机在运行过程中出现了异常噪声和振动,为了找出故障原因并及时进行维修,工程师利用小波分析对风机振动信号进行了处理。
首先,工程师采集了风机振动信号,并将其进行小波分解,得到了频率和幅值变化的小波系数图。
通过观察小波系数图,工程师发现在特定的频率带宽内存在明显的异常频率成分,这可能是由于轴承故障导致的。
接着,工程师运用小波包分析进一步分析异常频率成分。
小波包分析提供了更细致的频率分辨率,帮助工程师更准确地确定故障频率。
经过分析,工程师最终确定风机的故障频率为100Hz。
最后,工程师对风机进行了维修和更换问题轴承,并重新测试振动信号。
经过维修后的风机振动信号中不再存在异常频率成分,证明故障已经解决。
结论:
小波分析作为一种重要的时间频率分析方法,在旋转机械故障诊断中发挥了重要作用。
它通过提取故障特征、进行故障诊断和实时监测,帮助工程师快速准确地确定故障原因,并及时进行维修。
随着小波分析方法的进一步发展和应用,相信在旋转机械故障诊断中可以取得更好的效果,并为提高设备可靠性和生产效率做出更大贡献
通过以上案例可以看出,小波分析在旋转机械故障诊断中具有重要的应用价值。
该方法通过对振动信号进行小波分解和
小波包分析,能够提取出频率和幅值变化的小波系数图,并准确确定故障频率。
通过对振动信号的分析,工程师能够迅速找出故障原因,进行及时维修和更换问题部件。
小波分析在旋转机械故障诊断中的应用,能够提高设备的可靠性和生产效率,从而为工厂的运行提供保障。
随着小波分析技术的不断发展和应用,相信在旋转机械故障诊断中能够取得更好的效果,为工程师提供更准确、可靠的故障诊断手段。