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用于齿轮箱复合故障诊断的三阶段混合式特征选择方法研究

章翔峰 刘迪 姜宏

章翔峰, 刘迪, 姜宏. 用于齿轮箱复合故障诊断的三阶段混合式特征选择方法研究[J]. 制造技术与机床, 2022, (10): 5-12. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.10.001
引用本文: 章翔峰, 刘迪, 姜宏. 用于齿轮箱复合故障诊断的三阶段混合式特征选择方法研究[J]. 制造技术与机床, 2022, (10): 5-12. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.10.001
ZHANG Xiangfeng, LIU Di, JIANG Hong. Research on diagnosis method for gearbox compound fault using a three-stage hybrid feature selection method[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2022, (10): 5-12. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.10.001
Citation: ZHANG Xiangfeng, LIU Di, JIANG Hong. Research on diagnosis method for gearbox compound fault using a three-stage hybrid feature selection method[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2022, (10): 5-12. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.10.001

用于齿轮箱复合故障诊断的三阶段混合式特征选择方法研究

doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.10.001
基金项目: 国家自然科学基金(51865054);新疆维吾尔自治区自然科学基金资助项目(2022D01C36)
详细信息
    作者简介:

    章翔峰,男,1984年生,副教授,研究方向为齿轮系统动力学、机械故障诊断和信号处理技术。E-mail:15276606076@163.com

    通讯作者:

    刘迪,男,1998年生,研究生,研究方向为齿轮箱复合故障机理研究及诊断。E-mail:107552001059@stu.xju.edu.cn

  • 中图分类号: TH165+.3

Research on diagnosis method for gearbox compound fault using a three-stage hybrid feature selection method

  • 摘要: 相比于单部件复合故障,多部件复合故障中故障信息分散在多个域中和特征间相互耦合影响等情况更为严重,导致构造的特征集中往往存在着大量冗余或无关的特征。针对此问题,提出一种三阶段混合式特征选择方法,用于从特征集中筛选敏感特征,提升故障分类准确率。首先,使用4种过滤式模型对故障特征进行评价,然后基于分类错误率对评价结果加权排序,最后结合3种启发式搜索方法按照加权排序结果筛选最优子集。通过一组包含11种故障类别的齿轮–轴承复合故障数据集进行试验,试验结果表明该方法可以在降低特征集维数的同时显著提升分类准确率。

     

  • 图  1  RBF网络结构

    图  2  特征选择流程图

    图  3  风电机组驱动系统故障诊断试验台

    图  4  不同齿轮-轴承复合故障的时域波形

    图  5  特征筛选阶段

    图  6  测试集的混淆矩阵

    表  1  特征参数

    时域特征参数频域特征参数特征值域特征参数
    $ {{T}}_{{1}}{=}\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{n = 1}^{N}{x}\left({n}\right)}{{N}} $$ {{T}}_{{8}}{=}\dfrac{{{T}}_{{5}}}{{{T}}_{{4}}} $$ {{F}}_{{1}}{=}\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{k = 1}^{K}{s}\left({k}\right)}{{K}} $$ {{F}}_{{8}}{=}\sqrt{\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{k = 1}^{K}{{{f}}_{{k}}}^{{4}}{s}\left({k}\right)}{\displaystyle\sum\nolimits_{k = 1}^{K}{{{f}}_{{k}}}^{2}{s}\left({k}\right)}} $$ {{P}}_{{1}}{=}\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{l = 1}^{N}\widehat{{f}}\left({{ \lambda }}_{{l}}\right)}{{N}} $
    $ {{T}}_{{2}}{=}\sqrt{\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{n = 1}^{N}{\left({x}\left({n}\right)-{{T}}_{{1}}\right)}^{{2}}}{{N}-{1}}} $$ {{T}}_{{9}}{=}\dfrac{{{T}}_{{5}}}{{{T}}_{{3}}} $$ {{F}}_{{2}}{=}\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{k = 1}^{K}{\left({s}\left({k}\right)-{{F}}_{{1}}\right)}^{{2}}}{{K}-{1}} $$ {{F}}_{{9}}{=}\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{k = 1}^{K}{{{f}}_{{k}}}^{2}{s}\left({k}\right)}{\sqrt{\displaystyle\sum\nolimits_{k = 1}^{K}{s}\left({k}\right)\displaystyle\sum\nolimits_{k = 1}^{K}{{{f}}_{{k}}}^{2}{s}\left({k}\right)}} $$ {{P}}_{{2}}{=}\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{l = 1}^{N}{{ \lambda }}_{{l}}\widehat{{f}}\left({{ \lambda }}_{{l}}\right)}{\displaystyle\sum\nolimits_{l = 1}^{N}\widehat{{f}}\left({{ \lambda }}_{{l}}\right)} $
    $ {{T}}_{{3}}{=}{\left(\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{n = 1}^{N}\sqrt{\left|{x}\left({n}\right)\right|}}{{N}}\right)}^{{2}} $$ {{T}}_{{10}}{=}\dfrac{{{T}}_{{4}}}{\dfrac{{1}}{{N}}\displaystyle\sum\nolimits_{n = 1}^{N}\left|{x}\left({n}\right)\right|} $$ {{F}}_{{3}}{=}\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{k = 1}^{K}{\left({s}\left({k}\right)-{{F}}_{{1}}\right)}^{{3}}}{{K}{\left(\sqrt{{{F}}_{{2}}}\right)}^{{3}}} $$ {{F}}_{{10}}{=}\dfrac{{{F}}_{{6}}}{{{F}}_{{5}}} $$ {{P}}_{{3}}{=}\dfrac{\sqrt{\displaystyle\sum\nolimits_{l = 1}^{N}{{(}{{ \lambda }}_{{l}}-{P}_{{2}}{)}}^{{2}}\widehat{{f}}\left({{ \lambda }}_{{l}}\right)}}{\displaystyle\sum\nolimits_{l = 1}^{N}\widehat{{f}}\left({{ \lambda }}_{{l}}\right)} $
    $ {{T}}_{{4}}{=}\sqrt{\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{n = 1}^{N}{\left({x}\left({n}\right)\right)}^{{2}}}{{N}}} $$ {{T}}_{{11}}{=}\dfrac{{{T}}_{{5}}}{\dfrac{{1}}{{N}}\displaystyle\sum\nolimits_{n = 1}^{N}\left|{x}\left({n}\right)\right|} $$ {{F}}_{{4}}{=}\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{k = 1}^{K}{\left({s}\left({k}\right)-{{F}}_{{1}}\right)}^{{4}}}{{K}{{{F}}_{{2}}}^{{2}}} $$ {{F}}_{{11}}{=}\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{k = 1}^{K}{\left({{f}}_{{k}}-{{F}}_{{5}}\right)}^{{3}}{s}\left({k}\right)}{{K}{{{F}}_{{6}}}^{{3}}} $$ {{P}}_{{4}}{=}\sqrt{\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{l = 1}^{N}{{{ \lambda }}_{{l}}}^{{2}}\widehat{{f}}\left({{ \lambda }}_{{l}}\right)}{\displaystyle\sum\nolimits_{l = 1}^{N}\widehat{{f}}\left({{ \lambda }}_{{l}}\right)}} $
    ${ {T} }_{ {5} }{={\rm{max}}}\left|{x}\left({n}\right)\right|$$ {{F}}_{{5}}{=}\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{k = 1}^{K}{{f}}_{{k}}{s}\left({k}\right)}{\displaystyle\sum\nolimits_{k = 1}^{K}{s}\left({k}\right)} $$ {{F}}_{{12}}{=}\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{k = 1}^{K}{\left({{f}}_{{k}}-{{F}}_{{5}}\right)}^{{4}}{s}\left({k}\right)}{{K}{{{F}}_{{6}}}^{{4}}} $$ {{P}}_{{5}}{=}\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{l = 1}^{N}{{(}{{ \lambda }}_{{l}}-{P}_{{2}}{)}}^{{3}}\widehat{{f}}\left({{ \lambda }}_{{l}}\right)}{{N}{P}_{{3}}^{{4}}} $
    $ {{T}}_{{6}}{=}\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{n = 1}^{N}{{(}{x}\left({n}\right)-{{T}}_{{1}}{)}}^{{3}}}{{(}{N}-{1)}{{{T}}_{{2}}}^{{3}}} $$ {{F}}_{{6}}{=}\sqrt{\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{k = 1}^{K}{\left({{f}}_{{k}}-{{F}}_{{5}}\right)}^{{2}}{s}\left({k}\right)}{{K}}} $${ {F} }_{ {13} }{=}\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{k = 1}^{K}\sqrt{\left({ {f} }_{ {k} }-{ {F} }_{ {5} }\right)}{s}\left({k}\right)}{ {K}\sqrt{ { {F} }_{ {6} } } }$$ {{P}}_{{6}}{=}\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{l = 1}^{N}{{(}{{ \lambda }}_{{l}}-{P}_{{2}}{)}}^{{4}}\widehat{{f}}\left({{ \lambda }}_{{l}}\right)}{{N}{P}_{{3}}^{{4}}} $
    $ {{T}}_{{7}}{=}\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{n = 1}^{N}{{(}{x}\left({n}\right)-{{T}}_{{1}}{)}}^{{4}}}{{(}{N}-{1)}{{{T}}_{{2}}}^{{4}}} $$ {{F}}_{{7}}{=}\sqrt{\dfrac{\displaystyle\sum\nolimits_{k = 1}^{K}{{{f}}_{{k}}}^{2}{s}\left({k}\right)}{\displaystyle\sum\nolimits_{k = 1}^{K}{s}\left({k}\right)}} $
    注:表中$ {x}{(}{n}{)} $表示振动信号的时间序列,$ {N} $表示时间序列的采样数目,$ {s}{(}{k}{)} $表示信号$ {x}{(}{n}{)} $的频谱,$ {k=}{1}{,}{2}{,}{\cdots}{,}{K} $,K是谱线数,$ {{f}}_{{k}} $表示第$ {k} $条谱线的频率值,$ \widehat{{f}}\left({{ \lambda }}_{{l}}\right) $表示图信号的特征值谱,$ {{ \lambda }}_{{l}} $表示特征值,$ {l=}{1}{,}{2}{,}{\cdots}{,N} $。
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    表  2  样本类型

    故障
    类型
    状态1状态2状态3状态4状态5状态6状态7状态8状态9状态10状态11
    正常
    状态
    齿轮磨
    损故障
    齿轮裂
    纹故障
    齿轮断
    齿故障
    轴承内
    圈故障
    轴承外圈
    故障
    轴承滚动
    体故障
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    表  3  排序结果

    排序FSDETIGPCC加权
    1227122702692
    222121926927015
    3222382826313
    4122251526428
    5123122581
    613513925723
    7219252710619
    821720221228217
    9118211062226
    1012022422923326
    1111971923410
    122282262325114
    131218143252222
    141311311412223
    151422022515131
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    表  4  实验对比结果

    实验特征个数识别准确率/(%)训练时间/s
    原始特征集27081.71.92
    实验12093.390.96
    实验22079.450.94
    实验32017.210.92
    本文方法1894.420.92
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  • 收稿日期:  2022-05-19
  • 录用日期:  2022-07-12

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