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基于ICEEMDAN及PFA-ELM的齿轮箱故障诊断研究

刘凯 李磊 王磊 陈庆辉 金奕扬 许家伟

刘凯, 李磊, 王磊, 陈庆辉, 金奕扬, 许家伟. 基于ICEEMDAN及PFA-ELM的齿轮箱故障诊断研究[J]. 制造技术与机床, 2023, (5): 21-27. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.05.002
引用本文: 刘凯, 李磊, 王磊, 陈庆辉, 金奕扬, 许家伟. 基于ICEEMDAN及PFA-ELM的齿轮箱故障诊断研究[J]. 制造技术与机床, 2023, (5): 21-27. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.05.002
LIU Kai, LI Lei, WANG Lei, CHEN Qinghui, JIN Yiyang, XU Jiawei. Fault diagnosis research of gearbox based on ICEEMDAN and PFA-ELM[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2023, (5): 21-27. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.05.002
Citation: LIU Kai, LI Lei, WANG Lei, CHEN Qinghui, JIN Yiyang, XU Jiawei. Fault diagnosis research of gearbox based on ICEEMDAN and PFA-ELM[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2023, (5): 21-27. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.05.002

基于ICEEMDAN及PFA-ELM的齿轮箱故障诊断研究

doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.05.002
基金项目: 国家重点研发计划(2020YFB1712600, 2020YFB1712602);国防基础科研计划项目(JCKY2021414B011)
详细信息
    作者简介:

    刘凯,男,1995年生,硕士研究生,研究方向为故障诊断。E-mail:lk93720@163.com

    通讯作者:

    李磊,男,1981年生,博士,副教授,硕士研究生导师,研究方向为数控机床等复杂机电产品振动噪声控制、故障诊断。E-mail:lilei0064@sina.com

  • 中图分类号: TH165+.3

Fault diagnosis research of gearbox based on ICEEMDAN and PFA-ELM

  • 摘要: 齿轮箱是工业设备中常用的传动部件。针对齿轮箱故障特征提取及诊断精度不足的问题,提出一种基于改进的自适应噪声完备集合经验模态分解(ICEEMDAN)及探路者算法(PFA)优化极限学习机(ELM)的故障诊断方法。首先,利用ICEEMDAN对信号进行分解,得到多个本征模态函数(IMF)。其次,基于斯皮尔曼相关系数,筛选出有效的IMF,并计算出每个有效IMF的模糊熵和排列熵作为故障特征向量。最后,利用PFA算法优化ELM中的权值和阈值,构建基于PFA-ELM的故障诊断模型。实验表明,PFA-ELM的故障诊断精度高达98.67%。该方法能够准确描述齿轮箱的工作状态,具有较高的实用价值。

     

  • 图  1  ELM网络结构

    图  2  PFA-ELM故障诊断模型流程图

    图  3  齿轮箱故障诊断实验平台

    图  4  正常状态下ICEEMDAN分解的信号时域波形

    图  5  不同故障状态下IMF分量的模糊熵和排列熵分布情况

    图  6  适应度曲线

    表  1  IMF分量与正常信号斯皮尔曼相关系数

    IMF分量名斯皮尔曼相关系数
    IMF10.699 6
    IMF20.401 9
    IMF30.256 3
    IMF40.195 6
    IMF50.139 3
    IMF60.114 9
    IMF70.053 4
    IMF80.046 5
    IMF90.051 8
    IMF100.030 0
    IMF110.005 7
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    表  2  样本编码及分布

    故障编码故障类型训练样本数测试样本数
    1正常状态3515
    2小齿轮断齿3515
    3小齿轮磨损3515
    4大齿轮断齿3515
    5大小齿轮均断齿3515
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    表  3  不同算法诊断结果对比

    齿轮箱
    状态
    故障
    标签
    标签识别数量
    PFA-ELMWOA-ELMGWO-ELMPSO-ELMELM
    正常状态11414141414
    小齿轮断齿21513111111
    小齿轮磨损31515151512
    大齿轮断齿41513131211
    大小齿轮均
    断齿
    51515151512
    诊断正确率/(%)98.6793.3390.6789.3380
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2023-02-24
  • 录用日期:  2023-03-13

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