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基于小波阈值降噪EMD-AR谱分析和极限学习机的滚动轴承故障诊断

姚峰林 杨旭 丁凡志 赵明杰 李帅

姚峰林, 杨旭, 丁凡志, 赵明杰, 李帅. 基于小波阈值降噪EMD-AR谱分析和极限学习机的滚动轴承故障诊断[J]. 制造技术与机床, 2023, (7): 16-20, 31. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.07.002
引用本文: 姚峰林, 杨旭, 丁凡志, 赵明杰, 李帅. 基于小波阈值降噪EMD-AR谱分析和极限学习机的滚动轴承故障诊断[J]. 制造技术与机床, 2023, (7): 16-20, 31. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.07.002
YAO Fenglin, YANG Xu, DING Fanzhi, ZHAO Mingjie, LI Shuai. Fault diagnosis of rolling bearing based on wavelet threshold noise reduction EMD-AR spectrum analysis and extreme learning machine[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2023, (7): 16-20, 31. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.07.002
Citation: YAO Fenglin, YANG Xu, DING Fanzhi, ZHAO Mingjie, LI Shuai. Fault diagnosis of rolling bearing based on wavelet threshold noise reduction EMD-AR spectrum analysis and extreme learning machine[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2023, (7): 16-20, 31. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.07.002

基于小波阈值降噪EMD-AR谱分析和极限学习机的滚动轴承故障诊断

doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.07.002
基金项目: 国家自然科学基金项目(52075356);山西省教育厅项目(2019JG161);山西省自然科学基金项目(201901D111236);山西省教学改革创新项目(J2021411);太原科技大学研究生教学改革研究项目(JG2022011);太原科技大学研究生教育创新项目(SY2022041)
详细信息
    作者简介:

    姚峰林,男,1978年生,工学博士,教授,硕士研究生导师,主要研究方向为起重运输机械、物流设备及其系统自动化和微机电系统等方面的研究。E-mail:1157378891@qq.com

    通讯作者:

    杨旭,男,1997年生,硕士研究生,主要研究方向为起重运输机械、滚动轴承的故障诊断等。E-mail:yangxu0226@126.com

  • 中图分类号: TH17

Fault diagnosis of rolling bearing based on wavelet threshold noise reduction EMD-AR spectrum analysis and extreme learning machine

  • 摘要: 针对传统的滚动轴承故障诊断中,振动特征易受冗余噪声干扰,且不能对故障特征准确分类的问题,提出1种基于小波降噪、EMD-AR谱分析和ELM(极限学习机)的滚动轴承故障诊断的方法。对滚动轴承振动信号首先进行小波阈值降噪处理,随后将降噪后的一维信号进行EMD分解并提取其前6个IMF分量,将前6个IMF分量的AR谱累加得到降噪后振动信号的EMD-AR谱,可从谱中看出轴承不同的故障情况来作为先验诊断。最后提取降噪后信号的6个特征值作为样本,为避免实验的偶然性,建立基于K折交叉验证ELM分类诊断模型。诊断结果表明,该方法能对轴承故障情况进行清楚分类,分类精度最高可达100%,可对轴承故障诊断提供新的方法。

     

  • 图  1  三层小波分解结构

    图  2  极限学习机训练模型

    图  3  滚动轴承模拟试验台

    图  4  4种情况原始信号的时域图

    图  5  阈值降噪后的4种情况时域图

    图  6  4种工况的EMD-AR谱

    图  7  5折交叉验证ELM分类图

    表  1  组件参数表

    组件名称数量或参数
    电动机1.5 kW
    转矩传感器1 台
    示功器1 台
    电控1 套
    加速度传感器1 台
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    表  2  正常信号的特征值

    工况平均值方差最大值最小值峭度指标波形因子

    正常
    0.014 700.001 330.115 70−0.082 253.459 071.307 16
    0.014 140.001 750.125 12−0.086 523.001 301.222 37
    0.015 090.001 130.086 55−0.055 002.457 991.164 05
    0.010 370.001 590.102 04−0.061 622.261 751.196 22
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    表  3  内套故障信号的特征值

    工况平均值方差最大值最小值峭度指标波形因子
    内套故障0.002 970.007 910.521 42−0.420 6310.912 591.431 36
    0.004 790.004 910.307 21−0.327 437.378 571.382 04
    0.005 760.006 120.388 34−0.309 166.898 751.350 04
    0.004 130.005 820.249 59−0.292 073.789 021.281 29
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    表  4  滚动体故障信号的特征值

    工况平均值方差最大值最小值峭度指标波形因子
    滚动体
    故障
    0.004 950.000 870.064 06−0.054 602.093 011.182 57
    0.005 360.001 080.107 09−0.067 633.787 171.322 65
    0.004 380.000 560.062 09−0.044 652.919 651.230 67
    0.005 220.000 650.069 73−0.064 123.291 831.276 55
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    表  5  外圈故障信号的特征值

    工况平均值方差最大值最小值峭度指标波形因子
    外圈故障0.003 860.027 430.750 23−0.871 3813.968 011.982 72
    0.004 580.036 590.951 89−1.197 1619.221 752.159 15
    0.003 930.026 561.260 57−0.994 9828.511 192.536 65
    0.004 330.043 521.091 19−1.202 5916.612 262.099 04
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-18
  • 录用日期:  2023-05-10
  • 网络出版日期:  2023-06-30

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    《制造技术与机床》编辑部