一种基于往复机械活塞杆轴心轨迹包络与信息熵特征的负荷识别方法技术

本发明专利技术涉及一种基于往复机械活塞杆轴心轨迹包络与信息熵特征的负荷识别方法。活塞杆是往复机械的核心运动部件之一，一旦发生松动、断裂等故障易导致恶性事故。往复机械的运行负荷与故障均会导致活塞杆运行状态的改变，从活塞杆运行数据中提取故障特征需排除往复机械运行负荷的影响。首先，发明专利技术根据三角形相似定理计算出轴心位置，得到轴心位置分布；然后，采用改进的离散点包络方法与信息熵评估方法，从活塞杆轴心位置分布中提取特征；再然后，采用流形学习方法进行特征降维后构建负荷敏感特征集；最后，训练神经网络构建负荷识别分类器，实现了往复机械运行负荷的自动识别。应用实际往复压缩机活塞杆数据验证了本发明专利技术的优越性。

A method of load identification based on the envelope of axis locus and information entropy of reciprocating piston rod

【技术实现步骤摘要】
一种基于往复机械活塞杆轴心轨迹包络与信息熵特征的负荷识别方法
本专利技术涉及一种往复机械的负荷识别方法。
技术介绍
变负荷工况下故障监测诊断一直是难点问题。负荷变化通常导致机械结构动态特性改变，使振动、位移等信号中的故障特征受到干扰。活塞杆是往复机械核心运动部件，易发生紧固元件松动、裂纹甚至断裂故障。针对往复机械故障监测诊断的研究报道已经较多，也有开展活塞杆轴心轨迹的研究报道。例如，利用声发射技术对活塞杆进行在线监测，实现了事故的早期预警；利用基于X方向、Y方向的活塞杆轴心位置轨迹的故障诊断分析方法，可实现往复机械活塞组件、活塞杆的潜在故障早期预警；利用谐波小波对活塞杆轴心轨迹进行提纯，提取振动能量、固有频率与轨迹包络面积等特征，用于故障诊断。目前，针对变负荷工况下活塞杆运动特征提取的研究鲜有报道。当工况改变与故障同时发生时，活塞杆运行状态改变的根本原因需要明确，应针对负荷影响与故障影响分别进行特征挖掘，避免故障误判。因此，变负荷状态下的活塞杆瞬态运动特性研究很重要。针对前述问题，本专利技术提出了一种基于活塞杆轴心轨迹离散点分布本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于往复机械活塞杆轴心轨迹包络与信息熵特征的负荷识别方法，其特征在于，包括以下步骤：/n第一步，设置不同的负荷状态Load＝{0,d,2d,3d,…,wd}，w＝0,1,2,…，其中d为负荷梯度，总工况数为(w+1)，利用往复机械在线监测系统，通过水平方向的电涡流位移传感器和竖直方向的电涡流位移传感器分别采集相应负荷状态下的活塞杆原始偏摆位移X

【技术特征摘要】
1.一种基于往复机械活塞杆轴心轨迹包络与信息熵特征的负荷识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，设置不同的负荷状态Load＝{0,d,2d,3d,…,wd}，w＝0,1,2,…，其中d为负荷梯度，总工况数为(w+1)，利用往复机械在线监测系统，通过水平方向的电涡流位移传感器和竖直方向的电涡流位移传感器分别采集相应负荷状态下的活塞杆原始偏摆位移Xm＝{x1,x2,x3,…,xm}和活塞杆原始沉降位移Ym＝{y1,y2,y3,…,ym}，m为采样点数；得到原始数据集XYn＝{(Xm,Ym)1T,(Xm,Ym)2T,…,(Xm,Ym)nT}T，n为数据组数；
第二步，利用公式(1)去除原始信号Xm和原始信号Ym的平均值，得到X′m＝{x′1,x′2,x′3,…,x′m}和Y′m＝{y′1,y′2,y′3,…,y′m}；原始数据集变为XY′n＝{(X′m,Y′m)1T,(X′m,Y′m)2T,…,(X′m,Y′m)nT}T



式中，Fm为活塞杆原始偏摆或沉降位移；F′m为去掉平均值之后的活塞杆偏摆或沉降位移；
以偏摆传感器测量的水平方向为X轴，以沉降传感器测量的垂直方向为Y轴，建立平面直角坐标系，初始时刻活塞杆轴心位置记为O0(a0,b0)，某一时刻活塞杆轴心位置记为Om(am,bm)，活塞杆半径记为R，则该时刻活塞杆圆周与X轴交点为JX(R+x′m,0)，与Y轴交点为JY(0,R+y′m)；设点Om和点JX连线与X轴所成夹角为θ，点Om和点JY连线与点Om所在与X轴平行的直线所成夹角为根据三角形相似定理，推导出公式(2)，公式(3)，联立两个公式求解活塞杆不同时刻的轴心位置Om(am,bm)，构成轴心位置分布集O＝{O1(a1,b1),O2(a2,b2),O3(a3,b3),…,Om(am,bm)}；






公式(2)(3)中j＝1,2,3,…,m；
第三步，利用改进的离散点轮廓包络方法计算轴心位置分布O＝{O1(a1,b1),O2(a2,b2),O3(a3,b3),…,Om(am,bm)}的包络特征Bao，改进的离散点轮廓包络方法具体步骤如下：
3.1、根据轴心位置分布O，通过寻找水平方向X上的最小值点al与最大值点ar，竖直方向Y上的最小值点bd与最大值点bu，确定轴心位置分布的4个极限位置，分别记为Ol(al,bl),Or(ar,br),Od(ad,bd),Ou(au,bu)，以四个极限位置点所成四边形内部为内侧，外部为外侧；
3.2、分别以上述轴心极限位置为起点，以逆时针方向，遍历各时刻轴心位置，以斜率最小原则，提取轴心位置轮廓凸集包络；
计算极限位置点Od和Or之间的凸集包络，具体计算方法如下：
(1)将点Od和点Or所成线段记为L1，则其斜率α1表示为：



(2)假设线段L1外侧的所有普通轴心位置点集为P＝{p1(a1,b1),p2(a2,b2),p3(a3,b3),…}，计算点Od与P中任意一点所组成线段的斜率，记为K＝{β1,β2,β3,…}；当存在多个点斜率相同的情况时，计算相应点与点Od之间的距离，记为D＝{dis1,dis2,dis3,…}；在点集P中寻找点p′(ap,bp)，使得点p′满足以下条件：
β′＝minK且β′≤α1且dis′＝maxD(5)
式(5)中，β′为点p′与点Od所成线段的斜率，dis′为点p′与点Od之间的距离；
所得p′点即为凸集包络中的包络点；
(3)用凸集包络点p′替换点Od；将点p′和点Or所成线段记为L′1，其斜率记为α′1；进行下一轮迭代，寻找新的凸集包络点；
(4)重复步骤(1)(2)(3)，当最新凸集包络点与点Or距离为0时，停止迭代，得到极限点Od和极限点Or之间轴心位置分布轮廓的凸集包络，记为B′dr＝{p′1,p′2,p′3,…}；
计算极限点Or和点Ou之间，点Ou和点Ol之间，点Ol和点Od之间的凸集包络B′ru、B′ul、B′ld，最终得到全部轴心位置分布的凸集包络点集Btu＝{Od,B′dr,Or,B′ru,Ou,B′ul,Ol,B′ld}；
(5)由公式(6)计算轴心位置轮廓凸集包络形成的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旭东，张进杰，江志农，茆志伟，王瑶，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11