一种基于形态学函数构建尺度空间的轴承故障诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种基于形态学函数构建尺度空间的轴承故障诊断方法，包括如下步骤：步骤1.选择形态学函数的结构元素；步骤2.优化形态学函数平滑频谱的平滑速度；步骤3.构建尺度空间平面；步骤4.通过Ostu方法、半正态分布法或均值法确立尺度空间曲线阈值，进而对尺度空间曲线进行二分类处理，对边界点进行筛选，最后划分频带；步骤5.频带划分完成后，使用EWT算法进行信号分解，进而进行包络解调得到包络图，根据包络图判断出轴承的故障类型。本发明专利技术属于先验算法，省去了频带初次划分后再合并频带的时间，提高了算法的计算效率，同时该方法也提高了划分频带的准确性，适用于机械系统故障诊断与信号处理技术领域。障诊断与信号处理技术领域。障诊断与信号处理技术领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于形态学函数构建尺度空间的轴承故障诊断方法


[0001]本专利技术属于机械系统故障诊断与信号处理
，具体的说，涉及一种基于形态学函数构建尺度空间的轴承故障诊断方法。

技术介绍

[0002]滚动轴承是旋转机械中的关键部件之一，其实际工作情况对机械系统能否正常运行起着重要作用。由于列车滚动轴承的服役环境较为恶劣，所以在列车运行过程中经常发生滚动轴承失效现象。复杂激扰下高速列车轴箱滚动轴承信号通常是非线性、非平稳的信号。由于轮轨冲击和环境噪声的影响，在采集到的振动信号中常含有较强的噪声和干扰，这样就造成轴承故障信号较难准确提取。
[0003]基于尺度空间表征的轴承故障诊断方法，通过自适应划分频带进行信号分解，在轴承故障诊断方法中具有良好的应用前景。但是，在大量噪声存在的情况下，故障轴承的信号中存在着大量的极值点，常通过高斯核函数的方式平滑极值点。随着尺度参数的变化，故障轴承的信号频谱也逐渐平滑，其极值点数量也逐渐减少，传统技术中，常通过 Ostu方法、半正态分布法、均值法等确定尺度空间曲线的阈值，进而对尺度空间曲线进行二分类处理 ，最后确立频带边界。上述传统技术中通过高斯核函数构建的尺度空间表征方法虽然可以进行故障特征的提取，但是在实际应用中却比较困难。因为在以往技术中构建尺度空间的方法，多采用后验算法，即利用高斯核函数构建尺度空间曲线，但利用该方法划分频带时会出现频带划分过度的问题，然后还要利用相关性、峭度等指标合并频带，具体的，其不足之处如下：1.在强噪声的情况下，抑制谐波的能力较差，传统的尺度空间方法，并不能准确的划分频带；2.利用高斯核函数的方式进行信号频谱的平滑，抑制谐波的能力较差，频带划分的数量过多，需要经过大量的计算，计算效率较低，耗费比较多的时间，不能实现在线监测的功能。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于形态学函数构建尺度空间的轴承故障诊断方法，用于解决通过高斯核函数构建的尺度空间，抑制谐波的能力较差，频带划分的准确性较低，频带划分的数量过多，算法的计算效率较低的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种基于形态学函数构建尺度空间的轴承故障诊断方法，包括如下步骤：步骤1.使用开闭平均滤波器构建形态学函数，构造加入白噪声的仿真信号，用以模拟故障轴承的冲击信号，对仿真信号进行傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号，生成频谱，选用扁平形和三角形的结构元素分别进行仿真信号频谱的平滑，并将平滑后的仿真信号频谱结果进行对比分析，选择出符合尺度空间要求的、效果良好的结构元素；
步骤2.使用若干组凯斯西储大学轴承数据，对不同数据量、不同故障类型的轴承信号频谱进行平滑，比较各组最后10个极值点的平滑速度和尺度大小，优化其平滑速度；步骤3.基于步骤1确立形态学函数的结构元素，基于步骤2确立形态学函数平滑频谱的速度，并构建形态学函数，用构建完成的形态学函数平滑仿真信号的频谱，计算不同尺度参数下极小值出现的次数，从而得到各尺度空间曲线的长度，在得到各尺度空间曲线后，生成整个频带范围内的尺度空间平面，构建尺度空间；步骤4.通过Ostu方法、半正态分布法或均值法确立尺度空间曲线阈值，进而对尺度空间曲线进行二分类处理，对边界点进行筛选，最后划分频带；步骤5.频带划分完成后，使用EWT算法进行信号分解，进而进行包络解调得到包络图，在包络图中找出基频和倍频信号，根据包络图判断出轴承的故障类型。
[0006]进一步的，所述步骤1中开闭平均滤波器的构建公式如下：
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公式1f为原始信号，g为形态学结构元素，运算符表示形态学开运算，运算符表示形态学闭运算。
[0007]进一步的，所述步骤1中的仿真信号构建公式如下：
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公式2其中，位移常数=5，e为底数，ζ为冲击系数，作为衡量故障信号冲击程度的指标，ζ=0.1，ω为故障频率，ω=3000Hz,t为时间变量。
[0008]进一步的，所述步骤1中选用三角形和扁平形的结构元素对仿真信号频谱进行平滑和对比分析，其中结构元素的长度以20的速率递增，分别分析其极值点的变化速率。
[0009]进一步的，所述步骤3中构建的尺度空间需要满足以下三个条件：
①
具有平移不变特性；
②
随着尺度参数的增加，信号的极值点数目会逐渐减少；
③
信号必须为实信号；根据上述三个条件构建尺度空间。
[0010]进一步的，所述步骤4中采用Ostu方法确立尺度空间曲线阈值。
[0011]进一步的，所述步骤5中使用EWT算法进行信号分解包括如下步骤：步骤a：构建经验小波的尺度函数和小波函数；步骤b：根据步骤a构建EWT信号分解公式。
[0012]进一步的，所述步骤a中构建经验小波的尺度函数公式如下：公式3
构建小波函数公式如下：公式4式中，为两个相邻频带中间的过度区间，ω为故障频率，为频带的边界，η为关于x的函数，具体如下：公式5上式中η(x)是关于x的分段函数，分为x≤0和x≥1两种情况。
[0013]进一步的，由公式3、公式4和公式5得到EWT信号分解公式：
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公式6公式7式中：n为尺度函数和小波函数的数量，t为时间变量，x(n)为原始信号，ψn为第n个小波函数，τ为两个相邻频带中间的过度区间，ω为故障频率，φ1为第一个尺度函数。
[0014]本专利技术由于采用了上述的方法，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：在传统技术中构建尺度空间曲线的方法，多采用后验算法，即利用高斯核函数平滑信号频谱，计算尺度空间曲线，生成尺度空间平面，构建尺度空间，然后利用相关性、峭度等指标合并频带，一方面，利用该方法划分频带时会出现频带划分过度的问题，计算效率较低，另一方面，这样会造成频带划分的准确性较差。本专利技术提出了利用形态学函数构建尺度空间进行轴承故障诊断的方法，选用开闭平均滤波器构建形态学函数，通过构建仿真信号和凯斯西储大学轴承数据进行实验验证，进而选取适合的结构元素和结构元素长度，随着尺度参数的不断增加，增加结构元素的长度，不断平滑信号的频谱，计算尺度空间曲线的长度，生成尺度空间平面，构建尺度空间，最后通过二分类法筛选尺度空间曲线，将频带划分完毕；然后通过构建经验小波的尺度函数和小波函数得到EWT信号分解公式，进行信号分解和包络解调得到包络图，在包络图中找出基频和倍频信号，从而判断故障类型。本专利技术属于先验算法，省去了频带初次划分后再合并频带的时间，提高了计算效率，同时该方法也提高了划分频带的准确性，适用于机械系统故障诊断与信号处理

附图说明
[0015]附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。
[0016]在附图中：图1为仿真信号的时域图；图2为三角形结构元素平滑频谱的极值点变化图；图3为扁平形结构元素平滑频谱的极值点的变化图；图4为采样时间为1s时轴承外圈故障尺度参数的变化图；图5为采样时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于形态学函数构建尺度空间的轴承故障诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1.使用开闭平均滤波器构建形态学函数，构造加入白噪声的仿真信号，用以模拟故障轴承的冲击信号，对仿真信号进行傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号，生成频谱，选用扁平形和三角形的结构元素分别进行仿真信号频谱的平滑，并将平滑后的仿真信号频谱结果进行对比分析，选择出符合尺度空间要求的、效果良好的结构元素；步骤2.使用若干组凯斯西储大学轴承数据，对不同数据量、不同故障类型的轴承信号频谱进行平滑，比较各组最后10个极值点的平滑速度和尺度大小，优化其平滑速度；步骤3.基于步骤1确立形态学函数的结构元素，基于步骤2确立形态学函数平滑频谱的速度，并构建形态学函数，用构建完成的形态学函数平滑仿真信号的频谱，计算不同尺度参数下极小值出现的次数，从而得到各尺度空间曲线的长度，在得到各尺度空间曲线后，生成整个频带范围内的尺度空间平面，构建尺度空间；步骤4.通过Ostu方法、半正态分布法或均值法确立尺度空间曲线阈值，进而对尺度空间曲线进行二分类处理，对边界点进行筛选，最后划分频带；步骤5.频带划分完成后，使用EWT算法进行信号分解，进而进行包络解调得到包络图，在包络图找出故障轴承的基频和倍频信号，判断出轴承的故障类型。2.根据权利要求1所述的一种基于形态学函数构建尺度空间的轴承故障诊断方法，其特征在于：所述步骤1中开闭平均滤波器的构建公式如下： 公式1f为原始信号，g为形态学结构元素，运算符表示形态学开运算，运算符表示形态学闭运算。3.根据权利要求1所述的一种基于形态学函数构建尺度空间的轴承故障诊断方法，其特征在于：所述步骤1中的仿真信号构建公式如下：
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公式2其中，位移常数=5，e为底数，ζ为冲击系数，作为衡量故障信号冲击程度的指标，ζ=0.1，ω为故障频率，ω=3000Hz，t为时间变量。4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘鹏飞，杨旭，刘泽潮，李瑞军，李靖，刘永强，顾晓辉，王晨，张悦，
申请(专利权)人：大秦铁路股份有限公司太原车辆段，
类型：发明
国别省市：