基于振动信号密度分布的风机轴承故障特征提取方法技术

本发明专利技术涉及基于振动信号密度分布的风机轴承故障特征提取方法，用相位去量化振动频率和振动幅值等振动信号，不同故障可以得出不同的梯度特征图，基于PCA降维技术将这些特征降至三维，绘制样本特征库，与传统方法对比，具有更强的辨识度。本发明专利技术紧扣振动信号三大要素：振动大小，振动频率，振动相位，未对信号进行过多的特征提取，减少了相关性较低因素对结果的影响。并采用统计学理论对原始振动信号的处理，使得不具有较强特征的振动信号，凸显其信号特征，提高了风机高速轴承特征提取准确度。提高了风机高速轴承特征提取准确度。

【技术实现步骤摘要】
基于振动信号密度分布的风机轴承故障特征提取方法


[0001]本专利技术涉及风机轴承，特别是一种基于振动信号密度分布的风机高速轴承故障特征提取方法。

技术介绍

[0002]风机高速轴承振动信号劣化是轴承出现故障的重要表现。捕捉局部劣化的振动信号可以及时发现风机高速轴承存在的潜在故障。特征提取是识别故障类型的前提，目前的方法如脉冲波形特征、小波特征在识别具有明显故障特征的信号时，具有较高的可信度，但是当振动信号特征不明显(如脉冲峰值不明显)，其可信度将会降低。因此，其改进和创新势在必行。
[0003]本专利技术基于统计图谱法提出了一种新的信号量化法则，用相位去量化振动频率和振动幅值等振动信号，不同故障可以得出不同的梯度特征图，基于PCA降维技术将这些特征降至三维，绘制样本特征库，与传统方法对比，具有更强的辨识度。

技术实现思路

[0004]针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本专利技术之目的就是提供一种基于振动信号密度分布的风机轴承故障特征提取方法，可有效解决提高轴承故障特征提取辨识度的问题。
[0005]本专利技术解决的技术方案是：
[0006]一种基于振动信号密度分布的风机轴承故障特征提取方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1：收集振动信号
[0008]收集风机待提取故障特征同型号的所有滚动轴承的振动信号，并将振动信号处理成时域曲线；
[0009]步骤S2：处理轴承故障样本数据
[0010](1)将滚动轴承转动一圈的度数划分成W个相等的区间，W≥8；
[0011]将滚动轴承转动一圈的振动量用振动量柱状图表示，设滚动轴承转动一圈的周期为T，i表示第i个周期，j表示第j个区间，振动量柱状图的横坐标为区间序号，纵坐标为时域曲线提取的振动量；每个振动量柱状图中的每个柱对应1个区间，振动量柱状图中柱的高度为对应区间内振动量振幅的平均值；
[0012]轴承转动n圈，则每个滚动轴承可以得到n个振动量柱状图，分别将n个振动量柱状图中相同区间的高度值求平均值，求得轴承转动n圈不同区间振动量振幅的平均值，得到轴承转动n圈的平均振动量振幅柱状图用于表示滚动轴承按照角度区间量化后的平均振动量的分布情况；
[0013](2)将滚动轴承每个区间内的原始振动信号经过快速傅里叶变换，得到每个区间的振动频谱图；在每个振动频谱图内统计该区间频率，取纵坐标最大处的频率作为该区间的振动频率，从而得到每个区间的振动频率；
[0014]将滚动轴承转动一圈的振动频率用振动频率柱状图表示，振动频率柱状图的横坐标为区间序号，纵坐标为振动频率，每个振动频率柱状图中的每个柱对应1个区间，振动频率柱状图的高度为对应区间内的振动频率；
[0015]轴承转动n圈，则每个滚动轴承可以得到n个振动频率柱状图，分别将n个振动频率柱状图中相同区间的高度值求平均值，求得轴承转动n圈不同区间振动频率的平均值，得到轴承转动n圈的振动频率分布柱状图用于表示滚动轴承按照角度区间量化后的振动频率的分布情况；
[0016](3)将时域曲线提取的每个区间的振动量采样值求和，得到每个区间的总振动量；
[0017]将滚动轴承转动一圈的总振动量用总振动量柱状图表示，总振动量柱状图的横坐标为区间序号，纵坐标为总振动量，每个总振动量柱状图中的每个柱对应1个区间，总振动量柱状图的高度为对应区间内的总振动量；
[0018]轴承转动n圈，则每个滚动轴承可以得到n个总振动量柱状图，分别将n个总振动量柱状图中相同区间的高度值求平均值，求得轴承转动n圈不同区间总振动量的平均值，得到轴承转动n圈的总振动量分布柱状图用于表示滚动轴承按照角度区间量化后的总振动量的分布情况；
[0019](4)原始振动信号中每个区间内的振动量的峰峰值即为每个区间的最大振动量；
[0020]将滚动轴承转动一圈的最大振动量用最大振动量柱状图表示，最大振动量柱状图的横坐标为区间序号，纵坐标为最大振动量，每个最大振动量柱状图中的每个柱对应1个区间，最大振动量柱状图的高度为对应区间内的最大振动量；
[0021]轴承转动n圈，则每个滚动轴承可以得到n个最大振动量柱状图，分别将n个最大振动量柱状图中相同区间的高度值求平均值，求得轴承转动n圈不同区间最大振动量的平均值，得到轴承转动n圈的最大振动量分布柱状图用于表示滚动轴承按照角度区间量化后的最大振动量的分布情况；
[0022]步骤S3：振动信号特征提取
[0023](1)转化
[0024]按照下式，分别将平均振动量振幅柱状图振动频率分布柱状图总振动量分布柱状图最大振动量分布柱状图的分布转化为密度函数，计算公式如下：
[0025][0026]式中：y
j
表示第j个区间上各柱状图的纵坐标值，p
j
表示第j个区间上的值在总值上的占比；
[0027](2)计算期望与方差
[0028]通过下式计算密度分布的期望μ：
[0029][0030](2)
[0031]式中：用x
j
表示横坐标所在区间的表示的分区角度值，p
j
表示第j个区间上的值在总值上的占比；
[0032]通过下式计算密度分布的方差：
[0033][0034](3)计算偏斜度S
k
、陡峭度K
u
、峰值点个数Pe：
[0035]偏斜度与陡峭度用来判断振动信号的概率密度分布相对于高斯分布的对称性和突起程度，其计算方法如下式：
[0036][0037][0038]定义峰值点：在一组振动信号序列中，若某点的数值比相邻两点的值都大，则这点可称为该区间的峰值点，一组信号中存在的峰值点个数记作Pe，Pe的寻找的方法如下：
[0039]设一组信号中的某点坐标为(x
i
,y
i
)，其前后两点的坐标为：(x
i
‑1,y
i
‑1)，(x
i+1
,y
i+1
)，当这三个点的数据满足下式时，可以判定该点即为一个峰值点：
[0040]y
i
‑
y
i
‑1＞0且y
i+1
‑
y
i
＜0(7)
[0041](4)计算相似性C：
[0042]用相关系数法来计算两组分布的相似，用下式表示：
[0043][0044]式中：p
j
表示第j个区间上的值在总值上的占比；设W表示区间个数；
[0045]至此，共提取了斜度S
k
、峭度Ku、峰值点个数Pe，相似性C共四组特征值；
[0046](5)特征数列组成方式：
[0047]由平均振动量振幅柱状图提取一组特征数据[S
k1
，K
e1
，P
e1
，C1]，再由振动频率分布柱状图总振动量分布柱状图最大振本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于振动信号密度分布的风机轴承故障特征提取方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：收集振动信号收集风机待提取故障特征同型号的所有滚动轴承的振动信号，并将振动信号处理成时域曲线；步骤S2：处理轴承故障样本数据(1)将滚动轴承转动一圈的度数划分成W个相等的区间，W≥8；将滚动轴承转动一圈的振动量用振动量柱状图表示，设滚动轴承转动一圈的周期为T，i表示第i个周期，j表示第j个区间，振动量柱状图的横坐标为区间序号，纵坐标为时域曲线提取的振动量；每个振动量柱状图中的每个柱对应1个区间，振动量柱状图中柱的高度为对应区间内振动量振幅的平均值；轴承转动n圈，则每个滚动轴承可以得到n个振动量柱状图，分别将n个振动量柱状图中相同区间的高度值求平均值，求得轴承转动n圈不同区间振动量振幅的平均值，得到轴承转动n圈的平均振动量振幅柱状图用于表示滚动轴承按照角度区间量化后的平均振动量的分布情况；(2)将滚动轴承每个区间内的原始振动信号经过快速傅里叶变换，得到每个区间的振动频谱图；在每个振动频谱图内统计该区间频率，取纵坐标最大处的频率作为该区间的振动频率，从而得到每个区间的振动频率；将滚动轴承转动一圈的振动频率用振动频率柱状图表示，振动频率柱状图的横坐标为区间序号，纵坐标为振动频率，每个振动频率柱状图中的每个柱对应1个区间，振动频率柱状图的高度为对应区间内的振动频率；轴承转动n圈，则每个滚动轴承可以得到n个振动频率柱状图，分别将n个振动频率柱状图中相同区间的高度值求平均值，求得轴承转动n圈不同区间振动频率的平均值，得到轴承转动n圈的振动频率分布柱状图用于表示滚动轴承按照角度区间量化后的振动频率的分布情况；(3)将时域曲线提取的每个区间的振动量采样值求和，得到每个区间的总振动量；将滚动轴承转动一圈的总振动量用总振动量柱状图表示，总振动量柱状图的横坐标为区间序号，纵坐标为总振动量，每个总振动量柱状图中的每个柱对应1个区间，总振动量柱状图的高度为对应区间内的总振动量；轴承转动n圈，则每个滚动轴承可以得到n个总振动量柱状图，分别将n个总振动量柱状图中相同区间的高度值求平均值，求得轴承转动n圈不同区间总振动量的平均值，得到轴承转动n圈的总振动量分布柱状图用于表示滚动轴承按照角度区间量化后的总振动量的分布情况；(4)原始振动信号中每个区间内的振动量的峰峰值即为每个区间的最大振动量；将滚动轴承转动一圈的最大振动量用最大振动量柱状图表示，最大振动量柱状图的横坐标为区间序号，纵坐标为最大振动量，每个最大振动量柱状图中的每个柱对应1个区间，最大振动量柱状图的高度为对应区间内的最大振动量；轴承转动n圈，则每个滚动轴承可以得到n个最大振动量柱状图，分别将n个最大振动量柱状图中相同区间的高度值求平均值，求得轴承转动n圈不同区间最大振动量的平均值，得
到轴承转动n圈的最大振动量分布柱状图用于表示滚动轴承按照角度区间量化后的最大振动量的分布情况；步骤S3：振动信号特征提取(1)转化按照下式，分别将平均振动量振幅柱状图振动频率分布柱状图总振动量分布柱状图最大振动量分布柱状图的分布转化为密度函数，计算公式如下：式中：y
j
表示第j个区间上各柱状图的纵坐标值，p
j
表示第j个区间上的值在总值上的占比；(2)计算期望与方差通过下式计算密度分布的期望μ：式中：用x
j
...

【专利技术属性】
技术研发人员：许辉，夏亚磊，张文涛，李勇，张许阳，钱亿博，袁卓，温兴远，朱侯超，
申请(专利权)人：中国大唐集团科学技术研究院有限公司中南电力试验研究院，
类型：发明
国别省市：