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基于小波变换的机械轴承磨损故障特征提取方法研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 问题的提出

1.2 滚动轴承故障诊断技术的发展现状

1.3 信号的特征提取常用时频分析方法

1.4 本文研究内容

1.5 本文结构安排

第2章 小波变换相关理论

2.1 小波变换理论基础

2.1.1 小波变换

2.1.2 小波包分解

2.2 基于小波变换的特征提取方法研究

2.2.1 近似熵算法

2.2.2 样本熵算法

2.2.3 排列熵算法

2.3 基于小波包的特征提取算法研究

2.3.1 能量谱

2.3.2 能量矩

2.4 小波基函数及分解层数的选择

2.4.1 小波基函数的选择

2.4.2 分解层数的确定

2.5 本章小结

第3章 基于小波变换的滚动轴承内圈故障特征提取

3.1 监测数据分析

3.1.1 监测数据采集的滚动轴承相关参数

3.1.2 监测数据时频分析

3.2 基于小波近似熵的特征提取及识别

3.2.1 特征提取

3.2.2 特征识别

3.3 基于小波样本熵的特征提取及识别

3.3.1 特征提取

3.3.2 特征识别

3.4 基于小波排列熵的特征提取及识别

3.4.1 特征提取

3.4.2 特征识别

3.5 基于小波变换的三种特征提取方法分析比较

3.6 本章小节

第4章 基于小波包的滚动轴承内圈故障特征提取

4.1 基于小波包能量谱的特征提取及识别

4.1.1 特征提取

4.1.2 特征识别

4.2 基于小波包能量矩的特征提取及识别

4.2.1 特征提取

4.2.2 特征识别

4.3 基于小波包变换的两种特征提取方法分析比较

4.4 基于标准数据集的特征提取方法比较

4.5 本章小节

总结与展望

总结

展望

致谢

参考文献

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摘要

滚动轴承是许多机械设备上不可缺少的零器件,滚动轴承故障对整个机械设备甚至整条产线都有较大的影响。在滚动轴承的各种故障类型中,内圈的故障信号相对于滚动体、保持架和外圈故障的故障信号更加隐蔽,不易发现,其特征提取更加困难,所以,对滚动轴承内圈故障的特征提取方法进行研究是非常有必要的。
  论文的主要内容体现在以下几点:
  首先研究了基于小波变换的信号特征提取的方法,研究了近似熵、样本熵、排列熵、能量谱和能量矩算法,并进行了编程实现。研究了基于小波变换的近似熵、样本熵、排列熵算法和基于小波包变换的能量谱、能量矩算法,研究了上述算法在滚动轴承内圈故障的特征提取中的应用。
  其次,分别采用近似熵、样本熵、排列熵算法对滚动轴承纵向加速度信号进行特征提取,并实现了上述算法,对上述三种算法的特征提取结果进行分析比较。分析四种滚动轴承内圈磨损故障状态和正常状态在小波分解各频段上的特征差异,并用SVM进行识别。结果表明,在对五种工况的识别中,小波近似熵对正常工况的识别效果较为明显;小波样本熵对正常工况、内圈磨损0.021英寸工况、内圈磨损0.028英寸工况的识别效果较为明显;小波排列熵对内圈磨损0.007英寸工况、内圈磨损0.021英寸工况、内圈磨损0.028英寸工况的识别效果较为明显。通过低频段信号熵值偏高这一实验结果,验证了滚动轴承在工作状态下,低频段较高频段信号分布更为混乱的信号特点。
  再其次,用小波包变换的方法,将各频段重构的信号的能量谱和能量矩作为特征参数,通过观察滚动轴承五种工作状态下的特征参数的差异大小,选出辨识度高的频段,对结果进行分析,用SVM完成故障识别。两种特征提取方法对五种工况的识别表现得都比较全面,但小波包能量矩算法性能更为优越,除了内圈磨损0.021英寸工况的平均识别率为92%之外,其余工况均达到了94%。
  最后,仿真结果表明,文中研究的五种特征提取方法中,小波包能量矩算法更加适合用作滚动轴承内圈磨损故障的特征提取。

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