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融合EHF-TCDs与SVM的旋转机械轴心轨迹识别方法

孙国栋 徐亮 徐昀 高媛

孙国栋, 徐亮, 徐昀, 高媛. 融合EHF-TCDs与SVM的旋转机械轴心轨迹识别方法[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(7): 1079-1086. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180274
引用本文: 孙国栋, 徐亮, 徐昀, 高媛. 融合EHF-TCDs与SVM的旋转机械轴心轨迹识别方法[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(7): 1079-1086. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180274
Sun Guodong, Xu Liang, Xu Yun, Gao Yuan. Identification Method of Shaft Orbit in Rotating Machines using EHF-TCDs and SVM[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(7): 1079-1086. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180274
Citation: Sun Guodong, Xu Liang, Xu Yun, Gao Yuan. Identification Method of Shaft Orbit in Rotating Machines using EHF-TCDs and SVM[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(7): 1079-1086. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180274

融合EHF-TCDs与SVM的旋转机械轴心轨迹识别方法

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180274
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51775177

国家自然科学基金项目 51675166

详细信息
    作者简介:

    孙国栋(1981-), 教授, 博士, 研究方向为图像处理和故障诊断, sgdeagle@163.com

  • 中图分类号: TH17

Identification Method of Shaft Orbit in Rotating Machines using EHF-TCDs and SVM

  • 摘要: 针对运用轴心轨迹进行旋转机械故障诊断时,存在提取特征困难和识别率低等问题,在精确型高度函数EHF1(Extract height function 1)和TCDs(Triangular centroid cistances)描述子的基础上提出了一种EHF-TCDs描述子,并使用平滑化和傅里叶变换对其进行降维,该描述子具有起始点不变性、相似变换不变性、抗噪性、低维度等特点,并能充分表征轴心轨迹,再使用SVM对提取的EHF-TCDs描述子特征进行训练与测试,进而提出了一种新的旋转机械故障快速诊断方法。通过一个无噪声和4个有噪声的模拟轴心轨迹库和一个实测轴心轨迹库验证了该方法的有效性,其识别率都在99.57%以上,单个样本平均测试时间不超过0.021 ms。
  • 图  1  EHF1描述子原理图

    图  2  TCDs描述子原理图

    图  3  同一轮廓不同起始点的EHF-TCDs描述子比较

    图  4  融合EHF-TCDs与SVM的轴心轨迹识别算法流程图

    图  5  部分无噪声模拟轴心轨迹图

    图  6  部分有噪声模拟轴心轨迹图

    图  7  平滑化处理系数k对识别率以及训练和测试总时间的影响

    图  8  转子试验台

    图  9  实测轴心轨迹及其预处理

    表  1  不同描述子特征矩阵的维数比较

    描述子 特征维数
    SC N×Nd×Nθ =100×8×12=9 600
    IDSC N×Nd×Nθ =100×8×12=9 600
    EHF1 N×H =100×20=2 000
    TCDs (N-1)×H =99×16=1 584
    EHF-TCDs M×H =2×16×16=512
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    表  2  旋转机械故障对应的轴心轨迹图形

    故障类型 轴心轨迹形状
    转子不对中 香蕉型
    转子不平衡 椭圆形
    油膜涡动 内8字
    转子不对中 外8字
    油膜震荡 花瓣形
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    表  3  各描述子提取特征时间

    ms
    描述子 单个无噪声样本提取特征时间/ms 单个有噪声样本提取特征时间/ms
    EHF-TCDs 17.985 18.075
    EHF1 18.016 18.214
    TCDs 16.187 16.239
    IDSC 46.426 46.624
    SC 23.063 23.062
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    表  4  模拟无噪声轴心轨迹实验结果

    算法 平均识别率/% 特征提取后的训练时间/s 单个样本平均测试时间/ms
    本文提出算法 99.95 0.011 0.015
    SVM+SC 98.02 3.456 7.648
    SVM+IDSC 96.46 3.592 7.631
    SVM+TCDs 96.04 0.407 0.457
    SVM+EHF1 95.81 0.563 0.778
    BP+EHF-TCDs 99.44 2.761 0.041
    BP+EHF1 96.50 70.16 0.924
    BP+TCDs 94.10 57.17 0.726
    BP+SC 87.84 368.6 3.044
    BP+IDSC 83.38 364.8 3.013
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    表  5  不同信噪比的模拟有噪声轴心轨迹识别率

    %
    算法 不同信噪比的识别率/%
    5 dB 10 dB 15 dB 20 dB
    本文提出算法 99.74 99.80 99.91 99.93
    SVM+SC 93.20 95.72 97.06 97.18
    SVM+TCDs 91.76 93.66 94.73 95.87
    SVM+IDSC 90.48 92.64 93.38 95.02
    SVM+EHF1 87.14 89.46 92.06 93.66
    BP+EHF-TCDs 98.53 99.06 99.20 99.38
    BP+EHF1 90.19 92.75 93.65 93.77
    BP+TCDs 88.53 90.20 91.67 92.22
    BP+SC 81.00 81.09 86.60 87.18
    BP+IDSC 72.21 75.25 80.89 82.62
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  • 收稿日期:  2018-09-04
  • 刊出日期:  2019-07-05

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