留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

强噪声下工程装备轴承信号的稀疏重构研究

张泽宇 石泽 惠记庄 任余 张旭辉

张泽宇,石泽,惠记庄, 等. 强噪声下工程装备轴承信号的稀疏重构研究[J]. 机械科学与技术,2021,40(9):1361-1369 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200513
引用本文: 张泽宇,石泽,惠记庄, 等. 强噪声下工程装备轴承信号的稀疏重构研究[J]. 机械科学与技术,2021,40(9):1361-1369 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200513
ZHANG Zeyu, SHI Ze, HUI Jizhuang, REN Yu, ZHANG Xuhui. Research on Sparse Reconstruction of Engineering Equipment Bearing Signal under Strong Noise[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(9): 1361-1369. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200513
Citation: ZHANG Zeyu, SHI Ze, HUI Jizhuang, REN Yu, ZHANG Xuhui. Research on Sparse Reconstruction of Engineering Equipment Bearing Signal under Strong Noise[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(9): 1361-1369. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200513

强噪声下工程装备轴承信号的稀疏重构研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200513
基金项目: 陕西省自然科学基金项目(2019JZ-10)、中国博士后科学基金项目(2019M663913XB)、中央高校基本科研业务费资助项目(300102250106,300102251201)、陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室开放基金项目(SKL-MEEIM201907)、中国博士后国际交流计划项目(2020056)及西藏自治区科技计划项目(XZ2019TL-G-02)
详细信息
    作者简介:

    张泽宇(1990–),工程师,硕士生导师,博士,研究方向为工程装备监测技术与数据挖掘,zhangzeyu@chd.edu.cn

    通讯作者:

    惠记庄,教授,博士生导师, huijz6363@chd.edu.cn

  • 中图分类号: TH133.33

Research on Sparse Reconstruction of Engineering Equipment Bearing Signal under Strong Noise

  • 摘要: 工程装备轴承故障工况特征常被外在信息淹没,为了对故障数据有效提取,提出了粒子群寻优与稀疏重构相结合的降噪滤波方法,选取Laplace小波基进行参数寻优与字典预构,进而对轴承的振动信号进行稀疏重构。通过对实验数据施加2 dB的高斯白噪声模拟工程环境下的轴承信号,将优化的稀疏重构算法与巴特沃斯滤波器、小波阈值去噪算法进行对比。结果显示:在峰值信噪比与波形相似性等参数上,所提方法的效果更优,所得的重构信号内外圈故障特征频率与理论特征频率相接近,在充分过滤噪声后,可保留原始特征信息,为后期的故障诊断提供良好的数据基础。
  • 图  1  稀疏表征模型

    图  2  Laplace小波图像

    图  3  工程装备轴承振动信号稀疏重构

    图  4  轴承振动信号数据

    图  5  故障轴承振动信号频谱图

    图  6  正常轴承振动信号参数寻优

    图  7  内圈故障振动信号参数寻优

    图  8  外圈故障振动信号参数寻优

    图  9  无故障轴承振动信号稀疏重构

    图  10  内圈故障轴承振动信号稀疏重构

    图  11  滚动体故障轴承振动信号稀疏重构

    图  12  外圈故障滚动轴承振动信号稀疏重构

    图  13  添加2 dB噪声干扰的轴承内、外圈故障振动信号

    图  14  内圈故障轴承振动信号不同算法去噪结果

    图  15  外圈故障轴承振动信号不同算法去噪结果

    图  16  内圈故障轴承重构信号及其包络谱

    图  17  外圈故障轴承重构信号及其包络谱

    表  1  待测故障滚动轴承参数

    参数 类型或数值
    轴承型号 6205-2RS JEM SKF
    轴承内径/mm 25
    轴承外径/mm 52
    轴承节径/mm 52
    滚动体个数 9
    测量位置 驱动端
    宽度/mm 15
    采样频率/kHz 12
    下载: 导出CSV

    表  2  去噪算法结果对比

    算法 PSNR NCC
    内圈 外圈 内圈 外圈
    巴特沃斯滤波器 0.7874 0.8336 −0.1426 −0.2461
    小波阈值 1.2325 1.2953 0.6999 0.7656
    稀疏重构 2.4213 2.5758 0.7671 0.8878
    下载: 导出CSV
  • [1] 隆勇, 郭瑜, 伍星, 等. 基于振动信号分离的行星轴承故障特征提取[J]. 振动与冲击, 2020, 39(13): 78-83, 109

    LONG Y, GUO Y, WU X, et al. Fault feature extraction of planet bearings based on vibration signal separation[J]. Journal of Vibration and Shock, 2020, 39(13): 78-83, 109 (in Chinese)
    [2] 郭俊锋, 石斌, 魏兴春, 等. 基于K-SVD字典学习算法的稀疏表示振动信号压缩测量重构方法[J]. 机械工程学报, 2018, 54(7): 97-106 doi: 10.3901/JME.2018.07.097

    GUO J F, SHI B, WEI X C, et al. A method of reconstruction of compressed measuring for mechanical vibration signals based on K-SVD dictionary-training algorithm sparse representation[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2018, 54(7): 97-106 (in Chinese) doi: 10.3901/JME.2018.07.097
    [3] 马宏伟, 张大伟, 曹现刚, 等. 基于EMD的振动信号去噪方法研究[J]. 振动与冲击, 2016, 35(22): 38-40

    MA H W, ZHANG D W, CAO X G, et al. Vibration signal de-noising method based on empirical mode decomposition[J]. Journal of Vibration and Shock, 2016, 35(22): 38-40 (in Chinese)
    [4] 曹现刚, 张鑫媛, 吴少杰, 等. 基于小波包神经网络的轴承故障识别模型[J]. 机床与液压, 2019, 47(5): 181-186

    CAO X G, ZHANG X Y, WU S J, et al. Bearing fault identification model based on wavelet packet neural network[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2019, 47(5): 181-186 (in Chinese)
    [5] WANG J J, ZHAO K, WANG F, et al. Application of short-time energy method in the analysis of mechanical vibration signal of circuit breaker[C]//2019 IEEE 3rd International Electrical and Energy Conference (CIEEC). Beijing: IEEE, 2019: 121-125
    [6] 张泽宇, 惠记庄, 石泽. 小波包最优基分解树的降噪滤波方法研究[J]. 机械科学与技术, 2020, 39(1): 28-34

    ZHANG Z Y, HUI J Z, SHI Z. Research on denoising and filtering method based on wavelet packet optimal base decomposition tree[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(1): 28-34 (in Chinese)
    [7] 樊薇. 信号瞬态成分稀疏表示方法及其机械故障特征提取应用研究[D]. 苏州: 苏州大学, 2015

    FAN W. Sparse representation of signal transients and its application in machinery fault feature extraction[D]. Suzhou: Soochow University, 2015 (in Chinese)
    [8] 雷亚国, 贾峰, 孔德同, 等. 大数据下机械智能故障诊断的机遇与挑战[J]. 机械工程学报, 2018, 54(5): 94-104 doi: 10.3901/JME.2018.05.094

    LEI Y G, JIA F, KONG D T, et al. Opportunities and challenges of machinery intelligent fault diagnosis in big data era[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2018, 54(5): 94-104 (in Chinese) doi: 10.3901/JME.2018.05.094
    [9] ZHU X X, ZHAO J H, HOU D N, et al. An SDP characteristic information fusion-based CNN vibration fault diagnosis method[J]. Shock and Vibration, 2019, 2019: 3926963
    [10] VERSTRAETE D, FERRADA A, DROGUETT E L, et al. Deep learning enabled fault diagnosis using time-frequency image analysis of rolling element bearings[J]. Shock and Vibration, 2017, 2017: 5067651
    [11] 昝涛, 王辉, 刘智豪, 等. 基于多输入层卷积神经网络的滚动轴承故障诊断模型[J]. 振动与冲击, 2020, 39(12): 147-149, 163

    ZAN T, WANG H, LIU Z H, et al. A fault diagnosis model for rolling bearings based on a multi-input layer convolutional neural network[J]. Journal of Vibration and Shock, 2020, 39(12): 147-149, 163 (in Chinese)
    [12] VAN DEN BERG W, FRIEDLANDER M P. Probing the Pareto frontier for basis pursuit solutions[J]. SIAM Journal on Scientific Computing, 2009, 31(2): 890-912 doi: 10.1137/080714488
    [13] VAN DEN BERG E, FRIEDLANDER M P. Sparse optimization with least-squares constraints[J]. SIAM Journal on Optimization, 2011, 21(4): 1201-1229 doi: 10.1137/100785028
    [14] CWRU, Bearing date center, seeded fault test data [EB/OL]. http://csegroups.case.edu/bearingdatacenter/
    [15] 唐炬, 高丽, 彭莉, 等. 非平稳振荡局放信号去噪效果评价参数研究[J]. 高电压技术, 2007, 33(12): 66-70 doi: 10.3969/j.issn.1003-6520.2007.12.016

    TANG J, GAO L, PENG L, et al. Study on new evaluation parameters for de-noising performance of non-stationary oscillating partial discharge[J]. High Voltage Engineering, 2007, 33(12): 66-70 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1003-6520.2007.12.016
    [16] 盛兆顺, 尹琦岭. 设备状态监测与故障诊断技术及应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2003

    SHENG Z S, YIN Q L. Technology and application of equipment condition monitoring and fault diagnosis[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2003 (in Chinese)
  • 加载中
图(17) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  86
  • HTML全文浏览量:  61
  • PDF下载量:  4
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-24
  • 刊出日期:  2021-09-05

目录

    /

    返回文章
    返回