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优化VMD与CNN在齿轮箱故障诊断应用研究

郗涛 杨威振

郗涛,杨威振. 优化VMD与CNN在齿轮箱故障诊断应用研究[J]. 机械科学与技术,2022,41(12):1829-1838 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200521
引用本文: 郗涛,杨威振. 优化VMD与CNN在齿轮箱故障诊断应用研究[J]. 机械科学与技术,2022,41(12):1829-1838 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200521
XI Tao, YANG Weizhen. Research on Gearbox Fault Diagnosis Method based onParameter Optimized VMD and CNN[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(12): 1829-1838. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200521
Citation: XI Tao, YANG Weizhen. Research on Gearbox Fault Diagnosis Method based onParameter Optimized VMD and CNN[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(12): 1829-1838. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200521

优化VMD与CNN在齿轮箱故障诊断应用研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200521
基金项目: 国家科技重大专项子课题(2019zx04055-001-014)
详细信息
    作者简介:

    郗涛(1974−),副教授,硕士生导师,研究方向为检测技术与自动化装置,xitao@sina.com

  • 中图分类号: TH17

Research on Gearbox Fault Diagnosis Method based onParameter Optimized VMD and CNN

  • 摘要: 针对齿轮箱的故障诊断的优化问题,提出了一种基于参数优化的变分模态分解(VMD)与卷积神经网络(CNN)相融合的故障诊断方法。该算法首先通过鲸鱼优化算法对VMD算法进行优化,之后通过正交实验法与粒子群优化算法进行了CNN模型中的重要参数进行优化,最后将分解后得到的固有模态分量输入CNN模型中进行训练学习。诊断完成后得到训练与检测结果,其中经过算法优化后CNN模型的训练与检测准确率可达98.7%与95.7%,优于未优化的准确率94.3%与91.8%。通过对结果的分析验证出该算法的可行性以及在诊断成功率方面的优越性,实现了故障特征信息的自适应性提取,并将故障类型进行分类,最终实现齿轮箱故障诊断的智能化。
  • 图  1  VMD算法应用流程图

    图  2  鲸鱼的泡泡网捕食习性模型

    图  3  螺旋位置更新模型

    图  4  一维CNN结构模型

    图  5  获取CNN最优参数流程

    图  6  粒子群算法流程图

    图  7  粒子群算法迭代过程图

    图  8  N1故障下齿轮箱振动信号的时域和频域图

    图  9  鲸鱼优化算法迭代过程图

    图  10  N1故障下齿轮箱振动信号的VMD分解时域图及频域图

    图  11  训练数据输入结果1(训练结果)

    图  12  未训练数据输入结果1(检测结果)

    图  13  训练数据输入结果2(训练结果)

    图  14  未训练数据输入结果2(检测结果)

    图  15  训练数据输入结果3(训练结果)

    图  16  未训练数据输入结果3(检测结果)

    图  17  训练数据输入结果4(训练结果)

    图  18  未训练数据输入结果4(检测结果)

    表  1  确定参数用数据样本

    故障类型转速/(r·min−1训练样本测试样本
    齿轮点蚀 1500 100 20
    齿轮磨损 1500 100 20
    齿轮变形 1500 100 20
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    表  2  正交实验结果

    编号ABCD准确率/%时间t
    1 5 3 0.001 0.1 77.2 78.03
    2 5 5 0.010 0.2 94.1 42.48
    3 5 7 0.100 0.3 83.4 38.49
    4 10 3 0.010 0.3 88.7 80.04
    5 10 5 0.100 0.1 61.2 213.75
    6 10 7 0.001 0.2 96.4 189.20
    7 15 3 0.100 0.2 63.0 267.36
    8 15 5 0.001 0.3 91.3 280.19
    9 15 7 0.010 0.1 60.2 645.27
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    表  3  实验数据分析统计结果

    参数ABCD
    E1 254.7%(159.00) 228.9%(425.43) 264.9%(547.42) 198.6%(937.05)
    E2 246.3%(482.99) 246.6%(536.42) 243.0%(767.79) 253.5%(499.04)
    E3 214.5%(1192.87) 240.0%(872.96) 207.6%(519.60) 263.4%(398.72)
    e1 84.9%(53.00) 76.3%(141.81) 88.3%(182.47) 66.2%(312.35)
    e2 82.1%(161.00) 82.2%(178.81) 81.0%(255.93) 84.5%(166.35)
    e3 71.5%(397.62) 80.0%(290.99) 69.2%(173.20) 87.8%(132.91)
    Q 13.4%(344.62) 5.9%(149.18) 19.1%(82.73) 21.6%(179.44)
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    表  4  齿轮箱在齿轮故障中的CNN诊断成功率结果对比

    优化结果文献[17]正交试验正交试验+
    MOPSO
    诊断成功率/% 95.4 96.1 98.9
    运行时间/s 163.5 154.4 166.7
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    表  5  训练实验结果统计

    编号样本个数故障类型诊断
    成功率/%
    诊断偏差
    平均值/mm
    ABCABC
    1 100 Z 96 94 99
    2 100 V 97 95 99
    3 100 N 96 93 98
    4 100 M 95 95 99
    5 100 J 97 94 99
    6 100 K 95 95 98
    7 500 Z1 0.85 1.04 0.63
    8 500 Z2 0.74 1.10 0.65
    9 500 Z3 0.82 0.99 0.61
    10 500 Z4 0.74 1.11 0.58
    11 500 Z5 0.81 0.98 0.59
    12 500 Z6 0.77 1.03 0.66
    13 500 V1 0.72 0.96 0.58
    14 500 V2 0.76 1.05 0.65
    15 500 V3 0.80 0.97 0.61
    16 500 V4 0.82 1.04 0.62
    17 500 V5 0.78 1.12 0.59
    18 500 V6 0.81 1.01 0.65
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    表  6  检测实验结果统计

    编号样本个数故障类型诊断
    成功率/%
    诊断偏差
    平均值/mm
    ABCABC
    19 100 X1 94 92 95
    20 100 X2 93 91 96
    21 100 X3 94 92 96
    22 100 X4 93 93 96
    23 100 X5 94 91 95
    24 100 X6 95 92 96
    25 500 ZX1 1.34 1.72 0.98
    26 500 ZX2 1.29 1.69 1.10
    27 500 VX3 1.37 1.74 1.06
    28 500 VX4 1.41 1.66 1.02
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-10-30
  • 网络出版日期:  2023-02-16
  • 刊出日期:  2022-12-05

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