申请/专利权人：北京工业大学

申请日：2024-01-22

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN117892180A

主分类号：G06F18/24

分类号：G06F18/24;G06F18/2131;G06F17/14;G01M13/04

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2024.05.03#实质审查的生效;2024.04.16#公开

摘要：本发明公开了一种基于信号二维映射最佳频带的轴承故障诊断方法，该方法通过谱相干理论将振动信号映射到由频谱频率和循环频率组成的二维平面，利用自相关原理充分挖掘并增强了二维平面中隐藏的周期信息。提取谱相干循环频率方向的循环信息，将其转化为具体直观的数值表示，构建了谱相干循环周期指数以揭示故障信息。将谱相干循环周期指数应用于13‑二叉树滤波器组，提出了谱相干循环周期指数优化图以选择最佳频带，继而得到改进包络谱以实现故障诊断。

主权项：1.一种基于信号二维映射最佳频带的轴承故障诊断方法，其特征在于：S1谱相干；谱相干揭示轴承振动信号的二阶循环平稳特性，由频谱频率和循环频率组成的双变量映射；其中频谱频率反映具有循环信息的载波的性质，循环频率揭示轴承故障振动信号中隐藏的周期性调制；设xt为轴承故障振动信号，t＝nFs,n＝0,1,...,L-1，其中t为轴承故障振动信号的时间序列，L为轴承故障振动信号长度，Fs为采样频率；轴承故障振动信号的瞬时自相关函数定义如下：C2xt,τ＝E{xtxt-τ*}＝C2xt+T,τ其中E{·}表示平均算子，T表示轴承故障信号的循环周期，τ表示时滞，*表示共轭算子；对轴承故障振动信号的瞬时自相关函数进行双重傅里叶变换推导出谱相关，其定义如下： 定义谱相关的方法是： 其中表示轴承故障振动信号xt在持续时间W内的傅里叶变换；谱相关量化频率分量f和f+αt之间的相关程度，当信号xt为二阶循环平稳信号时，谱相关在谱频率方向呈连续分布，在循环频率方向是离散分布： 其中为循环谱；谱相关在循环频率α处存在一条连续分布的谱线该谱线与频率轴平行；随后，对谱相关进行归一化处理即可得到谱相干，其幅值在0～1之间： 其中S2x0,f为功率谱密度；S2确定轴承故障振动信号二维映射最佳频带；S2.1构建谱相干循环周期指数；构建特征指标谱相干循环周期指数来评估所有频带中包含的故障信息；该特征指标谱相干循环周期指数的计算分为以下两个步骤；首先，通过自相关函数来揭示谱相干中所有频谱频率切片的周期演变信息；二阶循环平稳信号的谱相干在循环频率方向上往往表现出特定的周期性；利用改进包络谱的自相关进一步评估不同频带的故障信息，其公式如下所示：OIESη＝E[|IESα+η2|·|IESα-η2|]其中IESα为在指定频带积分谱相干得到的改进包络谱，f1和f2为指定频带上下截止频率；其次，构建特征指标谱相干循环周期指数，其具体公式如下所示： 其中Ak＝[k·αfault-0.02·αfault,k·αfault+0.02·αfault]，max{·}表示最大值算子，其作用为选取Ak中的最大值以去除轴承滑移影响，TE表示循环频率滞后为零时的信号总能量点，K的值设为3；S2.2确定信号二维映射最佳频带；利用13-二叉树滤波器组分割频谱频率，其中每个分割后频带由中心频率和带宽两个变量定义，其上、下截止频率根据中心频率和带宽计算得到；然后，根据得到的谱相干循环周期指数公式计算每个分割后频带的特征指标数值，以评估频带的轴承故障信息；每个分割后频带都对应一个循环周期指数值，且根据上述公式可知谱相干循环周期指数需要预知故障特征频率；构建谱相干循环周期指数特征库SCCPfc,Bw，谱相干循环周期指数值越大，频带的故障信息越丰富；将谱相干循环周期指数最大值所在的频带定义为最佳频带，如下所示：OFB＝argmaxSCCPfc,Bw得到的最佳频带即为轴承故障诊断信号中故障信息频带，提取该故障信息频带，在该故障信息频带积分谱相干即可得到最佳改进包络谱，进而实现轴承故障诊断；S3基于信号二维映射最佳频带的轴承故障诊断方法步骤如下：第一步，采集轴承振动信号；利用加速度传感器采集具有不同故障的轴承实验台信号，获得振动加速度信号xt；第二步，计算振动信号的二维映射；基于谱相关的估计量推导出谱相干；第三步，分割频谱频率；利用13-二叉树滤波器组分割频谱频率，其中每个分割后频带由中心频率和带宽两个变量定义，其上、下截止频率根据中心频率和带宽计算得到；第四步，得到谱相干循环周期指数优化图；根据谱相干循环周期指数公式计算每个分割后频带的特征指标数值，以评估频带的故障信息；每个分割后频带都对应一个循环周期指数值，谱相干循环周期指数需预知故障特征频率；将故障特征频率的先验知识作为输入加载到所提出的谱相干循环周期指数图中；构建谱相干循环周期指数特征库SCCPfc,Bw；第五步，确定最佳频带；谱相干循环周期指数值越大，频带的故障信息越丰富；将谱相干循环周期指数最大值所在的频带定义为最佳频带，如下所示：OFB＝argmaxSCCPfc,Bw第六步，得到改进包络谱；在自适应确定最佳频带上沿频谱频率积分谱相干得到改进包络谱，进而实现轴承故障诊断。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 北京工业大学 一种基于信号二维映射最佳频带的轴承故障诊断方法

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