【摘要】：在現(xiàn)代工業(yè)中,機(jī)械設(shè)備變得越來(lái)越高效、精密和智能化,且在工廠化的生產(chǎn)中與其他設(shè)備聯(lián)系緊密。為了保障機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行,有效地防止因設(shè)備故障造成的安全事故,有必要對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷研究。參考故障預(yù)測(cè)結(jié)果合理安排維修或保養(yǎng)計(jì)劃,以減少維修費(fèi)用,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的最大化。滾動(dòng)軸承是現(xiàn)代機(jī)器設(shè)備的核心組成部件,同樣也是最容易出現(xiàn)故障的零部件之一,滾動(dòng)軸承是否處于正常的工作狀態(tài)將直接影響機(jī)械設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行,甚至?xí)䦟?duì)整條生產(chǎn)線的安全生產(chǎn)造成影響。在本研究中,將滾動(dòng)軸承作為主要研究對(duì)象,針對(duì)其健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷中的特征提取這一科學(xué)問(wèn)題,結(jié)合振動(dòng)分析方法,進(jìn)行了一系列的研究工作。本研究先闡述了研究滾動(dòng)軸承健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷的背景和意義,對(duì)其發(fā)展歷程進(jìn)行了概述,并且對(duì)滾動(dòng)軸承的基本知識(shí)進(jìn)行了介紹,包括其基本結(jié)構(gòu)以及主要的失效形式。此外,總結(jié)了該課題中的關(guān)鍵技術(shù)和存在的科學(xué)問(wèn)題,分別對(duì)滾動(dòng)軸承狀態(tài)信息的采集、狀態(tài)信息的特征提取以及軸承健康狀態(tài)的模式識(shí)別這三個(gè)方面的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹,以此為基礎(chǔ)確立了本研究的主要研究思路和內(nèi)容。針對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè),本研究提出了一種基于信號(hào)內(nèi)相關(guān)信息的特征提取方法,即用振動(dòng)信號(hào)的時(shí)序圖像描述實(shí)現(xiàn)對(duì)滾動(dòng)軸承健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。該方法首先利用基于動(dòng)態(tài)時(shí)序規(guī)整(Dynamic Time Warping,簡(jiǎn)稱DTW)的最小距離的優(yōu)化匹配方法來(lái)獲得振動(dòng)信號(hào)周期,以一個(gè)或幾個(gè)周期的長(zhǎng)度將原始振動(dòng)信號(hào)劃分成若干片段,進(jìn)而利用信號(hào)重構(gòu)方法提取片段內(nèi)各數(shù)據(jù)之間的內(nèi)相關(guān)信息,構(gòu)建能描述滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)健康狀態(tài)的時(shí)序圖像,再利用灰度共生矩陣對(duì)其進(jìn)行分析和處理。然后采用統(tǒng)計(jì)距離來(lái)度量圖像間的相似度,進(jìn)而通過(guò)基于高斯分布的假設(shè)檢驗(yàn)對(duì)潛在的變化點(diǎn)進(jìn)行決策。最后,對(duì)常見(jiàn)的應(yīng)用典型進(jìn)行了探究。針對(duì)故障診斷,本研究提出了一種基于局部時(shí)序自相似度的故障特征提取方法,它是振動(dòng)信號(hào)的內(nèi)相關(guān)信息的另一種表達(dá)方式。這是一種將手動(dòng)特征設(shè)計(jì)和自動(dòng)特征學(xué)習(xí)相結(jié)合的混合方法,考慮了信號(hào)的局部特性以及變化趨勢(shì)。首先,選取信號(hào)某時(shí)刻鄰域內(nèi)的若干點(diǎn)構(gòu)建局部時(shí)序自相似矩陣,利用塊狀描述子統(tǒng)計(jì)該矩陣在8-bin上的梯度信息。然后利用“詞袋模型”對(duì)這些局部描述子進(jìn)行集成,學(xué)習(xí)得到由編碼字構(gòu)成的碼本,并將振動(dòng)信號(hào)表示為由編碼字出現(xiàn)次數(shù)表示的直方圖。最終利用兩種常用的機(jī)器學(xué)習(xí)方法k近鄰和支持向量機(jī)對(duì)其進(jìn)行分類。通過(guò)對(duì)軸承的故障診斷進(jìn)行實(shí)例研究,驗(yàn)證了所提出的基于局部時(shí)序自相似度的故障特征提取算法的有效性。最后,總結(jié)概括了本研究的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn),并且對(duì)論文存在的不足及后續(xù)的工作展望進(jìn)行了討論。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH133.33
【圖文】：

圖１－１滾動(dòng)軸承的基本結(jié)構(gòu)逡逑

邐推力球軸承邐圓錐滾子軸承逡逑圖１－１滾動(dòng)軸承的基本結(jié)構(gòu)逡逑隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。滾動(dòng)體分布在軸承內(nèi)外圈之間，通過(guò)保持架固定其相對(duì)位置，逡逑在承受徑向載荷的同時(shí)傳遞軸向載荷，滾動(dòng)體的數(shù)目、大小和形狀決定了軸承逡逑的承載能力，常用的滾動(dòng)體包括球滾子、圓柱滾子、圓錐滾子和滾針等。保持逡逑架的作用是固定滾動(dòng)體，使得滾動(dòng)體在內(nèi)外圈的滾道中均勻分布，保持滾動(dòng)體逡逑之間的距離，避免因滾動(dòng)體間的互相碰撞造成摩擦和磨損。逡逑１．２．３滾動(dòng)軸承失效形式逡逑（ａ）內(nèi)圈疲勞剝落邐（ｂ）軸承滾道磨損邐（ｃ）內(nèi)圈塑性變形逡逑（ｄ）外滾道浸蝕和腐蝕邐（ｅ）外圈斷裂邐⑴保持架變形逡逑圖１－２滾動(dòng)軸承失效形式樣例逡逑－５

通過(guò)使用多個(gè)候選子序列構(gòu)成解區(qū)間，在這個(gè)解區(qū)間里迭代匹配給定的信逡逑號(hào)序列，擁有最小匹配距離的候選序列即包含著信號(hào)的周期。對(duì)于計(jì)算候選子逡逑序列和原始序列的距離計(jì)算，由于其長(zhǎng)度存在不一致的情況，無(wú)法使用歐氏距逡逑離對(duì)其計(jì)算，在本研宄中使用動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲距離計(jì)算這兩個(gè)子序列間的相似逡逑度ｌ６５ｌ邋ＤＴＷ允許序列中部分樣本點(diǎn)的自我復(fù)制，找到這兩個(gè)序列中每個(gè)樣本點(diǎn)逡逑在時(shí)序上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，從而確定最優(yōu)匹配路徑計(jì)算序列間的距離，有效地解決了逡逑兩個(gè)不等長(zhǎng)序列間的距離計(jì)算。逡逑假設(shè)有４邋＝邋｛叫勿，…，ａＭ｝和５邋＝邋｛ｈ，６２，＂．，６；ｖ｝，其中Ｍ和７Ｖ分別代表序逡逑列Ａ和Ｓ的長(zhǎng)度，序列中每一對(duì)的ＤＴＷ距離是基于其對(duì)應(yīng)的特征值計(jì)算逡逑的。序列Ａ和５的從（１，１）到（Ｍ，ｉＶ）的最佳匹配路徑，可以由最小的ＤＴＷ累積距逡逑離￡）了丨％（式５）＝火叫，＾）確定，其中？５為計(jì)算中使用的距離，１）0代表累積距逡逑離函數(shù)，可以通過(guò)動(dòng)態(tài)特性確定，其表達(dá)式為：逡逑Ｄ邐ｂｊ＿ｉ）逡逑Ｄ邋（ａ，－，邋ｂｊ）邋＝邋｜ａｉ５邋ｂｊ＼ｐ邋＋邋ｍｉｎ邋＜邋Ｄ邋（ａ｛，邋ｂｊ－ｉ）邐（２－１）逡逑－Ｄ（ａｊ＿ｉ，６ｊ）逡逑１邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐；邋Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邋Ｉ逡逑

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