【摘要】：針對(duì)表征齒輪故障信息的特征難提取與支持向量機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)基于經(jīng)驗(yàn)選取,致使齒輪故障分類模型泛化能力弱、精度差的問題,提出一種基于相空間奇異值分解與AFSA-SVM的齒輪故障診斷方法。該方法首先將齒輪振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相空間重構(gòu),并對(duì)重構(gòu)矩陣進(jìn)行奇異值分解得到奇異值特征向量;其次,利用人工魚群算法優(yōu)化支持向量機(jī)的懲罰系數(shù)與高斯核寬度系數(shù),建立AFSA-SVM的齒輪故障分類模型;最后,將奇異值特征向量作為模型輸入進(jìn)行齒輪不同故障狀態(tài)的分類識(shí)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與基于BP、SVM和PSO-SVM的故障分類方法相比,基于相空間奇異值分解與AFSASVM的齒輪故障診斷方法具有更高的分類精度,更強(qiáng)的泛化能力。
【圖文】：

擲嗑鄐群頭夯狴?力。其中，懲罰系數(shù)C是擬合函數(shù)平滑性和分類精度的折中。C過(guò)大，訓(xùn)練精度高，泛化能力差;C過(guò)小，則訓(xùn)練誤差大。高斯核系數(shù)σ影響著支持向量間的相關(guān)程度。σ過(guò)小，支持向量聯(lián)系較松弛、模型復(fù)雜，推廣能力差;σ過(guò)大，支持向量間聯(lián)系過(guò)強(qiáng)，則分類模型精度低。因此，合理選擇這兩個(gè)參數(shù)能夠明確提高模型的分類精度和泛化能力。如何找到這兩個(gè)參數(shù)的最優(yōu)組合，目前尚沒有統(tǒng)一的理論方法，通常采用網(wǎng)格搜索法和交叉驗(yàn)證法。對(duì)此，采用AFSA優(yōu)化算法來(lái)尋找SVM的兩個(gè)參數(shù)的最優(yōu)值，其優(yōu)化流程如圖1所示。圖1AFSA優(yōu)化SVM算法流程3AFSA優(yōu)化SVM齒輪診斷模型的構(gòu)建借助美國(guó)SpectraQuest公司動(dòng)力傳動(dòng)故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)(圖2)來(lái)驗(yàn)證上述方法的有效性。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由1個(gè)二級(jí)行星齒輪箱，1個(gè)由滾動(dòng)軸承或套筒軸承支撐的二級(jí)平行軸齒輪箱(圖3)，1個(gè)軸承負(fù)載和1個(gè)可編程的磁勵(lì)制動(dòng)器組成。實(shí)驗(yàn)中，測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，其中測(cè)點(diǎn)1、2和3分別位于垂直徑向、水平徑向與軸向。采用ZonicBook/618E測(cè)試儀和加速度傳感器對(duì)三個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，采樣頻率為5120Hz，分析數(shù)據(jù)使用的采樣點(diǎn)數(shù)為1024個(gè)，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為2100r/min。圖2動(dòng)力傳動(dòng)故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)圖3平行軸齒輪箱的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖3．1特征提取通過(guò)依次對(duì)圖4直齒漸開線齒輪Z2(m=4．5;z=29)進(jìn)行正常、斷齒、齒根裂紋和齒面磨損四種故障件的更換，采集上述四種狀態(tài)下的振動(dòng)加速度信號(hào)，獲得各60組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含1024個(gè)采樣點(diǎn)。抽取每種狀態(tài)下40組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，余下20組作為測(cè)試樣本。對(duì)訓(xùn)練與測(cè)試樣本中每種狀態(tài)下的每個(gè)樣本分別建造相空間Hankel矩陣(維數(shù)設(shè)為25)，從而構(gòu)建一個(gè)25×1000的矩陣，后對(duì)矩陣進(jìn)行奇異值分解得到25行1列的一個(gè)奇異

則訓(xùn)練誤差大。高斯核系數(shù)σ影響著支持向量間的相關(guān)程度。σ過(guò)小，支持向量聯(lián)系較松弛、模型復(fù)雜，推廣能力差;σ過(guò)大，支持向量間聯(lián)系過(guò)強(qiáng)，則分類模型精度低。因此，合理選擇這兩個(gè)參數(shù)能夠明確提高模型的分類精度和泛化能力。如何找到這兩個(gè)參數(shù)的最優(yōu)組合，目前尚沒有統(tǒng)一的理論方法，通常采用網(wǎng)格搜索法和交叉驗(yàn)證法。對(duì)此，采用AFSA優(yōu)化算法來(lái)尋找SVM的兩個(gè)參數(shù)的最優(yōu)值，其優(yōu)化流程如圖1所示。圖1AFSA優(yōu)化SVM算法流程3AFSA優(yōu)化SVM齒輪診斷模型的構(gòu)建借助美國(guó)SpectraQuest公司動(dòng)力傳動(dòng)故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)(圖2)來(lái)驗(yàn)證上述方法的有效性。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由1個(gè)二級(jí)行星齒輪箱，1個(gè)由滾動(dòng)軸承或套筒軸承支撐的二級(jí)平行軸齒輪箱(圖3)，1個(gè)軸承負(fù)載和1個(gè)可編程的磁勵(lì)制動(dòng)器組成。實(shí)驗(yàn)中，測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，其中測(cè)點(diǎn)1、2和3分別位于垂直徑向、水平徑向與軸向。采用ZonicBook/618E測(cè)試儀和加速度傳感器對(duì)三個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，采樣頻率為5120Hz，分析數(shù)據(jù)使用的采樣點(diǎn)數(shù)為1024個(gè)，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為2100r/min。圖2動(dòng)力傳動(dòng)故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)圖3平行軸齒輪箱的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖3．1特征提取通過(guò)依次對(duì)圖4直齒漸開線齒輪Z2(m=4．5;z=29)進(jìn)行正常、斷齒、齒根裂紋和齒面磨損四種故障件的更換，采集上述四種狀態(tài)下的振動(dòng)加速度信號(hào)，獲得各60組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含1024個(gè)采樣點(diǎn)。抽取每種狀態(tài)下40組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，余下20組作為測(cè)試樣本。對(duì)訓(xùn)練與測(cè)試樣本中每種狀態(tài)下的每個(gè)樣本分別建造相空間Hankel矩陣(維數(shù)設(shè)為25)，從而構(gòu)建一個(gè)25×1000的矩陣，后對(duì)矩陣進(jìn)行奇異值分解得到25行1列的一個(gè)奇異值特征向量。將訓(xùn)練與測(cè)試樣本分別進(jìn)行上述操作，，即得到一個(gè)25×40的訓(xùn)練樣本相空間奇異值特征矩陣與25×20的測(cè)?

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