（化工过程机械专业论文）基于内积变换的机械故障特征提取原理与早期识别方法研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号t p 3 9 1 ，t h 4 ，t k l ，t k 8学科分类号 4 7 0 10 9 9 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 0 9 3密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名冯坤学号 2 0 0 9 0 8 0 0 9 3 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 国家自然科学基金重 点课题( 5 1 13 5 0 0 1 ) 和 课题来源研究方向机械故障特征提取与识别 “9 7 3 ”课题 ( 2 0 1 2 c b 0 2 6 0 0 0 ) 论文题目 基于内积变换的机械故障特征提取原理与早期识别方法研究 内积变换，机械故障，特征提取，早期识别，加速度信号压缩，冲击性故障， 关键词 示功图 论文答辩日期2 0 1 2 年5 月3 1 日+ 论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师高金吉 教授北京化工大学 故障诊断和智能维修 评阅人1何正嘉教授西安交通大学 机械设备监测与诊断 评阅人2 虞和济教授东北大学力学、振动，中击噪声 评阅人3盲审1教授 评阅人4盲审2教授 评阅人5 盲审3教授 答辩委员会主席虞和济教授东北大学 力学、振动冲击噪声 答辩委员1 虞和济教授 东北大学 力学、振动冲击噪声 答辩委员2 蒋东翔教授 清华大学动力系统故障诊断 答辩委员3 徐小力教授 北京信息科技大学状态监测、故障诊断及趋势预测 答辩委员4 王奎升教授 北京化工大学 流体机械 答辩委员5 何立东教授 北京化工大学转子动力学 ) 王：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在中国图书资料分类法查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g t13 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中查询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 基于内积变换的机械故障特征提取原理与早期识别方法研究 摘要 本文针对关键机泵、燃气轮机、往复式压缩机风力透平等机械装备健 康监控中的故障特征提取和早期识别问题，开展了理论、实验和工程应用 研究。 在理论研究方面，本文在前人总结的内积变换和机械故障诊断关系的 基础上，基于泛函分析中的r i e s z 表示定理和振动力学中的d u h a m e l 积分 原理，阐明了以下观点：( 1 ) 当且仅当机械故障特征提取采用了线性变换 时，特征提取可以归结为内积变换；( 2 ) 线性机械系统的响应可以视为故 障激振力与其物理响应函数的内积。此外，赋予信号处理理论中基于内积 变换的框架和对偶框架关系式以物理意义，可作为机械故障动态信号特征 提取的统一数学模型内积变换模型。该模型在振动信号压缩、冲击性 振动故障特征提取、往复机示功图故障特征提取三种场合下有不同的具体 形式。 针对采油平台机泵和风力发电机组在线监测的大数据量昂贵传 输带宽的突出矛盾，研究了振动加速度信号压缩方法。提出了基于小波变 换和最优稀疏表达的压缩方法。该方法可以视为内积变换模型在基于稀疏 表达的加速度信号压缩情形下的具体形式。实验研究表明：基于s y m 8 小 北京化工大学博士学位论文 波和匹配追踪( m p ) 的压缩方法具有相对最优的压缩效果。工程应用研 究结果表明：该方法能够将振动加速度信号数据压缩至2 0 ，且不丢失振 动故障特征。为后续振动故障特征提取和早期识别打好了基础。 针对风力发电机组齿轮箱故障、机泵和双转子燃气轮机滚动轴承故障 特征提取和早期识别，研究了它们机理上共有的冲击性。提出两种最优化 参数的冲击性振动故障特征提取方法一最优高通滤波包络解调方法、最优 反对称实l a p l a c e ( a r l w ) 4 , 波滤波包络解调方法；并指出两种方法均为 内积变换模型在冲击性特征提取时的具体形式。实验和工程应用研究表 明：这两种方法对早期或微弱冲击性故障特征提取与识别性能相较传统高 通滤波包络解调有提升。 针对往复式压缩机故障的示功图特征提取和早期识别，提出了基于 c u r v e l e t 变换的往复压缩机故障示功图特征提取和基于支持向量机的故障 识别方法。阐述了内积变换模型在该种情况下的具体物理意义。实验研究 表明：c u r v e l e t 变换比一般小波变换能够更清晰地提取示功图特征，而结 合支持向量机就能够自动检测不同往复机故障示功图问的差异；该结果可 用于自动化示功图故障诊断，具有成为构建往复机故障诊断专家系统支撑 技术的潜力。 关键词：内积变换，机械故障，特征提取，早期识别，加速度信号压缩， 冲击性故障，示功图 摘要 s t u d yo nm 睑c h i n ef a u l tf e a t u r ee x t r a c t i o n a n de a r l yi d e n t i f i c a t i o nb a s e do ni n n e r p r o d u c tt r a n s f o r m a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ef a u l t sf e a t u r ee x t r a c t i o na n de a r l yi d e n t i f i c a t i o no fk e y f a n sa n dp u m p s ，g a st u r b i n e s ，r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r sa n dw i n dt u r b i n e sa r e s t u d i e d t h e o r e t i c a la n da p p l i c a t i o nr e s e a r c h e sa r em a d e t h e o r e t i c a lr e s e a r c hi sm a d ef o l l o w i n gt h er e l m i o nb e t w e e ni n n e rp r o d u c t a n dm a c h i n ef a u l td i a g n o s i sw h i c hw a ss u m m a r i z e db yt h ef o r m e rr e s e a r c h e r s t w om a i np o i n t sa r ep r e s e n t e db a s e do nr i e s zr e p r e s e n t a t i o nt h e o r e ma n d d u h a m e li n t e g r a l f i r s t ，i fa n do n l yi fl i n e a rt r a n s f o r mi sa d o p t e db yf a u l t f e a t u r ee x t r a c t i o n ，t h ef e a t u r ee x t r a c t i o np r o c e s sc a nb et a k e na si n n e rp r o d u c t s e c o n d ，t h er e s p o n s eo fl i n e a rm a c h i n es y s t e me x c i t e db yf a u l tf o r c e si st h e i n n e rp r o d u c to ft h ef o r c e sa n dt h es y s t e m sp h y s i c a lr e s p o n s ef u n c t i o n f u r t h e r m o r e ，b yg i v i n g t h ep h y s i c a lm e a n i n gt of r a m e sa n dd u a lf r a m e s r e l m i o np r o p o s e di ns i g n a lp r o c e s s i n gf i e l d ，t h i sr e l a t i o nc a nb et a k e na sa g e n e r a lm a c h i n e f a u l tf e a t u r ee x t r a c t i o nm o d e lt e r m e di n n e rp r o d u c tt r a n s f o r m 北京化工大学博士学位论文 ( i p t ) m o d e l d i f f e r e n tc o n c r e t ef o r m so ft h i sm o d e la r es h o w ni nt h e s i t u a t i o n so fs i g n a lc o m p r e s s i o n ，i m p u l s i v ev i b r a t i o nf a u l tf e a t u r ee x t r a c t i o n a n di n d i c a t o rd i a g r a mf e a t u r ee x t r a c t i o no fr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r s t h ep r o b l e mo fh u g ea m o u n to fd a t aa n de x p e n s i v eb a n d w i d t hi s e n c o u n t e r e di nt h em o n i t o r i n go fk e yp u m p so no i lp l a t f o r m sa n dw i n d t u r b i n e s h e n c e ，v i b r a t i o na c c e l e r a t i o ns i g n a lc o m p r e s s i o ni s r e s e a r c h e d c o m p r e s s i o na p p r o a c hb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r ma n ds p a r s er e p r e s e n t a t i o n i sp r e s e n t e d t h i sa p p r o a c hi sas p e c i a lf o r mo ft h ei p tm o d e l e x p e r i m e n t a l a n da p p l i c a t i o ns t u d i e sr e v e a lt h a tr e l a t i v e l yo p t i m a lr e s u l t sa r eo b t a i n e db y s y m 8w a v e l e ta n dm a t c h i n gp u r s u i t w i t h o u tl o s so ff a u l tf e a t u r e s ，8 0 o f d a t ai sc o m p r e s s e d t h es a m em e c h a n i s m - - - i m p u l s i v ev i b r a t i o no fg e a r b o xf a u l to fw i n d t u r b i n e sa n dr o l l i n gb e a r i n gf a u l t so ff a n s ，p u m p s ，a n dd o u b l e r o t o rg a s t u r b i n e si sc l a r i f i e da n du s e di nt h i sw o r k t w oe n v e l o p ed e m o d u l a t i o n m e t h o d sb a s e do no p t i m a lh i g h - p a s sf i l t e ra n do p t i m a la n t i s y m m e t r i cr e a l l a p l a c ew a v e l e t ( a r l w ) f i l t e ra r ep r o p o s e d t h e s et w om e t h o d ss h a r ea s a m ef o r mo fi p tm o d e l m o r ee f f e c t i v er e s u l t so ff e a t u r ee x t r a c t i o na n d i d e n t i f i c a t i o no fe a r l yo rw e a ki m p u l s i v ef a u l ta r eo b t a i n e db ye x p e r i m e n t a l a n da p p l i c a t i o ns t u d y i n d i c a t o rd i a g r a mf e a t u r ee x t r a c t i o nb a s e do nc u r v e l e tt r a n s f o r mw h i c hi s a l s oas p e c i a lf o r mo fi p tm o d e li sp r o p o s e di nt h el a s tp a r to ft h i sw o r k a n d s v mi su s e dt o r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r sf a u l tr e c o g n i t i o n m o r ec l e a r i v 摘要 f e a t u r e sc a nb ee x t r a c t e db yc u r v e l e tt r a n s f o r mt h a nw a v e l e tt r a n s f o r mi nt h e e x p e r i m e n t a ls t u d y c o m b i n a t i o no f c u r v e l e tt r a n s f o r ma n ds v mc a nb eu s e d t oc o n s t r u c tf a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e m k e yw o r d s ： i n n e r p r o d u c tt r a n s f o r m ，m a c h i n ef a u l t s ，f e a t u r ee x t r a c t i o n ，e a r l y i d e n t i f i c a t i o n ，a c c e l e r a t i o ns i g n a lc o m p r e s s i o n ，i m p u l s i v ef a u l t s ，i n d i c a t o r d i a g r a m v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源1 1 2 本课题相关领域的历史与发展1 1 3 机械装备故障特征提取原理与早期识别方法研究的目的和意义4 1 3 1 机械装备故障特征提取相关关键技术振动加速度信号压缩研究的目的和 意义5 1 3 2 基于故障机理的冲击性振动故障信号特征提取与早期识别的目的和意义 6 1 3 3 基于统计方法的往复式压缩机故障示功图特征提取与早期识别的目的和意义 1 4 机械装备故障特征提取原理与早期识别方法的研究现状、问题8 1 4 1 机械装备故障特征提取与早期识别方法研究现状8 1 4 2 机械装备故障特征提取与早期识别方法研究存在的问题9 i 5 本文研究内容及结构安排1 0 第二章机械装备中线性系统故障特征提取的内积变换和模型l 1 2 1 机械装备故障特征提取研究的必要性1 1 2 2 机械装备故障特征及特征提取方法的分类1 2 2 2 1 按照故障信号的特征及其提取方法分类1 2 2 2 2 按照故障机理的特征提取方法分类及其适用原则1 3 2 3 线性系统故障特征提取技术的统一数学工具内积变换1 4 2 3 1 卷积运算的内积变换形式及特征提取的物理本质1 4 v i 目录 2 3 2 常用线性特征提取方法的内积变换形式及特征提取的数学本质1 4 2 3 3 线性系统故障特征提取的统一数学工具内积变换1 5 2 4 本章小结1 7 第三章振动加速度信号压缩技术研究1 8 3 1 机械装备健康监控对诊断信号压缩的需求1 8 3 2 机械装备健康监控中常用两大类振动信号位移信号、加速度信号概述2 3 3 2 1 振动位移信号的性质2 3 3 2 2 振动加速度信号的性质2 4 3 3 机械装备振动信号压缩现状和问题2 5 3 4 基于小波变换和最优稀疏表达( o p t i m a ls p a r s er e p r e s e n t a t i o n ) 的振动加速 度信号压缩方法研究2 5 3 4 1 传统的基于小波变换的振动信号压缩方法及其问题2 5 3 4 2 基于小波变换和最优稀疏表达的振动加速度信号压缩方法概述2 6 3 4 3 基于小波变换和最优稀疏表达的信号压缩特征提取统一数学模型描述2 6 3 4 4 仿真研究3 0 3 4 5 实验研究3 l 3 5 工程应用研究3 9 3 5 1 风力发电机组振动加速度信号压缩3 9 3 5 2 往复式压缩机振动加速度信号压缩4 3 3 5 3 关键机泵振动加速度信号压缩4 6 3 6 本章小结4 9 第四章基于机理的冲击性振动故障信号特征提取与早期识别5 0 v i i 北京化工大学博士学位论文 4 1 机械装备冲击性振动故障及其机理概述5 0 4 2 冲击性振动故障特征提取的研究现状与问题5 0 4 3 冲击性振动故障特征提取的数学方法5 l 4 4 基于最优化滤波截止频率的冲击性振动故障特征提取与早期识别5 3 4 4 1 最优化滤波截止频率方法5 3 4 4 2 实验研究5 4 4 5 基于差分进化和反对称实l a p l a c e 小波( a r l w ) 的冲击性振动故障特征提取与早 期识别5 8 4 5 1 基于差分进化和a r l w 的冲击性振动故障特征提取与早期识别方法6 l 4 5 2 仿真研究6 2 4 5 3 实验研究6 5 4 6 工程应用研究7 0 4 6 1 风力发电机组齿轮箱冲击性故障特征提取与早期识别7 0 4 6 2 关键机泵滚动轴承冲击性故障特征提取与早期识别7 3 4 6 3 双转子燃气轮机模拟实验台滚动轴承故障弱信号特征提取与早期识别。7 6 4 7 本章小结8 0 第五章基于统计的往复式压缩机示功图特征提取与早期识别方法8 1 5 1 往复式压缩机状态监测与故障诊断及示功图概述8 1 5 2 图形特征提取技术概述8 4 5 3 基于c u r v e l e t 变换的示功图特征提取8 6 5 4 基于c u r v e l e t 变换、p c a 、n l p c a 的示功图故障特征提取与早期识别方法8 7 5 4 1 基于c u r v e l e t 变换、p c a 、n l p c a 的示功图故障特征提取与早期识别方法8 7 v i i i 目录 5 4 2 实验研究9 0 5 4 3 与基于小波变换的特征提取对比9 5 5 5 本章小结9 7 第六章结论与展望9 8 6 1 论文的主要成果9 8 6 2 展望9 9 参考文献1 0 0 致谢1 0 5 研究成果及发表的学术论文1 0 6 作者和导师简介1 0 7 i x 目录 co n t e n t s c h a p t e r 1p r e f a c e 1 1 ir e s e a r c hb a c k g r o u n d s 1 1 2r e s e a r c hh i s t o r ya n dd e v e l o p m e n t 1 1 3p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f m a c h i n ef a u l tf e a t u r ee x t r a c t i o na n de a r l yi d e n t i f i c a t i o n 4 1 3 1p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo fa c c e l e r a t i o ns i g n a lc o m p r e s s i o n t h ek e yt e c h n i q u eo f f e a t u r ee x t r a c t i o n 5 1 3 2p u r p o s ea n ds i 鲥f i c a n c eo fm e c h a n i s mb a s e df e a t u r ee x t r a c t i o na n de a r l y i d e n t i f i c a t i o n 6 1 3 3p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo fr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r si n d i c a t o rd i a g r a m f e a t u r e e x t r a c t i o na n di d e n t i f i c a t i o n 7 1 4r e s e a r c hs t a t u sa n dp r o b l e m so fm a c h i n ef a u l tf e a t u r ee x t r a c t i o na n de a r l y i d e n t i f i c a t i o n 8 1 4 1r e s e a r c hs t a t u s 一8 1 4 2p r o b l e m so f r e s e a r c h 9 1 5m a i nc o n t e n ta n ds t r u c t u r eo f t h i st h e s i s 1 0 c h a p t e r2t h e i n n e r p r o d u c tt r a n s f o r ma n dm o d e l o fl i n e a rm a c h a n i c a l s y s t e mf a u l tf e a t u r ee x t r a c t i o n 1 1 2 1n e c e s s i t yo f m a c h i n ef a u l tf e a t u r ee x t r a c t i o n 1 1 2 2c a t e g o r i e so f o f m a c h i n ef a u l tf e a t u r ee x t r a c t i o n 1 2 2 2 1c a t e g o r i e so f o f m a c h i n ef a u l tf e a t u r ee x t r a c t i o nb a s e d o nf a u l ts i g n a l 1 2 2 2 2c a t e g o r i e so f o f m a c h i n ef a u l tf e a t u r ee x t r a c t i o nb a s e d o nf a u l tm e c h a n i s ma n du s i n g p r i n c i p l e s 1 3 2 3u n i f i e dm a t h e m a t i c a lt o o l so fl i n e a rm a c h i n ef a u l tf e a t u r ee x t r a c t i o n - i n n e rp r o d u c t t r a n s f i o n n 1 4 2 3 1i n n e rp r o d u c tf o r mo fc o n v o l u t i o na n dp h y s i c a le s s e n c e o ff e a t u r ee x t r a c t i o n 1 4 2 3 2i n n e rp r o d u c tf o r mo ff r e q u e n t l yu s e df e a t u r ee x t r a c t i o nm e t h o d sa n d i t sm a t h e m a t i c a l e s s e n c e 1 4 2 3 3u n i f i e dm a t h e m a t i c a lt o o l so fl i n e a rm a c h i n ef a u l tf e a t u r ee x t r a c t i o n 。i n n e rp r o d u c t t r a n s f - o n n 1 5 2 4s u m m a r y 1 7 c h a p t e r 3s t u d yo na c c e l e r a t i o ns i g n a lc o m p r e s s i o n 1 8 x 3 1r e q u i r e m e n tf o rs i g n a lc o m p r e s s i o no f m a c h i n eh e a l t hm o n i t o r i n g 1 8 3 2o u t l i n eo ft w ok i n d so fs i g n a l si nm a c h i n eh e a l t hm o n i t o r i n g a c c e l e r a t i o na n d d i s p l a c e m e n ta n dt h e i rp r o p e r t i e s 2 3 3 2 1p r o p e r t i e so f v i b r a t i o nd i s p l a c e m e n t 2 3 3 2 2p r o p e r t i e so f v i b r a t i o na c c e l e r a t i o n 2 4 3 3r e s e a r c hs t a t u sa n dp r o b l e m so f v i b r a t i o ns i g n a lc o m p r e s s i o n 2 5 3 4v i b r a t i o na c c e l e r a t i o ns i g n a lc o m p r e s s i o nb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r ma n do p t i m a l s p a r s er e p r e s e n t a t i o n 2 5 3 4 1t r a d i t i o n a lv i b r a t i o ns i g n a lc o m p r e s s i o nm e t h o d sb a s e do nw a v e l e ta n di t sp r o b l e m s 2 5 3 4 2o u t l i n eo fv i b r a t i o na c c e l e r a t i o ns i g n a lc o m p r e s s i o nb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r ma n d o p t i m a ls p a r s er e p r e s e n t a t i o n 2 6 3 4 3u n i f i e dm o d e lo fv i b r a t i o na c c e l e r a t i o ns i g n a lc o m p r e s s i o nb a s e do nw a v e l e t t r a n s f o r ma n do p t i m a ls p a r s er e p r e s e n t a t i o n 2 6 ：；4 4s i m u l a t i o ns t u d y 3 0 3 4 5e x p e r i m e n t a ls t u d y 31 3 5e n g i n n e r i n ga p p l i c a t i o na n ds t u d y 3 9 3 5 1w i n dt u r b i n ev i b r a t i o na c c e l e r a t i o ns i g n a lc o m p r e s s i o n 3 9 3 5 2r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r sv i b r a t i o na c c e l e r a t i o ns i g n a lc o m p r e s s i o n 4 3 3 5 3k e yp u m p sv i b r a t i o na c c e l e r a t i o ns i g n a lc o m p r e s s i o n 4 6 3 6s u m m a r y 4 9 c h a p t e r4i m p u l s i v e v i b r a t i o nf a u l tf e a t u r ee x t r a c t i o na n de a r l y i d e n t i f i c a t i o nb a s e do nm a c h n i s m 5 0 4 1o u t l i n eo f i m p u l s i v ev i b r a t i o nf a u l tm a c h i n e 5 0 4 2s t a t u sa n dp r o b l e m so f i m p u l s i v ev i b r a t i o nf a u l tf e a t u r ee x t r a c t i o n 5 0 4 3m a t h e m a t i c a lm e t h o d so f i m p u l s i v ev i b r a t i o nf a u l tf e a t u r ee x t r a c t i o n 5 1 4 4i m p u l s i v ev i b r a t i o nf a u l tf e a t u r ee x t r a c t i o na n de a r l yr e c o g n i t i o nb a s e do no p t i m a l c u t - - o f f f r e q u e n c yf i l t e r i n g 5 3 4 4 1m e t h do f o p t i m a lc u t - o f f f r e q u e n c yf i l t e r i n g 一5 3 4 4 2e x p e r i m e n t a ls t u d y 5 4 4 5i m p u l s i v ev i b r a t i o nf a u l tf e a t u r ee x t r a c t i o na n de a r l yi d e n t i f i c a t i o nb a s e do nd ea n d o p t i m a la r l w 5 8 4 5 1i m p u l s i v ev i b r a t i o nf a u l tf e a t u r ee x t r a c t i o na n de a r l yi d e n t i f i c a t i o nb a s e do nd ea n d o p t i m a l a r l w 6 1 4 5 2s i m u l a t i o ns t u d y 6 2 北京化工大学博士学位论文 4 5 3e x p e r i m e n t a ls t u d y 6 5 4 6e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n d s t u d y 7 0 4 6 1i m p u l s i v ev i b r a t i o nf a u l tf e a t u r ee x t r a c t i o na n de a r l yi d e n t i f i c a t i o no f w i n dt u r b i n e 7 0 4 6 2i m p u l s i v ev i b r a t i o nf a u l tf e a t u r ee x t r a c t i o na n de a r l yi d e n t i f i c a t i o no f k e yp u m p s 7 3 4 6 3i m p u l s i v ev i b r a t i o nf a u l tf e a t u r ee x t r a c t i o na n de a r l yi d e n t i f i c a t i o no fd o u b l e r o t o r g a st u r b i n e 7 6 4 7s u m m a r y 8 0 c h a p t e r5f e a t u r ee x t r a c t i o