36 传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies) 2018年第37卷第6期 DOI:10.13873/J.1000-9787(2018)06--0036-04 ITD和自适应广义形态滤波的特征提取方法 黄新奇 ,张亚飞 ,毛存礼 ,黄刚劲 ,郭月江 ,杨红艳 (1.昆明理工大学信息工程与自动化学院,云南昆明650500; 2.云南师范大学能源与环境科学学院,云南昆明650500) 摘要:针对滚动轴承早期微弱故障特征难以从强噪声背景中分离的问题,提出了一种本征时间尺度分 解(ITD)和自适应广义形态滤波的特征提取方法。将故障信号进行ITD分解成若干固有旋转(PR)分量; 利用峭度准则选取若干PR分量进行重构,对重构后的信号通过自适应广义形态滤波进行降噪处理;对降 噪后的信号进行Hilbert包络谱分析。通过对滚动轴承内外圈进行实验分析,验证了方法的有效性。 关键词:本征时间尺度分解;峭度准则;自适应广义形态滤波;故障诊断 中图分类号:TH17 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2018)06-0036-04 Feature extraction method of ITD and adaptive generalized zed morpf'phological flological/iltering ilteringHUANG Xin—qi ,ZHANG Ya—fei ,MAO Cun.1i ,HUANG Gang-jin ,GUO Yue-jiang ,YANG Hong.yan。 (1.Faculty of Information Engineering&Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China; 2.School of Energy and Environmental Sciences,Yunnan Normal University,Kunming 650500,China) Abstract:Aiming at the problem that it is diiculft for the early weak feature of the bearing to separate from the strong noise background,a method of extracting the feature based on the intirnsic time—scale decomposition(ITD) and adaptive generalized morphological ifltering is proposed.ITD is decomposed into several proper otration(PR) components,and several PR components are selected by using the kurtosis criterion.The reconstructed signal is processed by adaptive generalized morphological filtering.The signal after noise reduction is reconstuctred by Hilbert envelope analysis.Through the experimental analysis of the inner and outer rings of the rolling bearing,the validity of the method is veriifed. Keywords:intirnsic time—scale decomposition(ITD);kurtosis criterion;adaptive generalized morphological ifltering;fauh diagnosis 0引 言 器存在输出偏移问题,导致边频带的提取效果不理想。崔 滚动轴承作为旋转机械设备重要的部件之一,其运行 状况直接影响整个机械设备的运行。提前诊断出轴承是否 发生故障对避免发生生产事故具有重要的意义 J。因 此,能够有效地提取轴承早期微弱故障特征,准确判断轴承 宝珍等人 将轴承故障故障信号通过广义形态滤波进行 降噪预处理,然后进行EMD,选取包含故障特征丰富的固 有模态函数(intirnsic mode function,IMF)分量信号进行边 际谱分析,但广义形态滤波具有加权系数选取的不确定性, 导致输出仍存在偏倚现象。 本文提出了一种本征时问尺度分解(intirnsic time— 发生故障位置是故障诊断领域的难点与热点。 郝如江等人 利用形态滤波器对滚动轴承故障信号 进行特征提取,取得了良好的效果。岗等人 采用经 验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)滤除噪声 和低频干扰,通过自适应形态学滤波方法进行分析,提取了 scale decomposition,ITD)和自适应广义形态滤波结合的新 方法提取轴承的故障特征。通过ITD将采集的轴承故障信 号分解成若干固有旋转(proper rotation,PR)分量;利用峭 度准则选取若干PR分量进行重构;通过自适应广义形态 故障特征频率。沈长青等人 将集合经验模态分解 (ensemble EMD,EEMD)与改进形态滤波相结合,有效提取 滤波对重构后信号进行降噪处理并对其进行Hilbert包络 谱分析,以提取故障特征信息。实例验证表明:本文方法可 了轴承微弱故障特征,但EEMD存在模态混叠及形态滤波 收稿日期:2017-05-09 基金项目:昆明理工大学引进人才基金资助项目(KKSY201403116) 第6期 黄新奇,等:ITD和自适应广义形态滤波的特征提取方法 2自适应广义形态滤波 37 有效提取滚动轴承故障特征信息,提高了滚动轴承故障诊 断的精度,具有一定的工程实用性。 1 ITD原理与方法 1.1 ITD 形态学 根据信号的特点,对待分析信号进行匹配, 能够抑制噪声干扰,起到提取并保持原始信号细节的作用。 其基本运算包括膨胀、腐蚀、形态开运算(。)和形态闭运算 (·)等。其详细定义详见文献[12]。 2.1 广义形态滤波 设X =[ , ,…, ]为待测试信号,并将 定义为基 线提取算子。信号的均值曲线表示为 ,简记为 ,则信 号墨进行ITD为 =£ + ,/t,=置一L , 定义为合理的 假设输入序列f(n)是定义在F=(0,1….,Ⅳ--1)上 PR分量。 1)确定测试信号置的极值 及其所对应时刻 ,k为 极值点个数,定义信号的分段线性基线提取因子 为 。 L =LX =L + (x 一X ) (1) L +l= I- X + +2--7"k ( +2。 一Xk)1J +(1一 )x +。(2) 式中t∈( r ,f ); 为控制提取固有旋转分量幅度的增 益控制参数,0<O/<l,通常取0.5。 2)利用已得的基线分量£ 可得PR分量 为 H :(1-L)Xt=X --Lt (3) 3)将 作为原始信号,重复上述步骤进行再次分解, 直至基线分量单调,停止分解。 4)经过多次ITD,待测信号分解成若干PR分量和一个 单调趋势之和,分解结果表示为 X =日 +£ =H +(圩+ )£ =…=日∑L + (4) 式中HL 为第(k+1)层PR分量;L 为第( +1)层基线 分量; 为单调趋势分量。 1.2分量信号选取 对采集的振动信号通过ITD得到若干PR分量信号,其 中,部分分量信号中包含丰富的故障特征信息,同时也存在 大量的噪声,需进行降噪处理 J。 峭度(kurtosis)为无量纲参数,能反映振动信号分布特 性,其值大小可用于分析滚动轴承信号中所包含冲击成分 的多少,数学定义如下 : 与 (5) or‘ 式中 为待分析的振动信号;/z为信号 的均值;ro为信 号 的标准差。 由于峭度对冲击信号特别敏感,适用于滚动轴承早期 微弱故障振动信号分析。当滚动轴承无故障运行时,振动 信号幅值分布接近正态分布,值约为3;当出现早期微弱故 障时,滚动轴承振动信号幅值分布明显偏离正态分布,峭度 值随之增大 。峭度指标越大的故障信号,信号中包含的 冲击成分越多,滚动轴承故障信息包含于冲击成分当中。 利用峭度选取PR分量有利于突变信息的特征提取。 的离散信号,g (n),g2(n)为不同的结构元素,广义形态学 滤波器的定义如下 GOC(,(n))_,(n)og。(n)。g2(n) (6) GCO(f(n)) n)·g。(n)。g2(n) (7) 广义形态开一闭结构的滤波器会造成输出偏小,而广义 形态闭一开结构的滤波器造成输出偏大。为了有效解决上 述问题,用将2种滤波器先加权和再求平均值,即 (n)={GOC(f(n))+GCO(f(/7,))}/2 (8) 2.2 自适应广义形态滤波 在实际工程应用中,广义形态滤波器存在采用加权系 数选取的不确定性的问题,会存在输出偏移现象,导致对滚 动轴承振动信号降噪效果并不理想 。因此,本文采用最 小均方(1east mean square,LMS)算法处理2种广义形态滤 波器的加权组合形式中权系数的确定问题 。其结构示意 如图1所示。 图1 自适应广义形态滤波 令某待测信号为 (n)=s(n)+d(n),其中,s(n)为无 噪声的理想信号,d(n)为含噪信号 e(n)=s(n)--y(n) (9) 式中e(n)为理想信号;s(n)为与滤波器输出信号Y(n)间 的误差信号。 令Y。=GOC[ (n)],Y2=GCO[ (n)],有 (n)=∑ai(n)y ( ) (1o) 输出信号的均方差为 E[e。]=E[1 s(n)--y(n) =E[I s(n)一∑ai(n)y (n) (11) 采用LMS算法,取单个误差样本平方e。(n)作为均方 误差E(e (n)]的估计,并计算相对权系数的导数 =-2yi㈩ 2(12) 38 传感器与微系统 第37卷 通过最陡坡下降法优化权系数,可得 ) (n) , ,2 (13) 将式(12)代人式(13)可得 a (n+1)=0 (n)+2/xy (n)e(n),i=1,2 (14) 式中 为控制收敛速度的参数。 3特征提取方法 故障特征提取具体步骤如下: 1)利用传感器分别采集现场滚动轴承内圈、外圈故障 信号; 2)对故障信号进行ITD,分解成若干PR分量; 3)选取若干峭度值较大的PR分量,并对其进行重构; 4)对重构后的信号通过自适应广义形态滤波进行降噪 处理; 5)对降噪后的信号进行Hilbert包络谱分析。 4实列验证分析 为了验证本文方法的有效性,分别对实际采集的滚动 轴承外圈信号和内圈信号进行分析。实验数据采用美国 Case Western Reserve University的轴承数据 进行验证,轴 承型号为6205-2RA JEM SKF,其参数详见表1。通过电火 花技术在轴承内圈、外圈上各加工0.2794mm深,直径为 0.177 8 mm的小槽,模拟轴承内圈、外圈局部裂纹故障。采 样频率为48 kHz,转频173 0 r/min。通过上述参数计算可得 到轴承外圈故障频率为103.36 Hz;内圈故障频率为 156.14Hz。 表1 6205-2RS JEM SKF型轴承参数 4.1 外圈故障分析 将采集到的轴承故障信号通过ITD,分解为4个分量, 如图2所示。可以看出:外圈故障信号得到了有效地分解, 但存在噪声干扰,需要进一步处理。分别计算4个分量的 峭度值,如表2所示。可以看出:PR1和PR2的峭度值较 大,因此,选取PR1和PR2进行重构。通过自适应广义形 态学滤波器对重构信号进行降噪处理,滤波后的时域波形 如图3所示。可以看出:由于噪声污染原因,无法有效识别 故障冲击成分,需要对其进行下一步处理。包络谱分析如 图4,可以看出:圈故障特征频率为105.5Hz及其7倍频,可 以准确判别滚动轴承的故障类型为外圈故障。为了验证本 文方法的优越性,与文献[4]的实验结果进行了对比,如 图5所示,可以看出:虽然文献[4]可以找到外圈的故障特 征频率105.5Hz及2倍频,但倍频幅值较小,高频部分被噪 声淹没,特征提取效果不理想。 2o F 2 L—————_L—————_J——————L—=——— ————__J 趸2趸o-o[2F===== === ======= n=啼 u!=== == 一 E三互三 窖窖.0一 。.。 叵巫 === 蕾.。.。0 0 0 02 0.04 0 06 0.08 0 10 时间/s 图2外圈故障信号ITD 表2外圈和内圈故障PR分量的峭度指标 迥 0 1 000 2000 3 000 4000 采样点数 理 0 200 400 600 800 l 000 频率/Hz 图4 Hibert包络谱分析 j四 图5参考文献[4]Hibert包络谱分析 4.2 内圈故障分析 将采集的轴承故障信号通过ITD,分解为4个分量,如 图6所示。可以看出:内圈故障信号得到了有效地分解,但 存在噪声干扰,需要进一步处理。分别计算4个分量的峭 度值,如表2所示。可以看出PR1和PR2的峭度值较大,因 此,选取PR1和PR2进行重构。通过自适应广义形态学滤 波器对重构信号进行降噪处理,滤波后时域波形如图7。可 以看出:由于噪声污染原因,无法有效识别故障冲击成分, 第6期 黄新奇,等:ITD和自适应广义形态滤波的特征提取方法 n 39 需要对其进行下一步处理。包络普分析如图8,可以看出: 2 o 2 o o .鲁 隧【_ 一 一 0 各自的优点。 0 内圈故障特征频率为152.3 Hz及其7倍频,可以准确判别 滚动轴承的故障类型为内圈故障。为了验证本文方法的优 越性,与文献[4]的实验结果对比如图9所示。可以看出: 2)利用本文的方法分别对滚动轴承的内圈和外圈进行 故障特征提取,可有效提取到故障的基频及倍频部分。与 其他方法对比,本文方法提取的准确率更高,噪声抑制效果 更好,提高了滚动轴承诊断的精度。 参考文献: [1]马文龙,吕建新,吴虎胜,等.多传感器信息融合在滚动轴承 文献[4]虽然可以找到内圈的故障特征频率152.3 Hz及 3倍频,但高频部分被噪声淹没,特征提取效果不理想。 故障诊断中的应用[J].传感器与微系统,2013,32(7): 0 0.O2 0.04 0.06 0.08 0.10 132--135. [2] 丁国君,王立德,申0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 萍,等.基于EEMD能量熵和LSSVM的 传感器故障诊断[J].传感器与微系统,2013,32(7):22--25. [3] 郝如江,卢文秀,褚福磊.形态滤波器用于滚动轴承故障信号 0 0.02 0.04 0.06 0 08 0.10 的特征提取[J].中国机械工程,2009(2):197--201. [4] 岗,周军.基于EMD和LMS自适应形态滤波的滚动轴 0 0.O2 0 04 0.06 0.08 0.10 承故障诊断[J].科学技术与工程,2013,13(6):1446--1452. [5]沈长青,谢伟达,朱忠奎,等.基于EEMD和改进的形态滤波 0 0.02 0.04 0.06 0.O8 0.10 方法的轴承故障诊断研究[J].振动与冲击,2013,32(2): 39—43. 时间/s 图6内圈故障信号ITD 1.5 [6] 崔宝珍,马泽玮,李会龙,等.基于广义形态学滤波和Hilbe ̄ 1.0 0.5 0 1 L1。 一 .I‘j i 。。IL J● ” 1 000 2000 边际谱的滚动轴承故障诊断[J].中国机械工程,2016(11): 1484-1488. 趔一05 .一’ 。 nI” 3000 4000 [7] Frei M G,Osorio I.Intirnsic time—scale decomposition:Time—fre— quency—energy analysis and real-time filtering of non-stationary 1.0 1.5 —0 signals[J].Proceedings of the Royal Society of London A,2006, 463:321--342. 采样点数 [8]齐鹏,范玉刚,冯早.基于ITD和敏感SVD的故障诊断方 法研究[J].华中师范大学学报:自然科学版,2016,50(6): 818--825. 趔 [9]吴小涛,杨锰,袁晓辉,等.基于峭度准则EEMD及改进形 态滤波方法的轴承故障诊断[J].振动与冲击,2015,34(2): 38—44. 频率/Hz [1O]胡爱军,马万里,唐贵基.基于集成经验模态分解和峭度准则 的滚动轴承故障特征提取方法[J].中国电机工程学报, 2012,32(11):106--111. 图8 Hibert包络谱分析 O.20 0.16 0.12 [n]马泽玮,崔宝珍.基于广义形态学滤波和EEMD分解的滚动 轴承故障诊断[J].中国农机化学报,2015(2):269--273. 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