基于VMD-MDE和ELM的柱塞泵微弱故障诊断

针对早期微弱故障信号易受噪声干扰、难以提取和识别的问题,提出一种基于变分模态分解(variational mode decomposition,简称VMD)多尺度散布熵(multiscale dispersion entropy,简称MDE)和极限学习机(extreme learning machine,简称ELM)的柱塞泵微弱故障诊断方法。首先,采集各状态的振动信号进行VMD分解,得到若干模态分量,根据各模态分量Hilbert包络谱中特征频率能量贡献率大小,提出以归一化特征能量占比(feature energy ratio,简称FER)为重构准则的变分模态分解特征能量重构法(variational mode decomposition feature-energyreconsitution,简称VMDF),对各模态分量进行信号重构;其次,计算重构信号的MDE,对各尺度散布熵进行分析,选择有效尺度散布熵作为特征向量;最后,将提取的特征向量输入ELM完成故障模式识别。柱塞泵不同程度滑靴端面磨损故障的实验结果表明,该方法不仅提高了模式识别效率,还可以更好地反映故障程度变化规律,具有较好的应用性。     

基于IVMD与改进KELM的发动机故障诊断

为从含有较强噪声的缸盖振动信号中提取有效的故障特征并进行故障分类,提出了采用独立变分模态分解(independent variational mode decomposition,简称IVMD)与改进核极限学习机(improved kernel extreme learning machine,简称IKELM)的发动机故障诊断方法。首先,根据频谱循环相干系数选取匹配波形对信号进行端点延拓,并利用变分模态分解(variational mode decomposition,简称VMD)将延拓后信号分解为一系列固有模态分量,有效抑制了VMD中的端点效应;其次,选取有效分量作为输入观测信号,进行核独立成分分析,进一步分离干扰噪声与有效信号,并消除模态混叠,得到相互独立的有效故障特征频带,进而提取各频带的自回归模型参数、多尺度模糊熵和标准化能量矩构建故障特征向量集;最后,建立基于社会情感优化算法的IKELM分类模型,对故障特征进行分类,实现发动机故障诊断。仿真和实验结果表明,所提出的方法可有效抑制VMD的端点效应,提高信号分解精度,消除噪声干扰并分离出相互独立的有效故障特征频带,增强特征参数辨识度,最终提高发动机故障诊断速度与精度,发动机故障诊断平均准确率达到99.85%。     

基于k值优化VMD的滚动轴承故障诊断方法

针对旋转机械中滚动轴承早期信噪比较低的故障特征提取困难问题,提出了一种基于能量的变分模式分解(variational mode decomposition,简称VMD)模态数k优化选取方法,用以提取滚动轴承早期故障特征,同时避免了信号分解过分或不足。首先,对振动信号进行VMD预分解,分别在不同k值条件下计算分量信号能量与原始信号总能量;其次,根据基于能量的模态数k选取准则,确定最佳模态数值对信号进行VMD分解;最后,通过峭度准则选择分量进行信号重构,对其进行包络分析,提取故障特征频率。将该方法运用到实际故障信号中,有效提取出滚动轴承内圈微弱故障特征,实现了早期故障特征判别,具有一定的应用价值和实际意义。     

VMD和奇异差分谱在齿轮早期故障诊断中的应用

针对齿轮故障振动信号的多分量、多频率调制特性且早期故障振动信号信噪比低,故障特征微弱难以提取的问题,提出了基于变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)和奇异值差分谱的故障诊断方法。首先对采集到的齿轮故障振动信号进行VMD分解,得到一系列窄带本征模态分量(band-limited intrinsic mode functions,BLIMFS),由于噪声的干扰,从各个模态分量的频谱中很难对故障做出正确的判断;然后根据相关系数准则,选取与原始信号相关系数较大的分量构建Hankel矩阵并进行奇异值分解,求取奇异值差分谱,从差分谱中确定重构信号的有效阶次对信号进行降噪处理;最后对降噪处理后的信号进行Hilbert包络谱分析,即可从中准确地识别出齿轮的故障特征频率。仿真信号和齿轮箱齿轮故障模拟实验结果表明,该方法能够有效地降低噪声的影响,准确地提取到齿轮微弱的故障特征信息。     

基于VMD和MED的滚动轴承微弱故障特征提取

针对强噪声环境下滚动轴承故障特征信息非常微弱且难以提取的问题,提出基于变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)和最小熵解卷积(Minimum Entropy Deconvolution,MED)的滚动轴承微弱故障特征提取方法。基于VMD和MED的滚动轴承微弱故障特征提取方法首先采用VMD对滚动轴承故障信号进行分解,得到多个模态分量,由于噪声的干扰,很难从各个模态分量中提取有效的故障特征信息;然后根据相关系数准则,选取与原始信号相关系数较大的模态分量进行重构,再对重构后的信号进行MED降噪处理;最后对降噪处理后的信号进行Hilbert包络解调,从得出的包络谱中即可准确地提取到故障特征信息。轴承故障实验信号处理结果表明,该方法可以有效地降低噪声的影响,精确地提取滚动轴承微弱的故障特征信息。     

变分模态分解在转子故障诊断中的应用

针对转子故障诊断问题,提出一种基于变分模态分解(variational mode decomposition,简称VMD)的信号处理方法。该方法在获取分解分量的过程中通过迭代搜寻变分模型最优解来确定每个分量的频率中心及带宽,从而能够自适应地实现信号的频域剖分及各分量的有效分离,对各单分量信号进行希尔伯特变换,即可得到瞬时的频率和幅值信息。对仿真信号和典型转子故障信号进行VMD方法和经验模态分解(empirical mode decomposition,简称EMD)方法的分析比较,以验证所提方法的有效性。仿真信号的分解结果表明,变分模态能够准确分离出信号中的固有模态分量且不存在模态混叠;转子故障实验信号的分析结果表明,所提方法能够有效提取出明显的故障特征,从而准确诊断出转子存在的故障。     

基于平均自相关和优化VMD的轴箱轴承故障诊断

针对动车组运行过程中轴箱轴承振动加速度信号非平稳特性以及较大的背景噪声导致故障特征难以提取的问题,提出一种平均自相关结合参数优化变分模态分解（variational mode decomposition,简称VMD）的轴箱轴承故障诊断方法。首先,利用平均自相关对原始信号进行降噪,增强故障周期性冲击信息;其次,以故障特征频率能量比相反数为适应度函数,利用哈里斯鹰优化算法（Harris hawks optimization,简称HHO）优化VMD的模态分量数和二次惩罚系数,实现对降噪信号的自适应分解并提取出最佳模态分量;最后,计算其平方包络谱进行故障诊断分析。仿真和试验结果表明：该方法能够有效地降低背景噪声的影响,稳定地提取出周期性故障冲击成分,实现轴箱轴承故障的准确诊断。     

基于变模式分解降噪的滚动轴承故障诊断研究

变模式分解(Variational Mode Decomposition,VMD)是近年出现一种新的自适应分解方法,对其最小化可以把一个信号分解为固有模式。基于此,提出了变模式分解(VMD)降噪。首先通过VMD将故障信号分解为一系列模式,计算各模式与原信号的相关系数,再根据相关系数选择相应的分量进行重构以达到对原信号降噪的目地,之后通过差值形态滤波对重构信号进行解调以提取故障特征。为验证降噪的必要性和有效性,对比了直接差值形态滤波提取特征。仿真信号和对滚动轴承的实验证明了方法的有效性。     

基于DS⁃VMD及相关峭度的滚动轴承故障诊断

为了自适应确定变分模态分解(variational mode decomposition,简称VMD)的有关参数,减少轴承振动信号处理过程中对先验知识的依赖,提出了一种基于微分搜索(differential search,简称DS)的VMD参数自适应寻优算法,结合相关峭度指标实现轴承故障特征自适应提取。首先,采用DS算法对VMD的相关参数进行自适应寻优,并对信号进行VMD;其次,计算各本征模态函数(intrinsic mode functions,简称IMF)的相关峭度值,并利用该指标对各分量进行加权重构;然后,对重构信号进行包络谱分析以提取轴承故障特征;最后,将所提出方法与通过经验模态分解(empirical mode decomposition,简称EMD)方法及人为确定参数的传统VMD进行对比。仿真信号和实验数据分析表明:DS算法可有效确定VMD相关参数组合,且所提出方法可以更加准确、有效地识别出滚动轴承故障特征频率;与快速峭度图方法对比,所提出方法依然可以获得更好的结果。     

基于MCKD和VMD关联维数的轴承故障特征提取AR模型

针对滚动轴承早期故障易受噪声影响难以准确提取特征信息的问题,提出了一种基于最大相关峭度解卷积(MCKD)和变分模态分解(VMD)关联维数的故障诊断AR模型.采用MCKD对滚动轴承振动信号进行降噪处理,滤除噪声影响;对降噪后的信号进行VMD分解,选择对故障特征敏感的IMF分量进行信号重构,并对重构信号建立AR模型,获取自回归参数;计算在指定嵌入维数上自回归参数的关联维数,对滚动轴承的故障进行诊断.实验结果表明,所提方法能够有效提取故障信号中的特征信息,证明了方法的有效性.     

基于VMD消噪处理的滚动轴承早期故障识别

提出了一种基于变分模态分解(VMD)消噪和核模糊C均值(KFCM)聚类相结合的滚动轴承早期故障识别方法。首先提出一种通过综合运用泄漏能量和互相关系数函数确定VMD预设尺度数K的新方法,弥补了VMD方法通常按经验选取预设尺度数方法的不足;然后对振动信号进行VMD分解得到K个限带的内禀模态函数(BIMF)分量,利用归一化的自相关系数函数能量集中比大于0.9的原则确定含有噪声的BIMF分量,并剔除这些含噪BIMF分量,再将剩余的BIMF分量叠加进行信号重构,实现了信号的消噪;最后计算各样本重构信号的均方根值和归一化能量值得到二维特征向量样本集,并输入到KFCM聚类器进行故障诊断。利用实测轴承故障数据进行验证,结果表明与经验模态分解(EMD)方法相比,可以有效地实现滚动轴承早期故障诊断。     

Health condition identification of planetary gearboxes based on variational mode decomposition and generalized composite multi-scale symbolic dynamic entropy

This paper proposes a novel fault diagnosis method based on variational mode decomposition (VMD) and generalized composite multi-scale symbol dynamic entropy (GCMSDE) to identify the different health conditions of planetary gearboxes. First, VMD is adopted to remove the noises and highlight the fault symptoms. Second, GCMSDE is utilized to extract the fault features from the denoised vibration signals. Third, the Laplacian score (LS) approach is employed to refine the fault features. Finally, the new features are fed into Softmax regression to identify the health conditions of planetary gearboxes. The proposed method is numerically and experimentally demonstrated to be able to differentiate seven localized fault types on the sun gear, planet gear and ring gear of planetary gearboxes.     

基于改进阶次分析与自适应VMD的变转速齿轮箱故障诊断研究

变转速齿轮箱由于工况复杂导致转频不稳定,齿轮箱的微弱故障信号可能会被掩盖在强噪声中,不能直接应用传统的时频分析方法,为故障特征的提取增加一定的难度。针对变转速信号的处理,传统的计算阶次分析方式(COT)很好地解决了变转速齿轮箱的故障特征难以提取出来的问题,但由于传统COT中所使用的重采样方法是基于样条插值法的,无法根据转频选取转频,导致重采样间隔并不均匀;提出了改进的阶次分析方法,根据采样的各点角速度依次进行重采样,提高了阶次分析的精度。同时,变转速齿轮箱因动力传递复杂,导致变转速齿轮箱噪声更加严重。变分模态分解(VMD)常被被用来去除复杂信号噪声,提取被掩盖在强噪声中的微弱故障信号。提出了自适应VMD使用能量法,确定分解层数后对分量进行指标化选取,使去噪的效果得到进一步提升。通过对实验信号分析,使用此方法进行验证。结果表明,此方法能有效转换变转速齿轮箱信号为阶次信号并对故障进行识别。     

基于最小熵解卷积-变分模态分解和优化支持向量机的滚动轴承故障诊断方法

提出了一种基于最小熵解卷积和变分模态分解以及模糊近似熵的故障特征提取方法,并采用优化支持向量机对故障进行识别分类。首先利用最小熵解卷积方法降低噪声干扰并增强故障信号中故障特征信息,进而对降噪后的信号进行变分模态分解,并利用模糊近似熵量化变分模态分解后包含故障特征信息的模态分量以构建特征向量,之后通过采用扩展粒子群算法优化惩罚因子和核函数参数的支持向量机,对故障样本训练并完成故障识别分类。将所提方法应用于滚动轴承不同损伤程度、不同故障部位的实验数据,验证了该方法的有效性。与基于局部均值分解的特征提取方法相对比,结果表明所提方法可以更精确地提取出滚动轴承故障特征,并能够更准确地完成不同故障的识别;通过与基于网格寻优算法优化的支持向量机方法和基于扩展粒子群优化的最小二乘支持向量机方法相对比,结果表明所提方法具有更好的分类性能,能达到更好的诊断效果。     

基于变分模态分解和PSO-SVM的起重机齿轮箱故障诊断

起重机齿轮箱的振动信号具有信噪比低、非线性的特点,需要一定的专业知识和经验才能实现故障诊断。为了实现起重机齿轮箱的智能故障诊断,提出了一种基于变分模态分解(Variation?al modal decomposition,VMD)改进小波降噪和粒子群算法(Particle swarm optimization,PSO)优化支持向量机(Support vector machine,SVM)的智能故障诊断方法。首先,利用VMD将振动信号分解,得到不同尺度的本征模态函数(Intrinsic mode function,IMF),将分解的高频分量进行改进小波降噪后和低频分量完成信号重构;然后,提取重构信号的特征参数构建特征向量,使用核主分量分析(Ker?nel principal component analysis,KPCA)对向量降维处理实现特征信息融合;最后,利用PSO优化后的SVM进行故障识别分类。实验验证表明,基于VMD改进小波信号预处理和PSO算法优化SVM的模型具有很高的识别准确率,能够有效、准确地对起重机齿轮箱的故障类型进行识别和分类。     

Incipient fault feature extraction of rolling bearings based on the MVMD and Teager energy operator

Aiming at the problems that the incipient fault of rolling bearings is difficult to recognize and the number of intrinsic mode functions (IMFs) decomposed by variational mode decomposition (VMD) must be set in advance and can not be adaptively selected, taking full advantages of the adaptive segmentation of scale spectrum and Teager energy operator (TEO) demodulation, a new method for early fault feature extraction of rolling bearings based on the modified VMD and Teager energy operator (MVMD-TEO) is proposed. Firstly, the vibration signal of rolling bearings is analyzed by adaptive scale space spectrum segmentation to obtain the spectrum segmentation support boundary, and then the number K of IMFs decomposed by VMD is adaptively determined. Secondly, the original vibration signal is adaptively decomposed into K IMFs, and the effective IMF components are extracted based on the correlation coefficient criterion. Finally, the Teager energy spectrum of the reconstructed signal of the effective IMF components is calculated by the TEO, and then the early fault features of rolling bearings are extracted to realize the fault identification and location. Comparative experiments of the proposed method and the existing fault feature extraction method based on Local Mean Decomposition and Teager energy operator (LMD-TEO) have been implemented using experimental data-sets and a measured data-set. The results of comparative experiments in three application cases show that the presented method can achieve a fairly or slightly better performance than LMD-TEO method, and the validity and feasibility of the proposed method are proved.     

Impact fault detection of gearbox based on variational mode decomposition and coupled underdamped stochastic resonance

In the gear fault diagnosis, the emergence of periodic impulse components in vibration signals is an important symptom of gear failure. However, heavy background noise makes it difficult to extract the weak periodic impulse features. Therefore, the paper presents an impact fault detection method of gearbox by combining variational mode decomposition (VMD) with coupled underdamped stochastic resonance (CUSR) to extract the periodic impulse features. First, the adaptive VMD is presented to decompose the vibration signal into several intrinsic mode functions (IMFs), which can automatically determine the appropriate mode number according to the correlation kurtosis (CK) of decomposition results and extract the sensitive IMF component containing the main fault information. Next, the adaptive CUSR method is developed to analyze the selected sensitive IMF component, and the optimal system parameters are obtained by the genetic algorithm using the CK index as optimization objective function. Finally, the periodic impulse features are extracted by the output signal of CUSR system accurately. Experiments and engineering application verify the effectiveness and superiority of the proposed adaptive VMD-CUSR method for extracting the periodic impulse features in gear fault diagnosis compared to other methods.     

变分模态分解消噪与核模糊C均值聚类相结合的滚动轴承故障识别方法

提出了一种变分模态分解消噪与核模糊C均值聚类相结合的滚动轴承故障识别方法。首先,对实测振动信号进行处理,得到VMD的参数;然后,对信号进行VMD分解,得到一系列限带内禀模态函数(BIMF)分量,筛选并叠加组成重构信号;第三步,计算重构信号的样本熵和均方根值作为特征向量,从而得到训练样本和测试样本的特征向量集;第四步,通过KFCM聚类方法对训练样本特征向量集进行聚类分析,得到四种类型信号的聚类中心;最后根据测试样本特征向量与训练样本聚类中心欧式距离最小的原则识别故障类型。此外,将振动信号用经验模态分解(EMD)方法进行消噪,再用KFCM聚类进行分类识别,将两种方法的识别效果进行对比,结果表明所提方法的故障识别效果要优于EMD消噪和KFCM聚类相结合方法的识别效果。     

基于经验与变分混合分解的超声回波信号噪声消除方法

超声缺陷检测结果易受超声回波信号中复杂噪声的干扰,为了提高超声缺陷检测的准确度,提出一种基于混合分解的 超声回波信号噪声消除方法。 采用经验模态分解算法结合相关系数指标对超声回波信号进行预处理,得到消除低频噪声分量 的超声回波预处理信号。 基于变分模态分解将该预处理信号分解为一系列窄带本征模态函数,引入互信息指标估计变分模态 分解的最优模态数量,并根据窄带本征模态函数与预处理信号的相关系数提取有用的模态分量,实现对超声回波信号去噪结果 的重构。 通过仿真和实测超声回波信号验证了本文方法的去噪性能,并与现有方法进行了对比。 结果表明,本文方法可同时消 除超声回波信号中的高频和低频噪声,在不同信噪比条件下 EMD、VMD 和本文方法去噪结果的 SNR 均值分别为 10. 01、9. 48 和 16. 09 dB,验证了本文方法对于超声回波信号噪声消除的优越性。