基于注意力机制改进残差神经网络的轴承故障诊断方法EI北大核心CSCD

针对滚动轴承在不同工况环境中故障诊断训练时间长、准确率低和泛化性能弱的问题,提出了基于注意力机制改进残差神经网络的轴承故障诊断方法。为了提高ResNet模型的准确率和泛化性,提出了基于注意力机制的SE-ResNet模型和CBAM-ResNet模型,并在凯斯西储大学数据集上进行了试验,在同工况有训练集的情况下ResNet模型测试的准确率为97.28%,在不同工况下模型直接迁移的准确率为94.14%~96.86%,CBAM-ResNet模型在不同工况下模型直接迁移的准确率为97.14%~98.86%,SE-ResNet模型在不同工况下模型直接迁移的准确率为97.86%~99.71%,两种改进模型的准确率都明显优于原ResNet模型,表明提出的优化模型提高了ResNet模型的准确率和泛化性。     

基于MTF-CNN的滚动轴承故障诊断方法EI北大核心CSCD

针对传统故障诊断方法在滚动轴承实际工况复杂多变、数据集较小时对轴承故障诊断识别准确率较低的问题,提出了MTF-CNN滚动轴承故障诊断模型。首先采用马尔科夫转移场(MTF)编码方式将原始一维振动信号转化为具有时间相关性的二维特征图像,然后将特征图作为卷积神经网络(CNN)的输入进行自动特征提取和故障诊断,最后实现对不同故障类型的分类。为了验证所提方法的有效性和优越性,选用凯斯西储大学滚动轴承数据进行试验验证,并在负载改变时和不同数据集规模下对所提出方法的泛化性能进行测试,同时与传统智能算法进行对比分析。结果表明,相较于其他常用的故障诊断方法,所提出模型在数据集较小、负载改变的环境下对滚动轴承故障诊断具有更好的泛化性能和识别效果。     

基于MACNN的柴油机故障诊断方法研究EI北大核心CSCD

高效、准确的故障诊断可以提高柴油机的安全性和可靠性。传统机械故障诊断方法中人工参与程度过高,对识别结果带来诸多不确定性。针对这一问题,提出一种基于多重注意力卷积神经网络(multiple attention convolutional neural networks,MACNN)的端到端故障诊断方法。该方法采用多层卷积神经网络(convolutional neural networks,CNN)结合卷积注意力模块(convolutional block attention module,CBAM)对原始时域数据进行特征提取;然后,对多维卷积输出特征图进行重组以保留其序列信息;最后,直接采用序列注意力机制完成序列特征的学习。经采用实测柴油机缸盖振动信号数据进行验证后表明:面对8分类柴油机故障数据集,MACNN能够达到97.88%的识别准确率,测试100个样本用时仅为0.35 s。与现有多种传统故障诊断方法和端到端故障诊断方法相比,均具有更好的诊断效果。     

基于MTF-CNN的轴承故障诊断研究EI北大核心CSCD

轴承故障诊断对保证机械设备的安全十分重要。近年来,数据驱动的故障诊断方法得到了研究者的关注。与传统的依赖于专家经验的故障特征提取方法不同,深度学习方法可以实现端到端自动故障特征提取与分类。针对一维信号作为卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)输入时无法充分利用数据间的相关信息的问题,提出一种基于MTF-CNN的轴承故障诊断方法。利用马尔可夫变迁场(Markov transition field,MTF)对采集到的振动信号进行编码,根据数据之间的转移概率得到不同时间间隔内的数据相关性并生成相应特征图,之后将其输入卷积神经网络完成特征的提取并进行故障分类。采用凯斯西储大学轴承数据对模型进行验证,试验结果表明该模型达到99.8%以上的故障诊断准确率,与其他图像编码方式相比获得了较好的泛化性能。     

基于双路并行多尺度ResNet的滚动轴承故障诊断方法EI北大核心CSCD

针对传统方法在滚动轴承故障诊断中无法自适应提取有效特征信息,且滚动轴承在强环境噪声干扰、复杂变工况等因素影响下诊断效果不佳,有抗噪性和泛化性下降的问题,提出了一种双路并行多尺度的改进残差神经网络(residual neural network, ResNet)的方法。该方法设计了多尺度的残差Inception模块,可以有效提取特征信息,同时加入注意力机制解决了数据的突变性和差异性,此外还使用多个空洞卷积的残差块扩大感受野,有助于提取更多特征信息,实现准确故障诊断。利用凯斯西储大学轴承数据集和东南大学变速箱数据集分别训练并测试了诊断效果,将该方法与其他卷积神经网络的方法在变噪声、变工况情况下作了对比,诊断准确率最高达到99.73%,平均准确率也在95%以上,均高于其他比较方法。结果表明,该方法在复杂多变的工况下具有较好的故障识别能力和泛化能力。     

基于LSGAN-SqueezeNet的轴承故障诊断研究EI北大核心CSCD

在滚动轴承的故障诊断过程中,需要大量的故障样本对模型进行训练,但由于工程实际环境较为复杂,难以采集到足量的轴承故障样本。提出基于最小二乘生成对抗网络(least squares generative adversarial networks,LSGAN)结合SqueezeNet在样本数据量不足条件下滚动轴承故障诊断的方法。该方法首先利用滚动轴承的原始样本训练LSGAN,生成不同状态下的轴承信号样本,采用SqueezeNet对真实样本与生成样本进行模型训练,实现样本数据量不足条件下的轴承故障诊断。通过凯斯西储大学及德国帕德博恩大学的滚动轴承试验数据对所提轴承故障诊断方法进行验证。试验结果表明,真实样本结合生成样本训练模型,对故障的诊断准确率均达到99.7%,该方法具有较高的诊断精度。实现了样本数据量不足条件下故障诊断的可行性及验证其泛化性,且有效提高了故障诊断的准确率、降低了训练成本。     

基于改进卷积神经网络的柴油机故障诊断方法研究EI北大核心CSCD

现有基于卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)的柴油机故障诊断方法易过拟合,网络收敛速度较慢、处理小样本数据时诊断精度低,针对以上问题,提出了一种基于改进CNN的“端到端”柴油机故障诊断方法。该方法在CNN架构上,采用指数线性单元(exponential linear units,ELU)作为激活函数及小批量训练方法加速模型收敛,用全局平均池化(global average pooling,GAP)代替全连接层以降低过拟合风险。基于台架试验的诊断结果表明:所提方法进行柴油机典型故障诊断的精度达到99.18%;与未改进模型及现有基于CNN的柴油机故障诊断算法相比,该方法在处理小样本数据集时仍保持最高识别精度。     

多头注意力驱动的航空高速轴承故障诊断方法EI北大核心CSCD

航空发动机运行速度高、工况变化大、结构复杂且干扰噪声大,导致微弱故障特征往往存在于多子空间中,目前基于数据驱动的诊断模型尚不足以可靠捕捉不同子空间中丰富的特征信息。针对上述问题,提出一种基于信号特征的多头注意力诊断方法(multi-head attention diagnosis method,MADM),可实现高速非平稳工况下航空轴承故障状态的识别和诊断。该方法首先通过卷积模块和双向GRU模块对原始振动信号进行特征提取;然后引入多头注意力模块,使网络同时注意并融合不同表示子空间的信息以提高故障特征的显著性水平;最后利用全连接模块和Softmax分类器对提取的特征进行高速轴承故障诊断。试验结果表明,提出的MADM该诊断方法可实现转速为12000 r/min以上、剥落面积最小为0.5 mm^(2)的航空轴承高精度可靠诊断,且优于目前主流的深度诊断方法。     

基于子域自适应对抗网络的轴承故障诊断EI北大核心CSCD

现有基于深度学习网络模型的故障诊断方法往往依赖大量有标签数据进行训练,在变工况条件下,模型的诊断精度会有所下降。针对此,为提高变工况条件下的故障诊断准确率,基于域自适应理论提出一种新颖的网络模型——子域自适应对抗网络。该网络模型不仅充分利用了动态卷积的特征提取能力,同时还借鉴了生成对抗网络的博弈思想,使特征生成器和分类器对抗学习,利用每个类别的决策边界对样本进行正确分类;此外,在对抗网络中引入局部最大平均差异,考虑每个类别的细粒度信息,以此来对齐源域和目标域相应的类空间,减小网络模型在决策边界附近的分类误差,从而提高模型对故障类别的识别精度。最终,通过两个数据集对所提出的方法进行试验验证,结果表明模型在变工况条件下具有较强的泛化性能与良好的故障识别精度。     

一种改进的解卷积算法及其在滚动轴承复合故障诊断中的应用EI北大核心CSCD

针对滚动轴承复合故障振动信号非平稳、非线性特性且不同类型故障之间相互耦合,使得传统方法对复合故障冲击特征难以提取的问题,提出了一种基于自适应信号稀疏共振分解(ARSSD)和多点峭度最优最小熵解卷积修正(MK-MOMEDA)的故障诊断新方法。使用ARSSD分析故障信号,并定义一个新的复合指标作为目标函数,利用布谷鸟寻优算法(CSA)对高、低品质因子进行优化选择,获得包含瞬态冲击成分的最优低共振分量;计算其多点峭度谱,提取低共振分量中包含的故障冲击周期成分;之后设定适当的周期区间,进行解卷积运算分离不同的故障特征;通过包络解调,分析谱图中突出的故障特征频率进而识别故障类型。实验平台模拟了滚动轴承两种和三种故障的复合情况,并对所提算法进行了验证,结果表明该方法可有效的从复合故障中提取出各类故障特征,实现故障诊断。     

基于PSO-BFA和改进Alexnet的滚动轴承故障诊断方法

现实中滚动轴承的工况复杂易变,无法有效地对其进行故障诊断。对此,提出一种基于粒子群优化的细菌觅食(Particle Swarm Optimization and Bacterial Foraging Algorithm,PSO-BFA)和改进Alexnet(第二代卷积神经网络)的滚动轴承故障诊断方法。该方法将Alexnet的结构简化,并分别在其前两层池化层之后添置局部归一化层以降低训练成本;将以小批量样本softmax的交叉熵为损失函数,按Adam迭代优化法小样本、少迭代次数训练改进Alexnet后的变负荷样本诊断精度设计为适应度函数,并结合PSO中粒子移动速度的更新方法更新BFA中细菌的游动方向来寻找改进Alexnet的结构等相关参数;根据PSO-BFA所得的参数,以相同的训练方法大样本、多迭代次数训练改进Alexnet,实现复杂工况下滚动轴承多状态故障诊断。实验结果表明所提出的方法对复杂工况下滚动轴承16种故障状态的诊断是可行的,且有更高的诊断精度、更好的抗干扰和泛化性能。     

基于改进小波阈值降噪的滚动轴承故障诊断方法

针对滚动轴承早期故障信号存在大量噪声使得提取故障特征困难的问题,提出了一种基于新改进小波阈值的降噪方法。该方法是通过采用互补集合经验模态分解（CEEMD）方法将原始故障信号进行分解,得出各阶本征模态函数（IMF）分量;选取关键的IMF分量进行重构信号,将重构信号经过新改进小波阈值算法和快速谱峭度进行滤波降噪;进行Hilbert包络解调,得出滚动轴承的故障特征频率。分别用仿真噪声信号和滚动轴承的实验信号对该方法进行验证,并将新改进小波阈值算法与传统的小波硬阈值和小波软阈值算法进行比较分析,结果表明该方法可以有效提高故障信号的信噪比,降噪效果明显,能有效获得滚动轴承的故障特征频率。     

基于EEMD和改进的形态滤波方法的轴承故障诊断研究

轴承故障会导致振动信号中出现冲击响应成分,可通过对冲击响应成分的周期的检测与提取, 进行局部故障诊断。但在复杂工况下,故障脉冲易被周围噪声淹没,在分析EEMD和形态学滤波方法的基础上,将EEMD方法与形态学滤波方法相结合,提出结构元素(SE)选择方法,并用于本征模态信号中冲击响应特征的提取。通过将该方法用于轴承外圈、内圈局部故障状态下的特征的检测,结果表明该方法能有效提取周期性脉冲成分并抑制噪声。     

一种基于样本熵的轴承故障诊断方法

运用非线性动力学参数样本熵作为特征,对轴承正常、内圈故障、滚动体故障、外圈故障四种工况的振动信号进行分析识别。针对利用原始振动信号的样本熵只能在一个尺度域进行分析,无法准确区分轴承运行状况的问题,提出一种基于集成经验模式分解与样本熵的轴承故障诊断方法。首先利用集成经验模式分解方法将原始振动信号分解为有限个内蕴模式分量,从中选取包含故障主要信息的前几个内蕴模式分量的样本熵作为特征,然后利用支持向量机进行轴承故障诊断,这样可以在多个尺度对轴承信号进行分析,提高了轴承故障诊断的准确率。通过轴承故障实测信号的诊断实验,证明了该方法的可行性和有效性。     

基于改进EMD和形态滤波的滚动轴承故障诊断

针对滚动轴承故障振动信号的非平稳性特点,提出一种改进经验模态分解(EMD)和形态滤波相结合来提取故障特征信息的方法。该方法首先在原信号中加入高频谐波并进行EMD分解,减小传统EMD分解中存在的模态混叠现象,然后从高频本征模态分量(IMF)中去除高频谐波得到故障冲击成分,经形态滤波消噪后进行频谱分析,提取出故障特征信息。信号仿真分析该方法的实施过程,并将该方法成功运用于滚动轴承内圈和外圈故障的诊断。实验结果表明该方法能够有效提取滚动轴承故障特征信息,实现故障诊断。     

改进的LMD方法及其在滚动轴承故障诊断中的应用研究

针对局部均值分解（local mean decomposition, LMD）方法存在的端点效应问题,提出一种基于梯度变化的端点效应抑制方法对局部均值分解进行改进,通过仿真对比不同端点抑制方法的效果,证明了该方法的准确性;针对滚动轴承故障振动信号为一系列调制信号的特点,将改进的局部均值分解方法应用于滚动轴承故障诊断中;利用奇异值分解降噪方法降低噪声污染对分解结果的影响;通过实验验证了该方法在滚动轴承故障诊断中的有效性和可行性。     

一种用于滚动轴承故障诊断的脉冲增强提取方法

针对齿轮箱滚动轴承发生故障时,其故障脉冲被强烈干扰信号湮没而导致故障特征难以提取的难题,提出了基于脉冲增强提取的滚动轴承故障诊断方法。基于表征故障脉冲周期性的包络谱,构建了能指示振动信号中故障脉冲强度的脉冲提取算子（PEO）;考虑到微弱故障信号特征增强的需求,结合最小熵解卷积（MED）构造了脉冲增强提取算子指标（PEEO）,用于评价MED不同滤波长度对故障脉冲增强的效果;构建基于MED滤波长度、脉冲频率以及PEEO的三维滤波模型,利用三维滤波谱PEEO峰值定位MED最优滤波长度并指示脉冲增强信号特征频率,获取最优脉冲增强信号的同时实现齿轮箱滚动轴承故障特征的提取。仿真分析和实验验证结果表明,该方法可以有效增强轴承故障脉冲,并在最优脉冲增强信号PEEO幅值谱中呈现显著的轴承故障特征,实现了齿轮箱滚动轴承微弱故障的诊断,且与典型方法相比具有明显优势。     

基于EMD的滚动轴承故障灰色诊断方法

经验模态分解（EMD）方法可使滚动轴承振动信号根据自身尺度自适应地分解为若干个内禀模态分量（IMF）,滚动轴承发生故障会导致振动能量在各IMF分量上的分布发生变化,结合灰色关联模型建立IMF能量分布与轴承状态之间的对应关系,可实现轴承的状态识别。为改善传统灰关联分析在模式识别方面的缺陷,基于斜率相似的原理构造了能反映曲线形状信息的相似关联度模型,结合传统的接近关联度模型建立了能同时反映曲线位置与形状特性的灰色综合关联度诊断模型。算例结果表明,该方法能准确有效地实现滚动轴承的故障诊断。     

基于小波改进阈值去噪和HHT的滚动轴承故障诊断

利用Hilbert-Huang变换（Hilbert-Huang Transformation,简称HHT）对滚动轴承进行故障诊断时,发现振动信号中包含的噪声对诊断结果影响较大。为克服此不足,提出了一种小波改进阈值法与HHT相结合的信号分析方法。该方法首先应用小波改进阈值方法对滚动轴承故障信号进行预处理,然后对去噪后的信号进行经验模态分解（Empirical Mode Decomposition,简称EMD）,接着选取含有故障信息的本征模函数（Intrinsic Mode Function,简称IMF）分量进行边际谱分析,从而提取出故障特征频率,并判断故障类型。仿真和实验结果验证了该方法的有效性。     

基于PSO改进深度置信网络的滚动轴承故障诊断

针对深度置信网络(Deep Belief Network,DBN)用于轴承故障诊断时,网络层结构调试比较费时等问题,提出一种基于粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)的DBN算法,以及基于该算法的轴承故障诊断模型。该模型利用PSO算法优选DBN网络结构,并通过自适应时刻估计法微调模型参数,随后运用具有最优结构的DBN模型直接从原始振动信号中提取低维故障特征,并将其输入到Soft-max分类器中识别轴承的故障模式。该算法与支持向量机、BP神经网络、DBN、堆叠降噪自编码等方法进行对比分析,实验结果表明,PSO改进的DBN算法具有更高的准确率以及更好的鲁棒性。