一种旋转机械的eemd和三次样条平滑包络分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种旋转机械的EEMD和三次样条平滑包络分析方法，该方法首先利用集合经验模式分解方法对原始信号进行分解，然后利用数据的重排和替代操作排除分解结果中的噪声分量和趋势项，接着再采用谱峭度方法对第一次滤波后的信号进行分析，得到最优滤波器的中心频率和带宽，然后利用该滤波器对第一次滤波后的信号再进行第二次滤波，然后采用三次样条迭代平滑包络分析方法对第二次滤波后的信号进行包络分析，最后根据包络谱确定旋转机械的故障类型。本发明适合于处理复杂的旋转机械故障信号，能够准确地判定出旋转机械的故障类型，具有良好的抗噪性和鲁棒性，便于工程应用。
【专利说明】
一种旋转机械的EEMD和三次样条平滑包络分析方法
技术领域
[0001]本发明涉及旋转机械状态监测与故障诊断领域，具体涉及一种旋转机械的EEMD和 三次样条平滑包络分析方法。
【背景技术】
[0002] 包络分析技术广泛应用于齿轮和滚动轴承的故障诊断中。现有的包络分析技术有 下面三个缺陷:①现有的包络分析技术或者是直接对原始信号进行分析，或者是仅对原始 信号进行简单的滤波后再进行分析，因此现有的方法容易受到噪声、趋势及其它成分的干 扰，从而导致现有技术的分析精度较低;②现有的包络分析技术是以Hi lbert变换为基础， 而Hilbert变换要求被分析的信号必须是单分量的窄带信号，否则信号的频率调制部分将 要污染信号的幅值包络分析结果，但是目前待分析的信号都不严格满足单分量且窄带的条 件，这样就会导致现有技术因精度不高而容易出现误判问题;③由传统方法得到的包络谱 存在端点效应。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的问题是针对以上不足，提出一种旋转机械的EEMD和三次样条平滑 包络分析方法，采用本发明的包络分析方法后，具有分析结果准确度和精确度高，并能准确 地检测出旋转机械故障类型的优点。
[0004] 为解决以上技术问题，本发明采取的技术方案如下：一种旋转机械的EEMD和三次 样条平滑包络分析方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1:利用加速度传感器以采样频率fs测取旋转机械的振动信号x(k)，（k=l，2， …，N)，N为采样信号的长度； 步骤2:米用集合经验模式分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD)算 法将信号x(k)分解成n个分量和一个趋势项之和，
，其中，Ci(k)代表 由EEMD算法得到的第i个分量，rn( k )代表由EEMD算法得到的趋势项； 步骤3:对(^(10执行重排操作和替代操作，经重排操作得到的数据用Clshuffle(k)表示， 替代操作后得到数据用ClFTran(k)表示； 步骤4:对(^(。、^^^^和^~"^分别执行多重分形去趋势波动分析 (Multifractal Detrended Fluctuation Analysis, MFDFA)，得到广义Hurst指数曲线，Ci (k)的广义Hurst指数曲线用Hi(q)表示；Cishuffle(k)的广义Hurst指数曲线用Hi shuffle(q)表 示;CiFTran(k)的广义Hurst指数曲线用Hi FTran(q)表示； 步骤5:如果Hi(q)与Hishuffle(q)或Hi(q)与HiFTl:an(q)之间的相对误差小于5%，或者Hi (q)、Hishuffle(q)和HiFTran(q)三者都不随q而变化，则抛弃对应的 Ci(k)分量； 步骤6:对剩余的(^(10分量求和，将该和记为信号经重排和替代滤波后的结果Xfl(k); 步骤7:对Xfl (k)执行谱峭度分析，求出信号峭度最大处所对应的中心频率fQ和带宽B; 步骤8:根据中心频率fo和带宽B对xfi(k)进行带通滤波，得到Xf2(k); 步骤9:对信号xf2(k)执行三次样条迭代平滑包络分析，得到信号包络e〇v(k); 步骤10:对得到的信号包络e〇v(k)执行离散傅里叶变换得到包络谱，根据包络谱特征 频率判断机器的故障类型。
[0005] -种优化方案，所述步骤2中集合经验模式分解算法包括以下步骤： (1)向数据xo(k)添加白噪声序列产生一个新数据Xj(k):
Std[x0(k)]代表数据x〇(k)的标准差，wnj(k)代表wnj中的第k个数据，wnj代表第j个随 机产生的白噪声序列，wnj幅值为1，K j <K; xq (k)代表权利要求1所述步骤2中X (k);本例 中，K=100; (2 )对& (k)执行经验模式分解，得到η个分量和一个趋势项
ClJ(k)代表对Xj(k)执行经验模式分解得到的第i个分量，rnj(k)代表对 Xj(k)执行经验 模式分解得到的趋势项； (3)计算K次分解结果的平均值
ci(k)表示对x〇(k)进行集合经验模式分解得到的第i个分量，:rn(k)表示对x〇(k)进行集 合经验模式分解得到的趋势项。
[0006] 进一步地，所述步骤3中数据重排操作包括以下步骤： 随机打乱分量Cl(k)的排列顺序。
[0007] 进一步地，所述步骤3中数据替代操作包括以下步骤： 1) 对分量ci(k)执行尚散傅里叶变换，获得分量Ci(k)的相位； 2) 用一组位于(-31,31)区间内的伪独立同分布数来代替分量(^(1〇的原始相位； 3) 对经过相位替代后的频域数据执行离散傅里叶逆变换得到数据ClIFFT(k)，求取数 据 ClIFFT(k)的实部。
[0008] 进一步地，所述步骤4中MFDFA方法包括以下步骤： 1)构造 x(k)(k=l，2，···，N)的轮廓Y(i):
x(k)代表权利要求1所述步骤4中的Ci(k)或Cishuffle(k)或 CiFTran(k); 2) 将信号轮廓Y(i)分成不重叠的Ns段长度为s的数据，由于数据长度N通常不能整除s， 所以会剩余一段数据不能利用； 为了充分利用数据的长度，再从数据的反方向以相同的长度分段，这样一共得到2NS段 数据； 3) 利用最小二乘法拟合每段数据的多项式趋势，然后计算每段数据的方差：
yv(i)为拟合的第v段数据的趋势，若拟合的多项式趋势为m阶，则记该去趋势过程为 (MF-)DFAm;本例中，m=l; 4) 计算第q阶波动函数的平均值：
5) 如果x(k)存在自相似特征，则第q阶波动函数的平均值Fq(s)和时间尺度s之间存在 舉律关系：
当q=〇时，步骤4)中的公式发散，这时H(0)通过下式所定义的对数平均过程来确定：
6) 对步骤5)中的公式两边取对数可得In[Fq( s) ] =H(q) In(s) +c(c为常数），由此可以获 得直线的斜率H(q)。
[0009]进一步地，所述步骤7中的谱峭度方法包括以下步骤： 1) 构造一个截止频率为fc=〇. 125+ε的低通滤波器h(n); ε>0，本例中fc=0.3 ; 2) 基于h(n)构造通频带为[0，0.25]的准低通滤波器h〇(n)和通频带为[0.25，0.5]的 准高通滤波器1η(η)， 3) 信号(Λ(η)经h〇(n)、1η(η)滤波并降采样后分解成低频部分c2lk+1(n)和高频部分 c2l+1k+1(n)，降采样的因子为2,再经多次迭代滤波后形成滤波器树，第k层有2k个频带，其中 (Λ(η)表示滤波器树中第k层上的第i个滤波器的输出信号，i=0，···，2 k-l，0彡k彡K-1，本例 中K=8;c〇 (η)代表权利要求1所述步骤7中Xfi(k);
4) 分解树中第k层上的第i个滤波器的中心频率fkl和带宽Bk分别为
5) 计算每一个滤波器结果(Λ(η)( i=0,…，2k-l)的峭度
6) 将所有的谱峭度汇总，得到信号总的谱峭度。
[0010]进一步地，所述步骤9中的三次样条迭代平滑包络分析方法包括以下步骤： 1) 计算信号Z(k)的绝对值|z(k)|的局部极值;在第1次迭代中，z(k)代表权利要求1所 述步骤9中Xf2(k); 2) 采用三次样条曲线拟合局部极值点得到包络线e〇Vl(k); 3) 对z(k)进行归一化处理得到
4) 第2次迭代:把21(1〇重新作为新数据，重复执行上述步骤1)~3)
5) 第i次迭代:把重新作为新数据，重复执行上述步骤1)~3)，
6) 如果第η次迭代得到的zn(k)的幅值小于或等于1，则迭代过程停止，最后得到信号z (k)的包络为
[0011]进一步地，所述步骤(2)中经验模式分解算法包括以下步骤： 1)第一个筛选过程:分别找出数据x(k)的上、下局部极值点，采用三次样条曲线分别 拟合上、下局部极值点，得到信号x(k)的局部最大值包络线和局部最小值包络线，再将此两 条包络线的相应各点的值取平均，得到一条平均曲线nu; 再求信号x(k)与此平均曲线πη的差，即hK^xGO-nu，至此第一个筛选过程结束； x(k)代表权利要求2所述步骤(2)中Xj(k); 2) 第二个筛选过程:h1Q重新被当作新数据，重复上述步骤1)，可得到hn= h1Q-mn，这里 参数mn代表h1Q的均值曲线，重复这一过程j次，直到0.2〈30〈0.3时筛选过程停止，这里
,此时，hij= hi(j-i)_mij，这时可以认为hij是一个内秉模态函 数（Intrinsic Mode Function, IMF)，定义第1 个IMF为ci= hij; 3) 从x(k)中减去ci，可得ri=x(k)-ci，再将ri当作新的数据，并重复上述两步操作，这 样可以得到第2个IMF; 4) 重复步骤3)操作可得到一系列IMF，如果^已经变成一条单调曲线，则筛选过程停 止，最终将原始信号分解为如下形式：
[0012]本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下优点： 1)利用集合经验模式分解(EEMD)对原始信号进行分解，然后利用数据的重排和替代操 作排除其中的噪声和趋势分量，仅仅保留信号分量中的有用成分，从而避免了噪声和趋势 分量对包络分析结果的影响，分析结果准确度和精确度高。
[0013] 2)利用三次样条迭代平滑包络分析方法将信号包络与频率调制部分完全分离，能 够避免频率调制部分对信号包络分析结果的影响，从而提高包络分析的精度。
[0014] 3)能够准确地检测出旋转机械的故障类型。
[0015] 4)由传统方法得到的包络谱存在端点效应，而由本发明得到的包络谱能够避免 端点效应。
[0016] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
【附图说明】
[0017] 附图1为本发明实施例中包络分析方法的流程图； 附图2为本发明实施例中采用低通和高通滤波器对信号进行初步分解的示意图； 附图3为本发明实施例中采用树状滤波器结构快速计算谱峭度的示意图； 附图4为本发明实施例中具有内圈故障的滚动轴承振动信号； 附图5为本发明实施例中采用传统包络分析方法对内圈故障滚动轴承振动信号的分析 结果； 附图6为本发明实施例中采用本发明包络分析方法对内圈故障滚动轴承振动信号的分 析结果； 附图7为本发明实施例中具有外圈故障的滚动轴承振动信号； 附图8为本发明实施例中采用传统包络分析方法对外圈故障滚动轴承振动信号的分析 结果； 附图9为本发明实施例中采用本发明包络分析方法对外圈故障滚动轴承振动信号的分 析结果。
【具体实施方式】
[0018] 实施例，如图1、图2、图3所示，一种旋转机械的EEMD和三次样条平滑包络分析方 法，包括以下步骤： 步骤1:利用加速度传感器以采样频率fs测取旋转机械的振动信号x(k)，（k=l，2， …，N)，N为采样信号的长度； 步骤2:米用集合经验模式分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD)算 法将信号x(k)分解成n个分量和一个趋势项之和，即
，其中，Cl(k)代表 由EEMD算法得到的第i个分量，rn( k )代表由EEMD算法得到的趋势项； 步骤3:对(^(10执行重排操作和替代操作，经重排操作得到的数据用Clshuffle(k)表示， 替代操作后得到数据用ClFTran(k)表示； 步骤4:对(^(。、^^^^和^~"^分别执行多重分形去趋势波动分析 (Multifractal Detrended Fluctuation Analysis, MFDFA)，得到广义Hurst指数曲线，Ci (k)的广义Hurst指数曲线用Hi(q)表示；Cishuffle(k)的广义Hurst指数曲线用Hi shuffle(q)表 示;CiFTran(k)的广义Hurst指数曲线用Hi FTran(q)表示； 步骤5:如果Hi(q)与Hishuffle(q)或Hi(q)与HiFTl:an(q)之间的相对误差小于5%，或者Hi (q)、Hishuffle(q)和HiFTran(q)三者都不随q而变化，则抛弃对应的 Ci(k)分量； 步骤6:对剩余的(^(10分量求和，将该和记为信号经重排和替代滤波后的结果Xfl(k); 步骤7:对Xfl (k)执行谱峭度分析，求出信号峭度最大处所对应的中心频率fQ和带宽B; 步骤8:根据中心频率f〇和带宽B对Xfi(k)进行带通滤波，得到Xf2(k); 步骤9:对信号xf2(k)执行三次样条迭代平滑包络分析，得到信号包络e〇v(k); 步骤10:对得到的信号包络e〇v(k)执行离散傅里叶变换得到包络谱，根据包络谱特征 频率判断机器的故障类型。
[0019] 步骤2中集合经验模式分解算法包括以下步骤： (1)向数据XQ(k)添加白噪声序列产生一个新数据Xj(k):
Std[x0(k)]代表数据x〇(k)的标准差，wnj(k)代表wnj中的第k个数据，wnj代表第j个随 机产生的白噪声序列，wnj幅值为1，K j <K; xq (k)代表权利要求1所述步骤2中X (k);本例 中，K=100; (2 )对& (k)执行经验模式分解，得到η个分量和一个趋势项
ClJ(k)代表对Xj(k)执行经验模式分解得到的第i个分量，rnj(k)代表对 Xj(k)执行经验 模式分解得到的趋势项； (3)计算K次分解结果的平均值
ci(k)表示对x〇(k)进行集合经验模式分解得到的第i个分量，:rn(k)表示对x〇(k)进行集 合经验模式分解得到的趋势项。
[0020] 步骤3中数据重排操作包括以下步骤： 随机打乱分量Cl(k)的排列顺序。
[0021] 步骤3中数据替代操作包括以下步骤： 1) 对分量ci(k)执行尚散傅里叶变换，获得分量Ci(k)的相位； 2) 用一组位于(-31,31)区间内的伪独立同分布数来代替分量(^(1〇的原始相位； 3) 对经过相位替代后的频域数据执行离散傅里叶逆变换得到数据ClIFFT(k)，求取数 据 ClIFFT(k)的实部。
[0022] 步骤4中MFDFA方法包括以下步骤： 1) 构造 x(k)(k=l，2，···，N)的轮廓Y(i):
x(k)代表权利要求1所述步骤4中的Ci(k)或Cishuffle(k)或 CiFTran(k); 2) 将信号轮廓Y(i)分成不重叠的Ns段长度为s的数据，由于数据长度N通常不能整除s， 所以会剩余一段数据不能利用； 为了充分利用数据的长度，再从数据的反方向以相同的长度分段，这样一共得到2NS段 数据； 3) 利用最小二乘法拟合每段数据的多项式趋势，然后计算每段数据的方差：
yv(i)为拟合的第v段数据的趋势，若拟合的多项式趋势为m阶，则记该去趋势过程为 (MF-)DFAm;本例中，m=l; 4) 计算第q阶波动函数的平均值：
5) 如果x(k)存在自相似特征，则第q阶波动函数的平均值Fq(s)和时间尺度s之间存在 舉律关系：
当q=〇时，步骤4)中的公式发散，这时H(0)通过下式所定义的对数平均过程来确定：
6) 对步骤5)中的公式两边取对数可得In[Fq( s) ] =H(q) In(s) +c(c为常数），由此可以获 得直线的斜率H(q)。
[0023]步骤7中的谱峭度方法包括以下步骤： 1) 构造一个截止频率为fc=〇. 125+ε的低通滤波器h(n); ε>0，本例中fc=0.3 ; 2) 基于h(n)构造通频带为[0，0.25]的准低通滤波器hQ(n)和通频带为[0.25，0.5]的 准高通滤波器hKn)，
3) 信号(Λ(η)经hQ(n)、1η(η)滤波并降采样后分解成低频部分c2lk+1(n)和高频部分 c2l+1k+1(n)，降采样的因子为2,再经多次迭代滤波后形成滤波器树，第k层有2k个频带，其中 (Λ(η)表示滤波器树中第k层上的第i个滤波器的输出信号，i=0，···，2 k-l，0彡k彡K-1，本例 中K=8;c〇 (η)代表权利要求1所述步骤7中Xfi(k); 4) 分解树中第k层上的第i个滤波器的中心频率fkl和带宽Bk分别为
5) 计算每一个滤波器结果(Λ(η)( i=0,…，2k-l)的峭度
6) 将所有的谱峭度汇总，得到信号总的谱峭度。
[0024]步骤9中的三次样条迭代平滑包络分析方法包括以下步骤： 1)计算信号Z(k)的绝对值|z(k)|的局部极值;在第1次迭代中，z(k)代表权利要求1所 述步骤9中Xf2(k); 2) 采用三次样条曲线拟合局部极值点得到包络线e〇V1(k); 3) 对z(k)进行归一化处理得到
4) 第2次迭代:把21(1〇重新作为新数据，重复执行上述步骤1)~3)，
5) 第i次迭代:把Zl-i(k)重新作为新数据，重复执行上述步骤1)~3) 6) 如果第η次迭代得到的zn(k)的幅值小于或等于1，则迭代过程停止，最后得到信号z (k)的包络为
[0025] 步骤(2)中经验模式分解算法包括以下步骤： 1) 第一个筛选过程:分别找出数据x(k)的上、下局部极值点，采用三次样条曲线分别 拟合上、下局部极值点，得到信号x(k)的局部最大值包络线和局部最小值包络线，再将此两 条包络线的相应各点的值取平均，得到一条平均曲线nu; 再求信号x(k)与此平均曲线πη的差，即hK^xGO-nu，至此第一个筛选过程结束； x(k)代表权利要求2所述步骤(2)中Xj(k); 2) 第二个筛选过程:h1Q重新被当作新数据，重复上述步骤1)，可得到hn= h1Q-mn，这里 参数mn代表h1Q的均值曲线，重复这一过程j次，直到0.2〈30〈0.3时筛选过程停止，这里
此时，hij= hiG-i)_mij，这时可以认为hij是一个内秉模态函 数（Intrinsic Mode Function, IMF)，定义第1 个IMF为ci= hij; 3) 从x(k)中减去ci，可得ri=x(k)_ci，再将ri当作新的数据，并重复上述两步操作，这 样可以得到第2个IMF; 4) 重复步骤3)操作可得到一系列IMF，如果仏已经变成一条单调曲线，则筛选过程停 止，最终将原始信号分解为如下形式:
[0026] 试验1，利用具有内圈故障的滚动轴承振动数据对本发明所述算法的性能进行验 证。
[0027] 实验所用轴承为6205-2RS JEM SKF，利用电火花加工方法在轴承内圈上加工深度 为0.2794mm、宽度为0.3556mm的凹槽来模拟轴承内圈故障，本实验负载约为0.7457kW，驱动 电机转频约为29.5Hz，轴承内圈故障特征频率约为160Hz，采样频率为4.8KHz，信号采样时 长为Is。
[0028] 采集到的内圈故障信号如图4所示。
[0029] 首先采用传统的包络分析方法对图4所示的信号进行分析，得到的分析结果如图5 所示。从图5可以看出，轴承的故障特征完全被掩盖，因此传统的包络分析方法不能有效地 提取轴承的故障特征;此外，从图5可以看出，包络谱的左端点存在异常高值，这说明由传统 方法得到的包络谱存在端点效应。
[0030] 采用本发明所提出的方法对图4所示的信号进行分析，得到的分析结果如图6所 示。从图6可以看出，160Hz和320Hz所对应的谱线明显高于其它谱线，这两个频率分别对应 轴承内圈故障特征频率的1倍频和2倍频，据此可以判断轴承具有内圈故障；从图6可以看 出，由本发明得到的包络谱没有端点效应。
[0031] 经多次实验表明，在负载和故障尺寸深度不变的情况下，本发明能够可靠识别的 最小内圈故障尺寸宽度约为0.20mm，而传统方法能够可靠识别的最小内圈故障尺寸宽度约 为0.53mm，精度提高62.3%。
[0032] 试验2,利用具有外圈故障的滚动轴承振动数据对本发明所述算法的性能进行验 证。
[0033] 实验所用轴承为6205-2RS JEM SKF，利用电火花加工方法在轴承外圈上加工深度 为0.2794mm、宽度为0.5334mm的凹槽来模拟轴承外圈故障，本实验负载约为2.237 kW，驱动 电机转频约为28.7Hz，轴承外圈故障特征频率约为103Hz，采样频率为4.8KHz，信号采样时 长为Is。
[0034] 采集到的外圈故障信号如图7所示。
[0035] 首先采用传统的包络分析方法对图7所示的信号进行分析，得到的分析结果如图8 所示。从图8可以看出，轴承的故障特征完全被掩盖，因此传统的包络分析方法不能有效地 提取轴承的故障特征;此外，从图8可以看出，包络谱的左端点存在异常高值，这说明由传统 方法得到的包络谱存在端点效应。
[0036] 采用本发明所提出的方法对图7所示的信号进行分析，得到的分析结果如图9所 示。从图9可以看出，103Hz和206Hz所对应的谱线明显高于其它谱线，这两个频率分别对应 轴承外圈故障特征频率的1倍频和2倍频，据此可以判断轴承具有外圈故障；从图9可以看 出，由本发明得到的包络谱没有端点效应。。
[0037] 经多次实验表明，在负载和故障尺寸深度不变的情况下，本发明能够可靠识别的 最小外圈故障尺寸宽度约为0.28mm，而传统方法能够可靠识别的最小外圈故障尺寸宽度约 为0.68_，精度提尚58.8%。
[0038]根据试验结果，分析后认为： 1)传统的包络分析方法直接对原始信号进行包络分析，或者对仅经过简单处理后的 原始信号进行包络分析，与传统的包络分析方法不同，本发明首先利用EEMD对原始信号进 行分解，然后利用数据的重排和替代操作排除其中的噪声和趋势分量，仅仅保留信号分量 中的有用成分，从而避免了噪声和趋势分量对包络分析结果的影响，提高了准确度和精确 度。
[0039] 2)传统的包络分析方法以Hilbert变换为基础，而Hilbert变换要求被分析的信 号必须是单分量的窄带信号，否则信号的频率调制部分将要污染信号的包络分析结果，但 是目前待分析的信号都不严格满足单分量且窄带的条件，这样就会导致现有技术因精度不 高而容易出现误判问题，与传统包络分析方法不同，本发明利用三次样条迭代平滑包络分 析方法将信号包络与频率调制部分完全分离，能够避免频率调制部分对信号包络分析结果 的影响，从而提尚包络分析的精度。
[0040] 3)能够准确地检测出旋转机械的故障类型。
[0041 ] 4)由传统方法得到的包络谱存在端点效应，而由本发明得到的包络谱能够避免 端点效应。
[0042] 5)各步骤作用： 第1)步:采集振动信号； 第2)步:将原始信号分解成不同分量和的形式，其中有些分量对应噪声和趋势项，有些 分量对应有用信号； 第3)~5)步:对上述分解得到的信号执行重排操作和替代操作，剔除其中的噪声分量和 趋势项，只保留有用信号； 第6)步:将剩余的有用信号求和，将该和作为信号经重排和替代滤波后的结果xfl(k); 第7)步:对滤波后的信号xfl(k)执行谱峭度分析，求出信号最大峭度处对应的中心频 率fo和带宽B; 第8)步:根据中心频率fo和带宽B对Xfl(k)进行带通滤波，得到信号Xf2(k); 第9)步:计算信号Xf2(k)的包络eov(k); 第10)步:对eov(k)执行离散傅里叶变换得到包络谱，根据包络谱判断轴承的故障类 型。
[0043]本领域技术人员应该认识到，上述的【具体实施方式】只是示例性的，是为了使本领 域技术人员能够更好的理解本
【发明内容】
，不应理解为是对本发明保护范围的限制，只要是 根据本发明技术方案所作的改进，均落入本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种旋转机械的EEMD和Ξ次样条平滑包络分析方法，其特征在于，包括w下步骤： 步骤1:利用加速度传感器W采样频率fs测取旋转机械的振动信号x(k), (k=l, 2， …，N)，N为义样信号的长度； 步骤2:义用集合经验模式分解巧nsemble Empirical Mode Decomposition, EEMD)算 ... 法将信号x(k)分解成η个分量和一个趋势项之和，即、#H忍巧挺身气辦，其中，ci(k)代表 由EEMD算法得到的第i个分量，rn(k)代表由EEMD算法得到的趋势项； 步骤3:对Cl化)执行重排操作和替代操作，经重排操作得到的数据用cishuffie(k)表示， 替代操作后得到数据用CiPhan(k)表示； 步骤4:对(：1(10、(3134^116(1〇和(31"了-"(4)分别执行多重分形去趋势波动分析 (Multifractal Detrended Fluctuation Analysis, Μ抑FA)，得到广义Hurst指数曲线，Ci (k)的广义Hurst指数曲线用出(q)表示；CiShuffie(k)的广义Hurst指数曲线用出shuffie(q)表 示;CiFhan(k)的广义Hurst指数曲线用出Fhan(q)表示. 步骤5:如果出（q)与出shuffie(q)或出（q)与出PTfan(q)之间的相对误差小于5%，或者出 (q)、出shuffle(q)和出"^"(9)立者都不随q而变化，则抛弃对应的。化)分量. 步骤6:对剩余的Cl化)分量求和，将该和记为信号经重排和替代滤波后的结果Xfi(k); 步骤7:对Xfi(k)执行谱峭度分析，求出信号峭度最大处所对应的中屯、频率fo和带宽B; 步骤8:根据中屯、频率fo和带宽B对Xfl(k)进行带通滤波，得到Xf2(k); 步骤9:对信号Xf2(k)执行Ξ次样条迭代平滑包络分析，得到信号包络eoWk); 步骤10:对得到的信号包络eov(k)执行离散傅里叶变换得到包络谱，根据包络谱特征 频率判断机器的故障类型。2. 根据权利要求1所述的一种旋转机械的EEMD和Ξ次样条平滑包络分析方法，其特征 在于，所述步骤2中集合经验模式分解算法包括W下步骤： (1) 向数据X0化)添加白噪声序列产生一个新数据x^k):Std[x〇化)]代表数据x〇(k)的标准差，浦肿)代表wn冲的第k个数据，WW代表第j个随机 产生的白噪声序列，wnj幅值为l，l《j《K;xo化)代表权利要求1所述步骤帥X化）； (2) 对x^k)执行经验模式分解，得到η个分量和一个趋势项Cij(k)代表对Xj化)执行经验模式分解得到的第i个分量，rnj化)代表对Xj化)执行经验 模式分解得到的趋势项； (3) 计算K次分解结果的平均值Ci化)表示对XO化)进行集合经验模式分解得到的第i个分量，:Γη化)表示对XO化)进行集 合经验模式分解得到的趋势项。3. 根据权利要求1所述的一种旋转机械的EEMD和Ξ次样条平滑包络分析方法，其特征 在于，所述步骤3中数据重排操作包括W下步骤： 随机打乱分量Ci(k)的排列顺序。4. 根据权利要求1所述的一种旋转机械的邸MD和Ξ次样条平滑包络分析方法，其特征 在于:所述步骤3中数据替代操作包括W下步骤： 1) 对分量Cl化)执行离散傅里叶变换，获得分量Cl化)的相位； 2) 用一组位于(-31,31)区间内的伪独立同分布数来代替分量Cl化)的原始相位； 3) 对经过相位替代后的频域数据执行离散傅里叶逆变换得到数据CiiwT化），求取数据 CiiwT化)的实部。5. 根据权利要求1所述的一种旋转机械的EEMD和Ξ次样条平滑包络分析方法，其特征 在于:所述步骤4中MFDFA方法包括W下步骤： 1) 构造 X化)Α=1，2，···，Ν)的轮廓 Y(i):X化)代表权利要求1所述步骤4中的Ci(k)或CiShuffle(k)或c/Ttan化）. 2) 将信号轮廓Y(i)分成不重叠的化段长度为S的数据，从数据的反方向W相同的长度分 段，得到2化段数据； 3) 利用最小二乘法拟合每段数据的多项式趋势，然后计算每段数据的方差：yv(i)为拟合的第V段数据的趋势，若拟合的多项式趋势为m阶，则记该去趋势过程为 (MF-)DFAm； 4) 计算第q阶波动函数的平均值：5) 如果X化)存在自相似特征，则第q阶波动函数的平均值Fq(s)和时间尺度s之间存在幕 律关系：当q=〇时，步骤4)中的公式发散，运时H(0)通过下式所定义的对数平均过程来确定：6) 对步骤5)中的公式两边取对数可得ln[Fq(s)]=H(q)ln(s)+c(c为常数），由此可W获 得直线的斜率H(q)。6. 根据权利要求1所述的一种旋转机械的邸MD和Ξ次样条平滑包络分析方法，其特征 在于:所述步骤7中的谱峭度方法包括W下步骤： 1) 构造一个截止频率为fc=〇. 125+ε的低通滤波器h(n); 2) 基于h(n)构造通频带为[0, 0.25]的准低通滤波器h〇(n)和通频带为[0.25, 0.5]的 准高通滤波器hi(n)，3) 信号(Λ(η)经h〇(n)、hi(n)滤波并降采样后分解成低频部分c2Vi(n)和高频部分c2i +Vi(n)，降采样的因子为2,再经多次迭代滤波后形成滤波器树，第k层有2k个频带，其中(Λ (η)表示滤波器树中第k层上的第i个滤波器的输出信号，i=0，…，2k-l，〇《k《K-l; 4) 分解树中第k层上的第i个滤波器的中屯、频率fki和带宽化分别为5) 计算每一个滤波器结果(Λ(η)( i=0,…，2k-l)的峭度6) 将所有的谱峭度汇总，得到信号总的谱峭度。7. 根据权利要求1所述的一种旋转机械的EEMD和Ξ次样条平滑包络分析方法，其特征 在于，所述步骤9中的Ξ次样条迭代平滑包络分析方法包括W下步骤： 1)计算信号Z化)的绝对值|z(k)|的局部极值;在第1次迭代中，z(k)代表权利要求1所 述步骤9中Xf2化）； 2) 采用Ξ次样条曲线拟合局部极值点得到包络线eovi化）； 3) 对Z化)进行归一化处理得至； 4) 第2次迭代:把Z1化)重新作为新数据，重复执行上述步骤1)~3)，得到5) 第i次迭代:把zi-i化）重新作为新数据，重复执行上述步骤1)~3)，得至6) 如果第η次迭代得到的zn化)的幅值小于或等于1，则迭代过程停止，最后得到信号Z 化)的包络为8.根据权利要求2所述的一种旋转机械的EEMD和Ξ次样条平滑包络分析方法，其特征 在于，所述步骤(2)中经验模式分解算法包括W下步骤： 1) 第一个筛选过程：分别找出数据x(k)的上、下局部极值点，采用Ξ次样条曲线分别 拟合上、下局部极值点，得到信号x(k)的局部最大值包络线和局部最小值包络线，再将此两 条包络线的相应各点的值取平均，得到一条平均曲线mi; 再求信号x(k)与此平均曲线mi的差，目化io=x化)-mi，至此第一个筛选过程结束； x(k)代表权利要求2所述步骤(2)中x^k); 2) 第二个筛选过程:hi日重新被当作新数据，重复上述步骤1 )，可得到hii= hi日-mil，运里 参数mil代表hio的均值曲线，重复运一过程j次，直到0.2<SD<0.3时筛选过程停止，运里，此时，hij= 运时可W认为hlj是一个内秉模态函 数（Intrinsic Mode F^mction, IMF),定义第1 个IMF为ci= hij; 3) 从X化）中减去Cl，可得；Γ?=χ化)-Cl，再将ri当作新的数据，并重复上述两步操作，运样 可W得到第2个IMF; 4) 重复步骤3)操作可得到一系列IMF，如果。已经变成一条单调曲线，则筛选过程停止， 最终将原始信号分解为如下形式：。
【文档编号】G06F17/50GK106096201SQ201610492463
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】窦春红
【申请人】潍坊学院