基于EMD和HHT的旋转机械故障诊断方法研究

【摘要】旋转机械是工业部门中应用最为广泛的一类机械设备。因而其故障诊断具有重要的现实意义。旋转机械故障诊断的关键是从旋转机械故障振动信号中提取故障特征,信号分析和处理是特征提取最常用的方法。由于大多数旋转机械故障振动信号是非平稳信号,因此有必要选择恰当的适合于非平稳信号分析的信号处理方法。由于时频分析方法能同时提供振动信号的时域和频域信息,因而在旋转机械故障诊断中应用最为广泛。本文比较了三种经典的频谱分析方法：短时傅立叶变换、希尔伯特变换和小波变换。本文证明了当使用典型的小波基时,这三种方法在形式上(即在数学上)实际是等价的,并且只要分析参数相互匹配,其结果在本质上也是相同的。这一等价性适用于相位、振幅、以及所有由时-频复数表达式衍生出来的物理量。本文还以频谱振幅为例,说明了短时傅立叶变换、希尔伯特变换和小波变换在振动信号分析中的实际应用。理论和实验表明在采用任何一种时频分析方法时,最具决定性的是寻找或者选择恰当的时间-频率分辨率,通过控制滤波器核(时域)或传递函数(频域)达到优化的分析结果。然而,传统的时频分析方法(信号与预先设定的基函数卷积)具有一定的局限性。因为预先设定的基函数不可能自动适应数据源的多样性,与基函数不匹配的数据都将自动地被赋予对应基函数的各次谐波。同时,卷积过程包含着积分,因此结果因不确定性原理而具有局限性。最近,N.E.Huang等人首次提出了一种处理非平稳信号的时频分析方法——希尔伯特-黄变换(Hilbert-HuangTransform,HHT),它包括经验模态分解(EmpiricalModeDecomposition,EMD)和Hilbert变换两部分。该方法不受傅立叶分析的局限,是一种更具适应性的时频局部化分析方法。尽管这种方法被实践证明具有引人注目的有效性,但是由于EMD方法不是经严格的数学分析推导得到的,而是依据实验研究提出的算法。因此,EMD方法目前仍然存在诸如内模函数分量筛选判据、端点效应和模式混叠等主要问题有待解决或改进。为了防止内模函数“过分解”,本文提出了允许包络均值曲线在整个数据长度上小波动,同时局部上又允许大波动的筛选判据,并通过引入线性趋势项较好地解决了内模函数的过分解问题；在运用EMD方法对非平稳信号进行分解时,在数据的两端会产生发散现象,并且这种发散的结果会逐渐向内“污染”整个数据序列而使得分解结果严重失真。本文提出了修正内模函数分量的方法,较好地抑制了端点效应；EMD方法存在的另一个主要问题是模式混叠(一个内模函数分量包含有显著不同频率或尺度的局部振荡),原先的解决办法是以一个主观判断的频率或尺度范围进行检测控制,尽管此方法在多数情况下奏效,但降低了算法的自适应性。本文通过引入中间频率提高原信号中各个分量的频率比,较好地解决了EMD的模式混叠问题。滚动轴承和齿轮振动信号均呈现调制特征及含有大量噪声。因此,对测得的振动信号进行解调是滚动轴承和齿轮故障诊断的关键。传统的包络解调技术需要预先设计一带通滤波器,其中心频率为某一元件固有频率,然后对原信号进行带通滤波。但有时会出现时域相加信号的频率成分在调制边频带附近不被滤除的情况,从而在解调谱上出现误诊断或无法分析的频率成分。本文在建立滚动轴承和齿轮振动信号的简化数学模型基础上,提出了基于EMD的波形参数分析法和基于HHT的共振解调法诊断滚动轴承和齿轮故障的几种方法。仿真模拟和互联网上公开的实验数据分析表明,这些方法具有更强的自适应性,能够有效地提取滚动轴承和齿轮的时域和频域的故障特征参数,进一步提高了故障诊断的准确率。
【作者】张进明；
【导师】高金吉；
【作者基本信息】北京化工大学，控制理论与控制工程，2006，博士
【关键词】旋转机械；故障诊断；时频分析；经验模态分解(EMD)；Hilbert-Huang变换(HHT)；

【参考文献】
[1]刘潇荃.不同刺激呈现方式下大脑两半球协同功能研究[D].山西医科大学,应用心理学,2013,硕士.
[2]李升红.HC超市生鲜食品冷链管理关键环节优化研究[D].西南交通大学,物流工程,2012,硕士.
[3]祁飞飞.先秦时期婚姻伦理研究[D].新疆师范大学,伦理学（专业学位）,2014,硕士.
[4]李长荣,阚戈.中文文本2-分类模型在上证指数趋势分析中的应用研究[J].齐齐哈尔大学学报,2005,02:33-36.
[5]李雪.碳硼烷桥连噻吩和三芳基硼系列化合物结构和二阶非线性光学性质的DFT计算[D].东北师范大学,物理化学,2012,硕士.
[6]张云泽.论蔡元培美育思想与中国音乐教育[D].云南艺术学院,音乐教育理论,2014,硕士.
[7]鹿乐.基于特征分块的三维人脸重建及在识别中的应用[D].南京航空航天大学,模式识别与智能系统,2013,硕士.
[8]袁晓轩.从概念整合角度研究许渊冲诗词翻译中的语境重构[D].山东财经大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[9]张斌.基于磁性与荧光纳米粒的生物分析新方法研究[D].苏州大学,2012.
[10]陈玲玲.肠易激综合征患者血清抗肠神经元抗体免疫反应特点及其临床意义探讨[D].福建医科大学,内科学,2014,硕士.
[11]姚春燕,陈思源,彭伟.新型锯丝的弹塑性冷绕成形与回弹研究[J].中国机械工程,2013,20:2809-2814+2819.
[12]李忠东.用可再生能源发电的摩天大楼[J].科学大众(中学生),2013,11:18-19.
[13]陈志清.马克思恩格斯生态文明思想及其中国化实践探析[D].中共广东省委党校,马克思主义中国化研究,2013,硕士.
[14]韩挺.基于行为可信的安全OSPF协议研究[D].西安电子科技大学,计算机系统结构,2011,硕士.
[15]李学军.瞬态瑞雷波探测技术及其应用研究[J].石油地球物理勘探,1998,S2:100-110+169.
[16]李宏锋.地铁轨道波浪形磨耗检测系统研究[D].西南交通大学,交通运输工程,2014,硕士.
[17]周太平.开拓地震科技信息工作新领域——兼论地震系统开发信息网络建设[J].地震学刊.1994(01)
[18]汪恒杰,胡大斌,嵇晓.一个面向大规模数据仓库数据清洗策略的研究和实现[J].工程地质计算机应用,2004,03:10-13+28.
[19]朱刚.紫郡庄园项目的营销推广策略[D].河北工业大学,工商管理,2013,硕士.
[20]孟祥年.论“非市场经济”地位及我国的对策[D].安徽大学,国际贸易学,2004,硕士.
[21]曲宜.天然西藏灵菇粒与人工合成粒形成特性的对比研究[D].哈尔滨工业大学,化学工程,2013,硕士.
[22]朱萃敏.因果链长度和情境因果性对3～5岁幼儿反事实推理的影响[D].西南大学,发展与教育心理学,2014,硕士.
[23]薛兴昌.问与答[J].冶金自动化,1987,06:59.
[24]樊思.高校教师职称评审代表作制度研究[D].湖北大学,高等教育学,2012,硕士.
[25]张家涛.生物基碳材料合成及其在碳/硫和碳/氧化物电极中的应用[D].浙江工业大学,2014.
[26]于海洋.2012年伦敦奥运会女子足球淘汰赛阶段比赛阵型运用研究[D].杭州师范大学,体育人文社会学,2013,硕士.
[27]雷向春.论单方解除劳动合同[D].吉林大学,民商法学,2004,硕士.
[28]崔雅如.雾化吸入阿米卡星治疗铜绿假单胞菌性呼吸机相关性气管支气管炎[D].辽宁医学院,内科学,2012,硕士.
[29]宋彦龙.基于xPC电机台架的综合数据采集系统[D].吉林大学,无线电物理,2014,硕士.
[30]雷文龙.板—球系统模型预测控制器的设计与实现[D].河南科技大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[31]匡巍巍.公共文化设施免费开放政府职能研究[D].长春工业大学,行政管理,2013,硕士.
[32]张星.纳米结构半导体材料：合成及其在光电化学能量转换领域中的应用[D].苏州大学,材料学,2014,硕士.
[33]王亚娟.基于广义线性模型的车险分类费率厘定研究[D].山东大学,保险（专业学位）,2013,硕士.
[34]封棋.基于IDL的单体滑坡三维可视化系统开发与应用[D].中国地质大学（北京）,地质工程,2013,硕士.
[35]马莲.交错性压迫视角下《逝去》中美国黑人妇女的逾越假设[D].宁夏大学,英语语言文学,2014,硕士.
[36]闵琼.科技英语中形动兼类词的形动义项间映射关系研究[D].华中科技大学,英语语言文学,2013,硕士.
[37]虞晓芬,张娟锋.我国房地产业健康稳定发展的若干问题——2010中国房地产学术研讨会综述[J].经济研究,2011,02:149-152+160.
[38]汪磊.钢筋混凝土叠合板的受力性能试验研究[D].安徽建筑大学,结构工程,2013,硕士.
[39]王兴起,孔繁胜.容忍噪音的特征子集选择算法研究[J].计算机研究与发展,2002,12:1637-1644.
[40]汪琛.基于COBIT的商业银行IT审计研究[D].中国海洋大学,会计（专业学位）,2014,硕士.
[41]徐薇.金融集团监管法律问题研究[D].西北大学,国际法学,2014,硕士.
[42]樊娟娟.北京市和谐交通评价指标体系的构建和实证分析[D].北京交通大学,2010.
[43]佟绍成,徐为民,柴天佑.关于多变量非线性系统的自适应模糊控制[J].自动化学报,1998,06:77-81.
[44]钦兰云.钛合金激光沉积修复关键技术研究[D].沈阳工业大学,机械设计及理论,2014,博士.
[45]秦虎.枣庄市文化产业发展中的政府作用研究[D].山东师范大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[46]周琪,杨鹏翔,秦永元.基于自抗扰控制技术的捷联罗经对准算法[J].控制与决策,2011,09:1386-1390.
[47]严恩.网络治理视域下企沙港水上交通安全监管研究[D].大连海事大学,公共管理,2012,硕士.
[48]晏双龙.水稳半刚性基层全厚式就地冷再生技术研究[D].长安大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[49]王耀琴.缺血后处理启动细胞周期促进受损心肌组织修复的研究[D].山西医科大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[50]王书锋,邹益仁.具有多种产品类型的最小订单提前/拖期问题(英文)[J].自动化学报,2003,02:296-300.