[發明專利]一種基于調制載波譜解調的行星齒輪箱故障診斷方法

在審

• 申請號: 202211546151.8
• 申請日: 2022-12-05
• 公開（公告）號: CN115791157A
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 張冕;尹建超;黎德才;向紅標;康天博;陳祥
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: G01M13/021
• 分類號: G01M13/021;G01M13/028;G06F18/10;G06F18/213;G06F18/241;G06N3/048;G06N3/0464;G06N3/08
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 顏濟奎

1.一種基于調制載波譜解調的行星齒輪箱故障診斷方法，其特征在于，診斷方法具體步驟如下：

(1)振動信號采集：使用DDS試驗臺獲取多種健康狀態下的行星齒輪箱齒輪數據；

(2)信號預處理：對時域信號進行預處理變成頻域信號，對其進行歸一化，再減去均值，達到減弱噪聲的影響，突出主頻率，得到幅值-頻率信號；

(3)卷積操作：對幅值-頻率信號進行卷積處理，在訓練的過程中自動提取任務相關特征，通過彈性梳狀卷積核ECCK以可解釋地提取所有可能的調制載波頻率對的信息，得到調制載波譜MCS；

(4)匹配MCS中各零部件故障特征頻率；

(5)根據對信號解調出的特征頻率，診斷行星齒輪箱故障。

2.根據權利要求1所述的行星齒輪箱故障診斷方法，其特征在于，步驟(2)對時域信號進行預處理，通過傅里葉變換將時域信號轉變為頻域信號，使用Min-Max Normalization函數對頻譜進行歸一化以提高計算效率：

將頻譜值減去歸一化頻譜的平均振幅，減少噪聲的影響，突出主頻率，得到輸入數據X(f)，

X(f)＝O(f)-mean{O(f)}。

3.根據權利要求1所述的行星齒輪箱故障診斷方法，其特征在于，步驟(3)中的彈性梳狀卷積核ECCK，以自動將調制信息從頻譜中提取到調制載波頻譜MCS中，具體是：

①該ECCK本質上是有奇數個元素的一維權重矩陣，中心元件位置固定，而兩側元件可同步向兩端移動，形似彈性“梳子”，中心權重元素W₀預計與載波頻率f_c匹配，并且它的位置是固定的，同時，兩側的權重元素W_±1是可移動的，通過同步改變權重距離來搜索由調制頻率產生f_m的邊帶對f_c±f_m，在這種情況下，記錄調制載頻對{f_m,f_c}的幅度和位置信息；

②構建一個內核組來覆蓋載波頻率f_c的所有可能調制頻率，它包含ECCK的所有長度狀態，W_±1和W₀在kernel₁中緊密對齊，初始權重距離為1，以1的速度同步移動W_±1離開W₀，獲得kernel₂，然后，繼續向兩邊移動W_±1，每一步得到一個新的核，直到ECCK的長度大于等于整個頻譜的長度L，得出最后一個內核是權重距離為

③內核組中的每個內核都對應一個可能的調制頻率，并對當前載波頻率產生一個卷積輸出，數值上，卷積結果等于將權重矩陣與一個核對應的三個頻率幅度相乘，然后將它們相加，將權重矩陣設置為[W_-1,W₀,W₁]＝[1,1,1]，卷積結果實際上就是載波頻率及其邊帶對幅值之和，通過核群與頻譜的卷積結果，反映每個調制載頻對的調制強度。

4.根據權利要求1所述的行星齒輪箱故障診斷方法，其特征在于，步驟(4)通過激活函數R-ReLU來判斷調制是否為真，并進一步限制無調制的調制-載頻對的卷積結果，包括：

①根據采樣頻率和采樣時間計算出頻譜的長度L，ECCK的彈性范圍確定為1到然后，構造一個核組，包含L個核，核距離從1依次增大到L，基于這樣的核組，該卷積和激活操作表示為：

②其中D是MCS，n對應第n個內核，即第n個可能的調制頻率，L對應于輸入數據上內核組中心的位置，即第L個假設載波頻率，是調制載波頻率對，W是權重元素，W＝{W_-1,W₀,W₁}，X(l+in)表示輸入數據的(l+in)^th頻率的振幅，σ(·)表示提出的非線性激活函數：R-ReLU；

③內核組對整個輸入數據進行滑動和卷積：內核組的中心從第一個頻率滑動到最后，滑動步長＝1，同時，內核組對輸入數據進行卷積處理，每個核的權值元素與輸入數據上對應的三個頻率的振幅相乘，然后相加，此外，當卷積范圍超過輸入數據時，使用零填充；

④接下來，所有卷積輸出都由R-ReLU函數非線性激活，R-ReLU如下公式所示：

其中，b是一個變量，即所謂的限制項；

R-ReLU中：如果卷積結果為負，激活后輸出為0，當卷積結果為正時，引入一個限制項b來限制其振幅，其構造為：

b＝min{|W_iX(l+in)|}

＝min{|W_-1X(l-n)|,|W₀X(l)|,|W₁X(l+n)|}。