機械工程設計

基于壓縮信息特征提取的滾動軸承故障診斷方法

孟宗，李晶，龍海峰，等

摘要：目的：滾動軸承是旋轉機械的重要組成部分，據(jù)統(tǒng)計，在使用滾動軸承的旋轉機械中，約有30%的機械故障是由滾動軸承引起的，滾動軸承的故障診斷具有十分重要的意義。軸承故障診斷過程中，可靠的信息獲取是故障診斷的前提，提取故障特征是故障診斷的必要條件。傳統(tǒng)采樣過程在遵循 Shannon-Nyquist采樣定理的條件下進行，采樣頻率由所采信號頻帶決定，需不低于采樣信號最高頻率的二倍。受硬件限制高頻帶信息采集成本昂貴，產生的海量數(shù)據(jù)易造成數(shù)據(jù)冗余，而數(shù)據(jù)的傳輸、存儲、處理過程均將受到采樣過程限制。壓縮感知作為一種新型壓縮采樣方法，利用信號稀疏特性以遠低于奈奎斯特采樣定理的采樣速率壓縮采集信號，可減小數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲的硬件壓力。但在工程實際中，機械系統(tǒng)故障振動信號往往具有復雜性，信號稀疏特性差，加大了信號的重構難度，且故障信號重構將花費大量時間增加軟件代價。針對這一問題，本文提出一種基于壓縮感知的故障診斷方法。該方法直接從壓縮采集信息中提取敏感特征參量，在不重構信號的情況下進行較高效的故障診斷。方法：對于壓縮感知框架下的信號采樣，采樣信號可看作原始信號在測量矩陣下的投影，信號的敏感特征因測量矩陣而改變，但同時采樣信號中保存了原始信號的大部分信息，與原始信號具有相關性。本文通過對測量矩陣和故障敏感特征參量進行分析，選擇部分hadamard矩陣作為測量矩陣，峭度因子、方差、波形因子作為敏感特征參量，不重構壓縮測量量，直接利用壓縮采集信息，提取敏感特征從而進行故障診斷。具體實現(xiàn)方法可分為3個部分。（1）數(shù)據(jù)采集部分。應用壓縮感知理論，確定測量矩陣，確定壓縮比a，在測量矩陣下采集數(shù)據(jù)，得到損傷部位不同的軸承在工作狀態(tài)下的振動數(shù)據(jù)各L幀，每幀M個樣本點。（2）特征提取部分。選擇適當統(tǒng)計特征量作為故障特征參量，分別計算采樣所得各組數(shù)據(jù)的特征參量。（3）故障診斷部分。應用支持向量機算法理論進行故障診斷，先利用粒子群算法對 SVM中參數(shù)尋優(yōu)，得到最優(yōu)參數(shù)后對特征參量分類識別，從而進行故障診斷。結果：以美國西儲大學實驗臺數(shù)據(jù)為例，應用軸承振動數(shù)據(jù)對本文方法進行分析驗證。實驗證明在hadamard矩陣下測量對信號的均方根值、方差等表現(xiàn)信號能量的特征參量影響很小，與理論推導相一致；對峭度因子影響較小，不影響其特征分布；對波形因子的影響稍大，但仍舊遵從一定的分布特征且對其數(shù)值特征影響較小。且方差、峭度因子、波形因子能夠較好地表達振動信號故障信息，故將其作為故障特征參量，截取軸承四種狀態(tài)下數(shù)據(jù)各120組，在不同壓縮比下提取故障特征，并應用 PSO-SVM算法進行故障診斷。實驗表明在一定壓縮比范圍內，應用相同采樣長度數(shù)據(jù)本文方法與傳統(tǒng)采樣方法能夠達到的故障識別率基本相同，在95%左右，能較好的識別故障特征；隨著采樣點數(shù)逐漸減少、壓縮比逐漸降低，應用本文方法采集的數(shù)據(jù)攜帶更多的信息量，其故障識別率高于傳統(tǒng)采樣方法。結論：提出了一種基于壓縮感知的故障診斷方法，理論及實驗證明了在部分hadamard測量矩陣下采樣得到的數(shù)據(jù)針對特定統(tǒng)計推理任務仍然有效，可直接利用壓縮采樣信號提取相關故障特征參量。通過對滾動軸承故障診斷實驗的分析驗證，表明了該方法能夠直接從壓縮采樣數(shù)據(jù)中提取故障信息并識別故障特征，且較傳統(tǒng)方法相比能夠利用更少的采樣點表達故障特征，降低了信號的平均采樣率，實現(xiàn)故障診斷任務。

來源出版物：中國機械工程, 2017, 28(7): 806-812

入選年份：2017

基于無級變速器的混合動力汽車動態(tài)模式切換研究

王建德，周云山，陽輝勇，等

摘要：目的：針對基于無級變速器的混合動力系統(tǒng)在純電動模式到伴隨發(fā)動機啟動的模式切換過程中，可能造成發(fā)動機轉矩或電機轉矩突變，對車輛動力系統(tǒng)產生沖擊的問題，提出了一種模糊推理與最優(yōu)控制理論相結合的綜合控制策略。方法：首先對基于無級變速器的混合動力系統(tǒng)的結構及其工作模式進行分析，建立了動力學簡化模型。然后，針對純電動模式到伴隨發(fā)動機啟動的模式切換，提出了發(fā)動機啟動、發(fā)動機轉速同步和離合器結合的3階段模式切換方法，通過BSG快速啟動發(fā)動機，控制發(fā)動機轉速同步電機轉速，待轉速差小于閾值后，進行離合器滑摩控制。在離合器結合階段，提出了模糊推理與最優(yōu)控制理論相結合的綜合控制策略，基于駕駛意圖采用模糊控制方法控制離合器結合時長，基于動力學模型采用動態(tài)規(guī)劃得到離合器的最優(yōu)傳遞轉矩和發(fā)動機的最優(yōu)目標轉矩，再根據(jù)離合器最優(yōu)傳遞轉矩利用電機的快速響應性來實時調整電機輸出轉矩，協(xié)調模式切換過程中的轉矩變化。最后，在轉鼓試驗臺上分別進行平緩加速、中等加速和緊急加速，車輛從靜止狀態(tài)純電動模式起步，根據(jù)能量管理策略進行模式切換試驗。結果：平緩加速時的模式切換過程中，從6.9 s開始進入模式切換，7.1 s時發(fā)動機轉速開始同步電機轉速，7.7 s時開始離合器接合，此時加速踏板開度為30.28%，加速踏板開度變化率為54%。離合器接合過程中,隨著發(fā)動機動力的介入,電機逐漸退出工作。中等、緊急加速時的模式切換過程中，在不同的駕駛意圖下，所體現(xiàn)出的模式切換時間和沖擊度大小是不一的，這是由于所采用的控制策略，在非緊急駕駛意圖下，優(yōu)先考慮整車平順性，采用較長的離合器接合時間；在緊急駕駛意圖下和保證整車平順性的前提下，優(yōu)先滿足整車動力性，縮短離合器滑摩時間。該策略的模式切換時間最長為2.4 s，最大沖擊度僅為7.7 m/s，體現(xiàn)出了良好的模式切換效果。該控制策略通過BSG快速啟動發(fā)動機，待發(fā)動機轉速同步后進行離合器控制。一方面，發(fā)動機的啟動不影響模式切換平順性，減少了模式切換過程的沖擊因素；另一方面，離合器在主從動側轉速差較小的時候接合，縮短了離合器接合時間同時降低了接合沖擊強度。結論：所提出的模式切換動態(tài)控制策略能夠優(yōu)化離合器滑摩時間，體現(xiàn)駕駛意圖，并且能夠有效減小發(fā)動機啟動模式切換過程中的轉矩波動和整車的沖擊度，提高車輛的行駛平順性。

來源出版物：中國機械工程, 2017, 28(10): 1253-1259

入選年份：2017

基于改進BP神經網絡的連鑄漏鋼預報

張本國，李強，王葛，等

摘要：目的：隨著連鑄技術的不斷發(fā)展，高效連鑄技術已成為連鑄技術領域的主要研究方向，受到世界各大鋼鐵企業(yè)、工程公司及設備制造商的高度重視。高效連鑄技術是以高質量、無缺陷的鑄坯生產為目的，實現(xiàn)高連澆率、高作業(yè)率的連鑄系統(tǒng)技術。高拉速是高效連鑄技術的核心，而隨著拉坯速度的提高，漏鋼的風險性也隨之增加。連鑄過程中的漏鋼成為制約拉速提高的關鍵因素，開發(fā)實時有效的漏鋼預報系統(tǒng)，對可能發(fā)生漏鋼的特征進行識別、預警是防止漏鋼事故發(fā)生的主要手段。目前，我國對漏鋼預報技術的研究還處在初期階段，對漏鋼的形成機理及其過程缺乏系統(tǒng)的研究；現(xiàn)有的漏鋼預報系統(tǒng)在連鑄生產過程中都存在一定的漏報率和誤報率，導致漏鋼事故時有發(fā)生，造成生產的停滯和設備的損壞。因此，本文針對這一課題，對連鑄過程中的漏鋼預報進行了深入的研究。方法：分析總結了連鑄過程中的主要漏鋼形式及其形成原因；結合結晶器內鋼液彎月面行為，對黏結漏鋼的形成原因進行重點分析與探討；針對BP神經網絡在訓練過程中存在局部最優(yōu)解及收斂速度慢的缺陷，將LM算法引入到BP神經網絡的訓練過程，建立了LM-BP神經網絡漏鋼預報模型。為了驗證模型的準確性，并用薄板連鑄生產現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)對所建模型進行了訓練和測試。結果：為了驗證所開發(fā)的神經網絡漏鋼預報模型的有效性并達到實際應用的目的，利用 Visual C++及 ANSYS軟件開發(fā)了以LM-BP神經網絡為核心算法的薄板坯連鑄可視化漏鋼預報系統(tǒng)，并用生產現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)對所開發(fā)的LM-BP漏鋼預報系統(tǒng)進行了實驗室測試。測試結果表明，本系統(tǒng)在結晶器內發(fā)生黏結時能夠及時做出準確判斷并給出報警，程序界面可以動態(tài)顯示熱電偶的溫度和溫度變化曲線，以及實時顯示結晶器銅板熱面溫度云圖對漏鋼溫度特征進行輔助判斷。結論：基于LM算法的BP神經網絡模型對典型的黏結漏鋼溫度特征具有很好的識別效果。

來源出版物：中國機械工程, 2012, 23(2): 204-207

入選年份：2017

液壓激振技術的研究進展

邢彤，左強，楊永帥，等

摘要：目的：隨著液壓技術的發(fā)展和控制理論的研究，液壓激振技術也日趨復雜，本文分類闡述了各種液壓激振技術的原理、性能優(yōu)缺點及應用情況，介紹了典型液壓激振裝備的最新發(fā)展、系統(tǒng)結構與性能指標，簡要介紹了國內外液壓激振控制技術最新成果，通過比較探索未來發(fā)展方向。方法：首先，通過文獻檢索按激振原理列舉液壓式、電動式與機械式振動臺的特性并進行比較，其次，基于 2010年之前的所有數(shù)據(jù)，列舉不同的液壓激振技術方案及其最新應用的激振裝備系統(tǒng)，給出其核心振動器的結構與特點，同時列舉其系統(tǒng)頻率、振幅與輸出推力等性能指標從而分析得出優(yōu)缺點及各自適合應用的區(qū)域。結果：文章以表格的形式給出了液壓式、電動式與機械式振動臺的特性，繪制了3種類型振動臺的頻率幅值圖，其中液壓激振技術可以獲得的振幅和推力最大，同時在工程振動領域具有較大的優(yōu)勢。液壓激振技術按激振方式原理可以分為直流液壓激振技術、液壓自激振技術、交流液壓激振技術、液壓射流激振技術、電液伺服激振技術和電液交流伺服激振技術，并從文獻中總結分析得出了上述技術最新的應用舉例及其技術的特點。① 直流液壓激振技術：動作準確、穩(wěn)定，調整方便，效率高。② 交流液壓激振技術：元件少、結構簡單、動作準確的特點，同時還具有高頻率小振幅或低頻率大振幅、功率大以及推力大等優(yōu)點。③ 液壓射流激振技術：與同規(guī)格射流沖擊器相比，在沖擊功及沖擊頻率方面相差不大，但壓耗大幅度降低。④ 液壓自激震蕩技術：結構簡單，耗費功率小，振蕩頻率調整范圍較寬，從幾赫茲到幾百赫茲，振幅會隨振蕩時間的延長而增大。⑤ 電液伺服激振技術：大幅度提高了激振器的工作頻率，其上限頻率高達1000 Hz；無法貼壁散熱，因而也就限制了頻率的進一步提高。⑥ 電液交流伺服激振技術：激振頻率高，最高達1250 Hz，且較好的振動波形。并且總結了該6種類型液壓激振技術典型實例的響應頻率f和工作行程L之間關系，同時文章總結了液壓激振的控制方法，早前一般采用模擬加數(shù)字混合控制方式以獲得較好的性能，近年來更多地采用全數(shù)字式控制，一些新控制方法（如非線性補償控制等）應用在液壓激振系統(tǒng)中，提高了振動臺的工作頻率，改善了高頻時的振動波形和穩(wěn)定性，推動了液壓激振技術的發(fā)展。結論：多軸、高頻液壓液壓振動裝備及其控制技術是近年來的研究熱點，我國的研究工作取得了長足的進，已經接近國際水平。其中采用 2D激振閥的激振方法是大幅度提高液壓激振頻率的新技術，根據(jù)六種類型液壓激振技術的性能比較，電液伺服激振技術適合于高頻響小振幅場合，新出現(xiàn)的電液交流伺服激振技術為數(shù)千赫茲的超高頻液壓激振技術的發(fā)展提供了可能，高頻液壓激振技術方興未艾。

來源出版物：中國機械工程, 2012, 23(3): 362-367

入選年份：2017