机械工程设计

基于压缩信息特征提取的滚动轴承故障诊断方法

孟宗，李晶，龙海峰，等

摘要：目的：滚动轴承是旋转机械的重要组成部分，据统计，在使用滚动轴承的旋转机械中，约有30%的机械故障是由滚动轴承引起的，滚动轴承的故障诊断具有十分重要的意义。轴承故障诊断过程中，可靠的信息获取是故障诊断的前提，提取故障特征是故障诊断的必要条件。传统采样过程在遵循 Shannon-Nyquist采样定理的条件下进行，采样频率由所采信号频带决定，需不低于采样信号最高频率的二倍。受硬件限制高频带信息采集成本昂贵，产生的海量数据易造成数据冗余，而数据的传输、存储、处理过程均将受到采样过程限制。压缩感知作为一种新型压缩采样方法，利用信号稀疏特性以远低于奈奎斯特采样定理的采样速率压缩采集信号，可减小数据采集、传输、存储的硬件压力。但在工程实际中，机械系统故障振动信号往往具有复杂性，信号稀疏特性差，加大了信号的重构难度，且故障信号重构将花费大量时间增加软件代价。针对这一问题，本文提出一种基于压缩感知的故障诊断方法。该方法直接从压缩采集信息中提取敏感特征参量，在不重构信号的情况下进行较高效的故障诊断。方法：对于压缩感知框架下的信号采样，采样信号可看作原始信号在测量矩阵下的投影，信号的敏感特征因测量矩阵而改变，但同时采样信号中保存了原始信号的大部分信息，与原始信号具有相关性。本文通过对测量矩阵和故障敏感特征参量进行分析，选择部分hadamard矩阵作为测量矩阵，峭度因子、方差、波形因子作为敏感特征参量，不重构压缩测量量，直接利用压缩采集信息，提取敏感特征从而进行故障诊断。具体实现方法可分为3个部分。（1）数据采集部分。应用压缩感知理论，确定测量矩阵，确定压缩比a，在测量矩阵下采集数据，得到损伤部位不同的轴承在工作状态下的振动数据各L帧，每帧M个样本点。（2）特征提取部分。选择适当统计特征量作为故障特征参量，分别计算采样所得各组数据的特征参量。（3）故障诊断部分。应用支持向量机算法理论进行故障诊断，先利用粒子群算法对 SVM中参数寻优，得到最优参数后对特征参量分类识别，从而进行故障诊断。结果：以美国西储大学实验台数据为例，应用轴承振动数据对本文方法进行分析验证。实验证明在hadamard矩阵下测量对信号的均方根值、方差等表现信号能量的特征参量影响很小，与理论推导相一致；对峭度因子影响较小，不影响其特征分布；对波形因子的影响稍大，但仍旧遵从一定的分布特征且对其数值特征影响较小。且方差、峭度因子、波形因子能够较好地表达振动信号故障信息，故将其作为故障特征参量，截取轴承四种状态下数据各120组，在不同压缩比下提取故障特征，并应用 PSO-SVM算法进行故障诊断。实验表明在一定压缩比范围内，应用相同采样长度数据本文方法与传统采样方法能够达到的故障识别率基本相同，在95%左右，能较好的识别故障特征；随着采样点数逐渐减少、压缩比逐渐降低，应用本文方法采集的数据携带更多的信息量，其故障识别率高于传统采样方法。结论：提出了一种基于压缩感知的故障诊断方法，理论及实验证明了在部分hadamard测量矩阵下采样得到的数据针对特定统计推理任务仍然有效，可直接利用压缩采样信号提取相关故障特征参量。通过对滚动轴承故障诊断实验的分析验证，表明了该方法能够直接从压缩采样数据中提取故障信息并识别故障特征，且较传统方法相比能够利用更少的采样点表达故障特征，降低了信号的平均采样率，实现故障诊断任务。

来源出版物：中国机械工程, 2017, 28(7): 806-812

入选年份：2017

基于无级变速器的混合动力汽车动态模式切换研究

王建德，周云山，阳辉勇，等

摘要：目的：针对基于无级变速器的混合动力系统在纯电动模式到伴随发动机启动的模式切换过程中，可能造成发动机转矩或电机转矩突变，对车辆动力系统产生冲击的问题，提出了一种模糊推理与最优控制理论相结合的综合控制策略。方法：首先对基于无级变速器的混合动力系统的结构及其工作模式进行分析，建立了动力学简化模型。然后，针对纯电动模式到伴随发动机启动的模式切换，提出了发动机启动、发动机转速同步和离合器结合的3阶段模式切换方法，通过BSG快速启动发动机，控制发动机转速同步电机转速，待转速差小于阈值后，进行离合器滑摩控制。在离合器结合阶段，提出了模糊推理与最优控制理论相结合的综合控制策略，基于驾驶意图采用模糊控制方法控制离合器结合时长，基于动力学模型采用动态规划得到离合器的最优传递转矩和发动机的最优目标转矩，再根据离合器最优传递转矩利用电机的快速响应性来实时调整电机输出转矩，协调模式切换过程中的转矩变化。最后，在转鼓试验台上分别进行平缓加速、中等加速和紧急加速，车辆从静止状态纯电动模式起步，根据能量管理策略进行模式切换试验。结果：平缓加速时的模式切换过程中，从6.9 s开始进入模式切换，7.1 s时发动机转速开始同步电机转速，7.7 s时开始离合器接合，此时加速踏板开度为30.28%，加速踏板开度变化率为54%。离合器接合过程中,随着发动机动力的介入,电机逐渐退出工作。中等、紧急加速时的模式切换过程中，在不同的驾驶意图下，所体现出的模式切换时间和冲击度大小是不一的，这是由于所采用的控制策略，在非紧急驾驶意图下，优先考虑整车平顺性，采用较长的离合器接合时间；在紧急驾驶意图下和保证整车平顺性的前提下，优先满足整车动力性，缩短离合器滑摩时间。该策略的模式切换时间最长为2.4 s，最大冲击度仅为7.7 m/s，体现出了良好的模式切换效果。该控制策略通过BSG快速启动发动机，待发动机转速同步后进行离合器控制。一方面，发动机的启动不影响模式切换平顺性，减少了模式切换过程的冲击因素；另一方面，离合器在主从动侧转速差较小的时候接合，缩短了离合器接合时间同时降低了接合冲击强度。结论：所提出的模式切换动态控制策略能够优化离合器滑摩时间，体现驾驶意图，并且能够有效减小发动机启动模式切换过程中的转矩波动和整车的冲击度，提高车辆的行驶平顺性。

来源出版物：中国机械工程, 2017, 28(10): 1253-1259

入选年份：2017

基于改进BP神经网络的连铸漏钢预报

张本国，李强，王葛，等

摘要：目的：随着连铸技术的不断发展，高效连铸技术已成为连铸技术领域的主要研究方向，受到世界各大钢铁企业、工程公司及设备制造商的高度重视。高效连铸技术是以高质量、无缺陷的铸坯生产为目的，实现高连浇率、高作业率的连铸系统技术。高拉速是高效连铸技术的核心，而随着拉坯速度的提高，漏钢的风险性也随之增加。连铸过程中的漏钢成为制约拉速提高的关键因素，开发实时有效的漏钢预报系统，对可能发生漏钢的特征进行识别、预警是防止漏钢事故发生的主要手段。目前，我国对漏钢预报技术的研究还处在初期阶段，对漏钢的形成机理及其过程缺乏系统的研究；现有的漏钢预报系统在连铸生产过程中都存在一定的漏报率和误报率，导致漏钢事故时有发生，造成生产的停滞和设备的损坏。因此，本文针对这一课题，对连铸过程中的漏钢预报进行了深入的研究。方法：分析总结了连铸过程中的主要漏钢形式及其形成原因；结合结晶器内钢液弯月面行为，对黏结漏钢的形成原因进行重点分析与探讨；针对BP神经网络在训练过程中存在局部最优解及收敛速度慢的缺陷，将LM算法引入到BP神经网络的训练过程，建立了LM-BP神经网络漏钢预报模型。为了验证模型的准确性，并用薄板连铸生产现场采集的数据对所建模型进行了训练和测试。结果：为了验证所开发的神经网络漏钢预报模型的有效性并达到实际应用的目的，利用 Visual C++及 ANSYS软件开发了以LM-BP神经网络为核心算法的薄板坯连铸可视化漏钢预报系统，并用生产现场采集的数据对所开发的LM-BP漏钢预报系统进行了实验室测试。测试结果表明，本系统在结晶器内发生黏结时能够及时做出准确判断并给出报警，程序界面可以动态显示热电偶的温度和温度变化曲线，以及实时显示结晶器铜板热面温度云图对漏钢温度特征进行辅助判断。结论：基于LM算法的BP神经网络模型对典型的黏结漏钢温度特征具有很好的识别效果。

来源出版物：中国机械工程, 2012, 23(2): 204-207

入选年份：2017

液压激振技术的研究进展

邢彤，左强，杨永帅，等

摘要：目的：随着液压技术的发展和控制理论的研究，液压激振技术也日趋复杂，本文分类阐述了各种液压激振技术的原理、性能优缺点及应用情况，介绍了典型液压激振装备的最新发展、系统结构与性能指标，简要介绍了国内外液压激振控制技术最新成果，通过比较探索未来发展方向。方法：首先，通过文献检索按激振原理列举液压式、电动式与机械式振动台的特性并进行比较，其次，基于 2010年之前的所有数据，列举不同的液压激振技术方案及其最新应用的激振装备系统，给出其核心振动器的结构与特点，同时列举其系统频率、振幅与输出推力等性能指标从而分析得出优缺点及各自适合应用的区域。结果：文章以表格的形式给出了液压式、电动式与机械式振动台的特性，绘制了3种类型振动台的频率幅值图，其中液压激振技术可以获得的振幅和推力最大，同时在工程振动领域具有较大的优势。液压激振技术按激振方式原理可以分为直流液压激振技术、液压自激振技术、交流液压激振技术、液压射流激振技术、电液伺服激振技术和电液交流伺服激振技术，并从文献中总结分析得出了上述技术最新的应用举例及其技术的特点。① 直流液压激振技术：动作准确、稳定，调整方便，效率高。② 交流液压激振技术：元件少、结构简单、动作准确的特点，同时还具有高频率小振幅或低频率大振幅、功率大以及推力大等优点。③ 液压射流激振技术：与同规格射流冲击器相比，在冲击功及冲击频率方面相差不大，但压耗大幅度降低。④ 液压自激震荡技术：结构简单，耗费功率小，振荡频率调整范围较宽，从几赫兹到几百赫兹，振幅会随振荡时间的延长而增大。⑤ 电液伺服激振技术：大幅度提高了激振器的工作频率，其上限频率高达1000 Hz；无法贴壁散热，因而也就限制了频率的进一步提高。⑥ 电液交流伺服激振技术：激振频率高，最高达1250 Hz，且较好的振动波形。并且总结了该6种类型液压激振技术典型实例的响应频率f和工作行程L之间关系，同时文章总结了液压激振的控制方法，早前一般采用模拟加数字混合控制方式以获得较好的性能，近年来更多地采用全数字式控制，一些新控制方法（如非线性补偿控制等）应用在液压激振系统中，提高了振动台的工作频率，改善了高频时的振动波形和稳定性，推动了液压激振技术的发展。结论：多轴、高频液压液压振动装备及其控制技术是近年来的研究热点，我国的研究工作取得了长足的进，已经接近国际水平。其中采用 2D激振阀的激振方法是大幅度提高液压激振频率的新技术，根据六种类型液压激振技术的性能比较，电液伺服激振技术适合于高频响小振幅场合，新出现的电液交流伺服激振技术为数千赫兹的超高频液压激振技术的发展提供了可能，高频液压激振技术方兴未艾。

来源出版物：中国机械工程, 2012, 23(3): 362-367

入选年份：2017