本發(fā)明屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康狀態(tài)評(píng)估，涉及一種時(shí)變轉(zhuǎn)速工況下基于基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康指標(biāo)構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

1、旋轉(zhuǎn)機(jī)械在生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用，齒輪、軸承等零部件是其傳動(dòng)鏈的重要組成部分。由于變速、重載、高溫、腐蝕等惡劣的運(yùn)行環(huán)境，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的齒輪、軸承等關(guān)鍵零部件容易出現(xiàn)點(diǎn)蝕和斷裂等缺陷。這些缺陷的擴(kuò)展會(huì)破壞設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行，導(dǎo)致噪音和振動(dòng)幅度增大，降低設(shè)備精度和可靠性，最終導(dǎo)致設(shè)備故障甚至造成人員傷亡。因此，定量評(píng)估旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行期間的健康狀態(tài)十分重要。機(jī)械設(shè)備在正常運(yùn)行期間不允許以頻繁停機(jī)的形式觀察其健康狀態(tài)和檢測(cè)退化程度。健康指標(biāo)作為連接機(jī)械健康監(jiān)測(cè)和剩余壽命預(yù)測(cè)的重要橋梁，不僅可以定量地揭示設(shè)備運(yùn)行的健康狀態(tài)，還可以借助于特定的預(yù)測(cè)手段預(yù)估其剩余使用壽命。

2、然而現(xiàn)有的健康指標(biāo)構(gòu)建方法通常只適用于恒定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備。在實(shí)際工程中，旋轉(zhuǎn)機(jī)械因生產(chǎn)活動(dòng)的要求往往需要改變其運(yùn)行工況，如汽車檔位的變換、工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的變化和風(fēng)力渦輪機(jī)的變槳等。這就造成采集到的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)會(huì)受到轉(zhuǎn)速變化的調(diào)幅干擾，導(dǎo)致現(xiàn)有健康指標(biāo)構(gòu)建方法不能清晰準(zhǔn)確地揭示設(shè)備的健康退化過程，進(jìn)而影響剩余壽命的判斷。如果能夠?qū)⑺械臓顟B(tài)觀測(cè)值統(tǒng)一到一個(gè)設(shè)定的基線轉(zhuǎn)速上，則可以消除轉(zhuǎn)速變化引入的干擾。基于此，研究一種時(shí)變轉(zhuǎn)速工況下的機(jī)械健康指標(biāo)構(gòu)建方法至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種時(shí)變轉(zhuǎn)速工況下基于基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康指標(biāo)構(gòu)建方法，提高旋轉(zhuǎn)機(jī)械剩余使用壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種時(shí)變轉(zhuǎn)速工況下基于基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康指標(biāo)構(gòu)建方法，具體包括以下步驟：

4、s1：數(shù)據(jù)采集；利用狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集機(jī)械設(shè)備全壽命周期的振動(dòng)信號(hào)x＝(x1,x2,…,xn)t，其中n為全壽命周期的樣本數(shù)目，m為單個(gè)樣本的采樣點(diǎn)數(shù)；同時(shí)采集設(shè)備實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)速s＝(s1,s2,…,sn)t等狀態(tài)信息；

5、s2：數(shù)據(jù)預(yù)處理：對(duì)采集到的全壽命周期振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；

6、s3：確定基線轉(zhuǎn)速帶；

7、s4：建立基線轉(zhuǎn)速帶下的性能退化模型：確定基線轉(zhuǎn)速帶后，給定一個(gè)觀測(cè)值，可以根據(jù)轉(zhuǎn)速信息判斷其是否為基準(zhǔn)觀測(cè)值；對(duì)于非基線轉(zhuǎn)速帶內(nèi)的觀測(cè)值，建立性能退化模型進(jìn)行插值以近似其基準(zhǔn)觀測(cè)；

8、s5：非基準(zhǔn)觀測(cè)插值：求得基線轉(zhuǎn)速帶下的退化模型參數(shù)后，根據(jù)所建立的雙指數(shù)退化模型對(duì)非基準(zhǔn)觀測(cè)值進(jìn)行插補(bǔ)以獲得全壽命周期近似的基準(zhǔn)狀態(tài)觀測(cè)序列即基準(zhǔn)健康指標(biāo)；

9、s6：構(gòu)建基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于將原始狀態(tài)觀測(cè)變量轉(zhuǎn)換到基線轉(zhuǎn)速下的虛擬基準(zhǔn)觀測(cè)值；

10、s7：訓(xùn)練優(yōu)化基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；

11、s8：構(gòu)建健康指標(biāo)：對(duì)在役機(jī)械設(shè)備，輸入測(cè)試數(shù)據(jù)，利用優(yōu)化的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康指標(biāo)。

12、進(jìn)一步，步驟s2中，數(shù)據(jù)預(yù)處理具體包括：對(duì)采集到的全壽命周期振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波降噪、剔除異常值和轉(zhuǎn)速匹配等預(yù)處理；為降低數(shù)據(jù)維度，提取振動(dòng)信號(hào)的rms值或其它趨勢(shì)性的統(tǒng)計(jì)特征作為狀態(tài)觀測(cè)變量f＝(f1,f2,…,fn)t。

13、進(jìn)一步，步驟s3中，確定基線轉(zhuǎn)速帶具體包括：定義一個(gè)在基線轉(zhuǎn)速附近浮動(dòng)的轉(zhuǎn)速帶：

14、s∈[(1-δ)×sb,(1+δ)×sb]

15、其中，sb代表設(shè)備的額定轉(zhuǎn)速，δ為浮動(dòng)系數(shù)。浮動(dòng)系數(shù)δ可以根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)或數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)定。

16、進(jìn)一步，步驟s4具體包括：選擇雙指數(shù)模型作為基線轉(zhuǎn)速帶下狀態(tài)值的退化擬合模型，表達(dá)式為：

17、y(t)＝α1exp(β1t)+α2exp(β2t)+ε

18、其中，y(t)是t時(shí)刻基準(zhǔn)狀態(tài)觀測(cè)值的近似值，α1,α2,β1和β2是狀態(tài)參數(shù)；為高斯噪聲項(xiàng)。

19、進(jìn)一步，步驟s5中，在獲得足夠多的狀態(tài)觀測(cè)變量后，根據(jù)基線轉(zhuǎn)速帶內(nèi)的基準(zhǔn)觀測(cè)序列{f*}對(duì)退化模型的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)：

20、

21、其中，fi*表示ti時(shí)刻在基線轉(zhuǎn)速帶下獲取的狀態(tài)觀測(cè)值，表示狀態(tài)參數(shù)的估計(jì)值。

22、進(jìn)一步，步驟s6中，構(gòu)建的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、輸出層和n個(gè)隱藏層；其中，輸入層具有三個(gè)神經(jīng)元，在訓(xùn)練和測(cè)試時(shí)僅需要輸入三個(gè)參數(shù)，分別為原始狀態(tài)觀測(cè)變量f、基線轉(zhuǎn)速比rs和退化時(shí)間比rt；輸出層的預(yù)測(cè)值則為轉(zhuǎn)換到基線轉(zhuǎn)速帶下的虛擬基準(zhǔn)觀測(cè)值；

23、基線轉(zhuǎn)速比rs是設(shè)備當(dāng)前轉(zhuǎn)速s(t)相對(duì)于基線轉(zhuǎn)速sb的比值，包含關(guān)于設(shè)備實(shí)際轉(zhuǎn)速與指定的基線轉(zhuǎn)速的信息；退化時(shí)間比rt是指設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行時(shí)刻tk相對(duì)于其全壽命周期t的比值，它包含設(shè)備運(yùn)行時(shí)間信息；在訓(xùn)練和測(cè)試過程中，rt的計(jì)算方式是不同的，即：

24、

25、其中，n為全壽命周期已知的同類設(shè)備樣本數(shù)，tj為第j個(gè)同類設(shè)備樣本的全壽命周期。

26、進(jìn)一步，步驟s7中，訓(xùn)練優(yōu)化基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具體包括：假設(shè)θbtnn代表基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)重和偏置參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中，將網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)值與全壽命周期近似的基準(zhǔn)觀測(cè)值間的均方誤差作為優(yōu)化目標(biāo)：

27、

28、其中，nbatch為訓(xùn)練時(shí)輸入數(shù)據(jù)的批次大小，為目標(biāo)函數(shù)；訓(xùn)練策略選用小批量隨機(jī)梯度下降算法優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，利用反向傳播算法，其優(yōu)化參數(shù)通過最小化目標(biāo)函數(shù)計(jì)算為：

29、

30、其中，lr為網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)率，θbtnn為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，為優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；迭代上述訓(xùn)練過程得到優(yōu)化的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

31、進(jìn)一步，步驟s8中，構(gòu)建健康指標(biāo)具體包括：基于優(yōu)化的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)在役機(jī)械設(shè)備，輸入測(cè)試數(shù)據(jù){f}，{rs}，{rt}到θbtnn實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)其轉(zhuǎn)換到基線轉(zhuǎn)速下的健康指標(biāo)值，得到全壽命周期健康指標(biāo)向量h＝[h1,h2,…,hn]t，從而揭示其性能退化過程，為后續(xù)故障預(yù)警和剩余壽命預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

32、本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明能夠?qū)r(shí)變轉(zhuǎn)速工況下的旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，提高了旋轉(zhuǎn)機(jī)械剩余使用壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，從而降低機(jī)械設(shè)備的維修成本。

33、本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研究對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的說明書來實(shí)現(xiàn)和獲得。

技術(shù)特征：

1.一種時(shí)變轉(zhuǎn)速工況下基于基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康指標(biāo)構(gòu)建方法，其特征在于，該方法具體包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康指標(biāo)構(gòu)建方法，其特征在于，步驟s2中，數(shù)據(jù)預(yù)處理具體包括：對(duì)采集到的全壽命周期振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波降噪、剔除異常值和轉(zhuǎn)速匹配；為降低數(shù)據(jù)維度，提取振動(dòng)信號(hào)的rms值或其它趨勢(shì)性的統(tǒng)計(jì)特征作為狀態(tài)觀測(cè)變量f＝(f1,f2,…,fn)t。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康指標(biāo)構(gòu)建方法，其特征在于，步驟s3中，確定基線轉(zhuǎn)速帶具體包括：定義一個(gè)在基線轉(zhuǎn)速附近浮動(dòng)的轉(zhuǎn)速帶：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康指標(biāo)構(gòu)建方法，其特征在于，步驟s4具體包括：選擇雙指數(shù)模型作為基線轉(zhuǎn)速帶下狀態(tài)值的退化模型，表達(dá)式為：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康指標(biāo)構(gòu)建方法，其特征在于，步驟s5中，在獲得足夠多的狀態(tài)觀測(cè)變量后，根據(jù)基線轉(zhuǎn)速帶內(nèi)的基準(zhǔn)觀測(cè)序列{f*}對(duì)退化模型的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康指標(biāo)構(gòu)建方法，其特征在于，步驟s6中，構(gòu)建的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、輸出層和n個(gè)隱藏層；其中，輸入層具有三個(gè)神經(jīng)元，在訓(xùn)練和測(cè)試時(shí)僅需要輸入三個(gè)參數(shù)，分別為原始狀態(tài)觀測(cè)變量f、基線轉(zhuǎn)速比rs和退化時(shí)間比rt；輸出層的預(yù)測(cè)值則為轉(zhuǎn)換到基線轉(zhuǎn)速帶下的虛擬基準(zhǔn)觀測(cè)值；

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康指標(biāo)構(gòu)建方法，其特征在于，步驟s7中，訓(xùn)練優(yōu)化基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具體包括：假設(shè)θbtnn代表基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)重和偏置參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中，將網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)值與全壽命周期近似的基準(zhǔn)狀態(tài)觀測(cè)值fb*間的均方誤差作為優(yōu)化目標(biāo)：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康指標(biāo)構(gòu)建方法，其特征在于，步驟s8中，構(gòu)建健康指標(biāo)具體包括：基于優(yōu)化的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)在役機(jī)械設(shè)備，輸入測(cè)試數(shù)據(jù){f}，{rs}，{rt}到θbtnn實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)其轉(zhuǎn)換到基線轉(zhuǎn)速下的健康指標(biāo)值，得到全壽命周期健康指標(biāo)向量h＝[h1,h2,…,hn]t。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種時(shí)變轉(zhuǎn)速工況下基于基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康指標(biāo)構(gòu)建方法，屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康狀態(tài)評(píng)估技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括：S1：數(shù)據(jù)采集；S2：對(duì)采集到的全壽命周期振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；S3：確定基線轉(zhuǎn)速帶；S4：建立基線轉(zhuǎn)速帶下的性能退化模型：S5：求得基線轉(zhuǎn)速帶下的退化模型參數(shù)后，根據(jù)所建立的雙指數(shù)退化模型對(duì)非基準(zhǔn)觀測(cè)值進(jìn)行插補(bǔ)以獲得全壽命周期近似的基準(zhǔn)狀態(tài)觀測(cè)序列，即基準(zhǔn)健康指標(biāo)；S6：構(gòu)建并訓(xùn)練優(yōu)化基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；S8：構(gòu)建健康指標(biāo)：對(duì)在役機(jī)械設(shè)備，輸入測(cè)試數(shù)據(jù)，利用優(yōu)化的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康指標(biāo)。本發(fā)明能提高旋轉(zhuǎn)機(jī)械剩余使用壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

技術(shù)研發(fā)人員：秦毅,趙一行,楊家鴻,蒲華燕,羅均
受保護(hù)的技術(shù)使用者：重慶大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17

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