基于耦合隱馬爾可夫模型的滾動(dòng)軸承故障診斷與性能退化評(píng)估研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步與現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備不斷向大型、復(fù)雜、高速、高效及重載的方向發(fā)展;與此同時(shí)，其工作和運(yùn)行環(huán)境也更加復(fù)雜和苛刻。這些設(shè)備一旦突然發(fā)生故障，不僅會(huì)增加企業(yè)的維護(hù)成本，降低企業(yè)的生產(chǎn)效率，還可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡，產(chǎn)生不良的社會(huì)影響。因此，如何準(zhǔn)確有效地診斷和評(píng)估設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而合理地制定維護(hù)計(jì)劃以防止突發(fā)故障的發(fā)生，確保設(shè)備安全高效地運(yùn)行是當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題。
　　通常，設(shè)備

2、由正常到完全失效總會(huì)經(jīng)歷一系列不同程度的性能退化狀態(tài)。因此，如果能夠在設(shè)備性能退化的過(guò)程中準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到其性能退化的程度，那么就可以有針對(duì)性地制定設(shè)備維護(hù)計(jì)劃，從而有效防止設(shè)備因故障而失效。性能退化評(píng)估正是基于這一思想而提出的一種主動(dòng)維護(hù)技術(shù)。性能退化評(píng)估技術(shù)與傳統(tǒng)的故障診斷技術(shù)在理念上有很大的不同，它側(cè)重于對(duì)設(shè)備全壽命周期性能退化走向的分析，而并不局限于對(duì)某個(gè)時(shí)刻狀態(tài)的診斷。多通道數(shù)據(jù)包含豐富的信息，合理地融合多通道數(shù)據(jù)可以得到更加準(zhǔn)確

3、可靠的結(jié)果;而耦合隱馬爾可夫模型是一種對(duì)多通道數(shù)據(jù)進(jìn)行建模的概率模型。為此，本文以滾動(dòng)軸承為研究對(duì)象，深入開(kāi)展了基于耦合隱馬爾可夫模型的多通道融合故障診斷與性能退化評(píng)估的理論體系和技術(shù)方法的研究，包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:
　　(1)從理論分析與工程應(yīng)用的角度出發(fā)，闡述了論文的選題背景和研究意義。分析了機(jī)械設(shè)備故障診斷方法、性能退化評(píng)估方法、信息融合技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)等方面的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，總結(jié)了目前研究中需要解決的問(wèn)題，

4、確立了本文的研究?jī)?nèi)容。
　　(2)介紹了作為本文理論基礎(chǔ)的隱馬爾可夫模型(Hidden Markov Model，HMM)的相關(guān)概念和基本算法，討論了其算法實(shí)現(xiàn)問(wèn)題及相應(yīng)的解決辦法，最后通過(guò)滾動(dòng)軸承故障診斷實(shí)例詳細(xì)闡述了常用的基于HMM的故障診斷方法的基本思想和流程。
　　(3)將耦合隱馬爾可夫模型(Coupled Hidden Markov Model，CHMM)引入到滾動(dòng)軸承多通道融合故障診斷中。在分析了HMM用于多通道

5、信息融合的不足的基礎(chǔ)上，介紹了適合于多通道信息融合的CHMM的基本理論，并推導(dǎo)了其前向-后向算法和參數(shù)估計(jì)算法。然后，提出了基于CHMM的滾動(dòng)軸承多通道融合故障診斷方法。該方法利用含兩條鏈的CHMM融合滾動(dòng)軸承水平方向和豎直方向的振動(dòng)信號(hào)來(lái)進(jìn)行故障診斷。最后，利用滾動(dòng)軸承故障診斷試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，并與常用的基于HMM的故障診斷方法進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，所提方法可以準(zhǔn)確診斷軸承的故障。
　　(4)針對(duì)多通道融合故障診斷中可能出現(xiàn)的缺失

6、數(shù)據(jù)和野點(diǎn)的情況，通過(guò)對(duì)原前向-后向算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種耦合隱馬爾可夫模型的魯棒性自適應(yīng)推理算法。最后，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，所提方法在缺失數(shù)據(jù)的情況下，仍然可以利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)得到較準(zhǔn)確的結(jié)果，而不需重新訓(xùn)練模型。
　　(5)提出了基于耦合隱馬爾可夫模型的滾動(dòng)軸承多通道融合性能退化評(píng)估方法。首先，介紹了作為數(shù)據(jù)來(lái)源的滾動(dòng)軸承加速壽命試驗(yàn)，并詳細(xì)分析了全壽命周期各通道常用監(jiān)測(cè)指標(biāo)的變化規(guī)律。然后，針對(duì)現(xiàn)有的性能評(píng)估方法

7、存在對(duì)數(shù)據(jù)完備性要求高、評(píng)估結(jié)果可解釋性差等缺點(diǎn)，結(jié)合多通道信息融合技術(shù)，提出了基于CHMM的滾動(dòng)軸承多通道融合性能退化評(píng)估方法。該方法僅需正常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)訓(xùn)練CHMM，建立性能退化評(píng)估模型，然后使用該模型對(duì)軸承的退化程度進(jìn)行定量評(píng)估。并且，通過(guò)核密度估計(jì)（Kernel Density Estimation，KDE）實(shí)現(xiàn)了對(duì)報(bào)警門(mén)限的估計(jì)。最后，利用滾動(dòng)軸承加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所提方法的可行性和有效性。
　　(6)針對(duì)當(dāng)前狀態(tài)監(jiān)