基于数学形态学和局部均值分解的旋转机械故障诊断方法

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1、博士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目基于数学形态学和局部均值分解的旋转机械故障诊断方法作者姓名郑直学科专业机械电子工程指导教师姜万录2015年12月中图分类号：TP277学校代码：10216UDC：621密级：公开工学博士学位论文基于数学形态学和局部均值分解的旋转机械故障诊断方法博士研究生：郑直导师：姜万录申请学位：工学博士学科专业：机械电子工程所在单位：机械工程学院答辩日期：2015年12月授予学位单位：燕山大学ADissertationinMechatronicEngine

2、eringMETHODSOFROTATINGMACHINERYFAULTDIAGNOSISBASEDONMATHEMATICALMORPHOLOGYANDLOCALMEANDECOMPOSITIONbyZhengZhiSupervisor:ProfessorJiangWanluYanshanUniversityDecember,2015燕山大学博士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文《基于数学形态学和局部均值分解的旋转机械故障诊断方法》，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读博士学位期

3、间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字：日期：年月日燕山大学博士学位论文使用授权书《基于数学形态学和局部均值分解的旋转机械故障诊断方法》系本人在燕山大学攻读博士学位期间在导师指导下完成的博士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部

4、门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要摘要液压泵、滚动轴承和齿轮等旋转机械零部件在工业领域起着重要的传动作用，它们广泛地应用于冶金设备、工程机械、精密机床、精密仪器、航空航天、汽车、船舶和石油化工等重要工业领域。这些旋转机械零部件通常大都处于高温、高压和高速等恶劣的工

5、作环境，这也就导致了它们的健康状态劣化速度比较快，具有较高的故障率。本文针对旋转机械零部件的故障诊断问题，研究了基于数学形态学和局部均值分解的方法。数学形态学和局部均值分解都是基于信号形态特征进行的分析，所以二者都具有高度自适应性和数据驱动性。本文主要进行了以下几个方面的研究工作：(1)针对扁平型结构元素长度选择的经验性和任意性问题，提出一种基于形态差值算子和功率谱熵相结合来确定扁平型结构元素的最优滤波长度的方法。采用不同扁平型结构元素长度的形态差值算子对信号进行滤波处理，对滤波后的信号计算功率谱熵，

6、信号功率谱熵的最小值所对应的长度即为扁平型结构元素的最优滤波长度，并采用仿真信号和液压泵实测故障信号对所提方法的有效性进行验证。(2)利用一种基于形态差值算子和形态指数相结合的方法对以滑靴磨损故障为研究对象的液压泵健康状态评估的问题进行研究。采用形态差值算子对滑靴不同磨损程度的故障信号进行滤波处理，提取各种磨损程度下故障信号的形态指数，分析形态指数对滑靴磨损故障及其劣化程度的变化规律和敏感性，实现对滑靴磨损故障的诊断及其劣化程度的评估，并利用液压泵实测故障信号对所提方法的有效性进行验证。(3)利用一种

7、基于形态差值算子和差分熵相结合的方法对滚动轴承早期轻度内、外圈故障的诊断问题进行研究。采用形态差值算子对故障信号进行滤波处理，差分熵提取滤波后信号在时域中的冲击，根据冲击突变点的时间间隔和特定故障信号在时域中的周期性冲击间隔相一致的思想来实现对滚动轴承早期轻度内、外圈故障的有效诊断，并利用仿真信号和滚动轴承实测故障信号对所提方法的有效性进行验证。(4)针对乘积分量的解调和单尺度形态学分析的结构元素长度选择的经验性和主观性问题，提出一种基于局部均值分解和改进自适应多尺度形态学分析相结合的方-I-燕山大学

8、工学博士学位论文法。采用局部均值分解方法对信号进行分解，筛选若干个含有特征信息最丰富的乘积分量作为解调用数据源，基于扁平型、三角型和半圆型结构元素的改进自适应多尺度形态学分析方法对其进行解调分析，得到有效解调阈值区间(即在此区间，改进自适应多尺度形态学分析的解调效果要优于改进前自适应多尺度形态学分析)和最优解调阈值点。此外，将最优解调结果和改进前自适应多尺度形态学分析、Hilbert变换、TeagerKaiser能量算子和局部均值分解的解调结果进行对比，