基于高斯混合隐马尔科夫模型的滚动轴承故障诊断方法研究

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1、密级：非密硕士学位论文中图分类号：TH133基于高斯混合隐马尔科夫模型的滚动轴承故障诊断方法研究学位类型学术型学位学科（专业学位类别）机械工程作者姓名吴超威黄良沛教授导师姓名及职称王靖讲师学院名称机电工程学院论文提交日期2015年06月04日基于高斯混合隐马尔科夫模型的滚动轴承故障诊断方法研究学位类型学术型学位学科（专业学位类别）机械工程作者姓名吴超威作者学号12010301028导师姓名及职称黄良沛教授实践导师姓名及职称王靖讲师学院名称机电工程学院论文提交日期2015年06月04日学位授予单位湖南

2、科技大学StudyofFaultDiagnosisoftherollingbearingusingGMM-HMMTypeofDegreeAcademicDegreeDiscipline(TypeofProfessionalDegree)MechanicalEngineeringCandidatewuchaoweiStudentNumber12010301028SupervisorandProfessionalTitlehuangliangpeiProfessorSchoolCollegeofElec

3、tromechanicalEngineeringrdDateJune4,2015UniversityHunanUniversityofScienceandTechnology摘要随着现代高新技术的飞速发展，现代化工业进程也日趋完善，在现代化工厂中对机械设备的要求也越来越高。但是随着机械设备的运转、磨损，机械设备故障的出现也就在所难免了，而滚动轴承又是机械设备中应用最广泛的零部件之一，所以滚动轴承运转状态优劣如何直接影响到整个机械设备的性能。针对传统的模式识别方法(如神经网络识别法)一直停留在静态模式

4、识别上的不足，本文提出釆用一种具有统计规律的动态模式识别技术-隐马尔科夫模型来对滚动轴承进行故障诊断。本文以RexnordER10k型号滚动轴承作为研究对象，把滚动轴承模式识别作为研究目的,提出了基于高斯混合隐马尔科夫模型的滚动轴承故障诊断的方法研究，对滚动轴承各故障模式不同尺寸分别做了故障仿真研究和实验研究。其主要内容如下：基于小波包分解与重构的信号特征提取研究。通过实验采集的数据，由于机械运转或者外界环境的因素，无可避免的给实验数据带来一些噪声信号。然而滚动轴承相关零部件振动信号有着不同的频域能

5、量，所以将滚动轴承故障信号经过小波包分解与重构后，得到全部的小波包分解系数。然后分别重构各分解后的小波包系数，再根据不同故障模式的滚动轴承振动信号在频域能量分布中的差异性,对重构后的小波系数提取特征向量。最后把经过小波包分解与重构后故障信号的特征向量进行归一化处理，采用这种方法既提高了信号的分辨率，也起到了很好的消噪作用。基于ADAMS滚动轴承单体故障建模与仿真研究。在Solidworks软件中建立以RexnordER10为对象的滚动轴承模型，通过模拟仿真，设定与实验相关参数，获得理想状态下的滚动轴

6、承单体故障信号。将仿真获得的滚动轴承单体故障信号和实验数据作为输入样本建立各故障模式的高斯混合隐马尔科夫模型（GMM-HMM），采用实验数据与仿真数据作为高斯混合隐马尔科夫模型的输入样本还能很好的适应于后阶段对滚动轴承各故障模式不同损伤程度的判别提供很好的依据。高斯混合隐马尔科夫模型在故障诊断中的应用。由于隐马尔科夫模型最先应用于语音识别领域，在滚动轴承故障诊断中鲜有考虑，本文针对滚动轴承故障诊断特性分析，讨论了隐马尔科夫模型在滚动轴承故障诊断应用中的可行性，并且对隐马尔科夫模型几种不同类型应用方法

7、进行了探讨，其探讨结果认为高斯混合-i-隐马尔科夫模型对滚动轴承故障诊断的应用比其他几种类型的方法更有优势。基于高斯混合隐马尔科夫模型的滚动轴承故障诊断建模与实验验证。滚动轴承故障信号通过小波包分解与重构后获得能量特征信号利用信号各频段的能量组成的特征矢量作为GMM-HMM模型样本输入,对GMM-HMM模型进行训练,获得滚动轴承各故障模式不同故障尺寸的高斯混合隐马尔科夫模型。最后利用实验数据和仿真数据对已经建立起来的GMM-HMM模型进行测试,通过计算当前的状态监测数据在GMM-HMM模型库出现的概

8、率，并且根据出现的最大概率来评估其所处的故障模式。该研究发现经过小波包分解与重构后的滚动轴承故障信号，能很好的应用于隐马尔科夫模型，获得较高的识别率，并且建立隐马尔科夫模型所需要的样本数量少，计算并不复杂，所以基于小波包分解与重构和隐马尔科夫模型的方法能很好的应用到滚动轴承故障诊断研究中。关键词：小波包分解与重构，隐马尔可夫模型，故障诊断，ADAMS仿真-ii-ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofmodernhigh-tech,moder