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轴承智能故障诊断

吴冬梅 王福齐 李贤功 唐润 张新建

吴冬梅,王福齐,李贤功,等. 轴承智能故障诊断[J]. 工矿自动化,2022,48(9):49-55.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17986
引用本文: 吴冬梅,王福齐,李贤功,等. 轴承智能故障诊断[J]. 工矿自动化,2022,48(9):49-55.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17986
WU Dongmei, WANG Fuqi, LI Xiangong, et al. Bearing intelligent fault diagnosis[J]. Journal of Mine Automation,2022,48(9):49-55.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17986
Citation: WU Dongmei, WANG Fuqi, LI Xiangong, et al. Bearing intelligent fault diagnosis[J]. Journal of Mine Automation,2022,48(9):49-55.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17986

轴承智能故障诊断

doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17986
基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFC0804408)。
详细信息
    作者简介:

    吴冬梅 (1980—)女,河南永城人,讲师 ,工程硕士,主要从事安全技术管理工作,E-mail:wdm0011@126.com

    通讯作者:

    李贤功(1981—),男,江苏连云港人,讲师,硕士研究生导师,博士,主要从事系统工程、煤矿安全管理方面的研究工作,E-mail:cumtlxg@163.com

  • 中图分类号: TD67

Bearing intelligent fault diagnosis

  • 摘要: 轴承振动信号作为一种时间序列数据,其时间维度特征在分类中起着关键作用,单独使用卷积神经网络(CNN)进行轴承故障诊断会造成时间维度信息的丢失,导致诊断精度下降。针对上述问题,提出了一种结合一维CNN、双向门控循环单元(Bi GRU)和注意力机制的轴承故障诊断模型。首先利用CNN自适应提取一维振动信号局部空间特征;然后将该特征信息作为Bi GRU的输入,利用Bi GRU将提取的特征信息进行时间维度的融合,并引入注意力机制对多个时刻的特征信息进行加权,提取出更关键的故障特征;最后将故障特征输入全连接层得到分类结果,实现轴承智能故障诊断。实验结果表明:① 在测试集混淆矩阵上,轴承运行状态基本分类正确,只有部分标记类型没有被完全分类正确,但是召回率达到了95%以上,总的故障识别准确率为99.3%。② 利用t−SNE技术对降维处理后的数据进行可视化,轴承各运行状态的数据很好地聚集在各自的空间内,只有少量数据被混杂到其他区域,说明该模型具有较强的特征提取能力。③ 在恒定负载情况下,该模型故障诊断准确率较一维CNN、Bi GRU和注意力CNN等模型的平均准确率分别提高了0.8%、0.6%和0.3%。④ 在变负载情况下,与SVM(支持向量机)、一维CNN、Bi GRU和注意力CNN等模型相比,该模型具有更好的稳定性,当负载为2.25 kW时,准确率达85%以上。该模型既具有一维CNN局部特征提取能力,又具有Bi GRU时间依赖信息的建模能力,能够在获取轴承信号局部复杂特征后进一步融入特征之间的时间维度信息,同时注意力机制能进一步关注与故障更相关特征,因此具有较好的精度。

     

  • 图  1  GRU单元

    Figure  1.  GRU unit

    图  2  Bi GRU结构

    Figure  2.  Bi GRU structure

    图  3  注意力机制结构

    Figure  3.  Attention mechanism structure

    图  4  故障诊断模型结构

    Figure  4.  Fault diagnosis model structure

    图  5  故障诊断流程

    Figure  5.  Fault diagnosis process

    图  6  准确率和损失曲线

    Figure  6.  Accuracy and loss curves

    图  7  混淆矩阵

    Figure  7.  Confusion matrix

    图  8  t−SNE降维可视化图

    Figure  8.  t-SNE dimension reduction visualization

    图  9  变负载准确率

    Figure  9.  Accuracy under variable load

    表  1  故障诊断模型结构参数

    Table  1.   Parameters of the fault diagnosis model structure

    层数结构参数输出特征
    M0输入层2048
    M1卷积层 (64×1/16/16)128×16
    M2池化层 (2×1/2)64×16
    M3卷积层(5×1/1/32)64×32
    M4池化层(2×1/2)32×32
    M5Bi GRU层(32)32×64
    M6注意力模块64
    M7全连接层10
    M8Softmax层10
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    表  2  实验样本划分

    Table  2.   Experimental sample division

    训练样本数测试
    样本数
    故障
    种类
    故障
    直径/mm
    类型
    标记
    400100滚动体0.177 8L0
    400100滚动体0.355 6L1
    400100滚动体0.533 4L2
    400100内圈0.177 8L3
    400100内圈0.355 6L4
    400100内圈0.533 4L5
    400100外圈0.177 8L6
    400100外圈0.355 6L7
    400100外圈0.533 4L8
    400100正常0L9
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    表  3  5种故障诊断模型的准确率对比

    Table  3.   Accuracy comparison of five kinds of fault diagnosis models

    模型平均准确率/%
    SVM90.3
    一维CNN98.5
    Bi GRU98.7
    注意力CNN99.0
    本文模型99.3
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-07-20
  • 修回日期:  2022-09-07
  • 网络出版日期:  2022-09-15

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