一种风力发电机组齿轮箱的故障诊断方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于故障诊断技术领域，涉及一种风力发电机组齿轮箱的故障诊断方法。
【背景技术】
[0002] 齿轮箱的故障诊断一般分为四个阶段，分别为信号检测，特征提取，故障识别和诊 断决策。目前，风力发电机组齿轮箱故障诊断研究主要集中在在线状态监测系统的开发、信 号处理与分析、部件故障机理研究、典型故障特征提取、故障诊断方法研究和人工智能应用 等几个方面。
[0003] 在进行齿轮箱故障诊断过程中，常采用时频分析方法，如短时傅里叶变换、 Wigner-Ville分布、小波变换等。但这几种方法对于处理非线性、非平稳的振动信号都存在 一定的缺点和不足，不能充分凸显信号特征。
[0004] 近年来，人工智能技术的发展为齿轮箱的故障诊断提供了一定的理论支持，如专 家系统、故障树分析法，神经网络，支持向量机等。专家系统主要存在推理能力弱，知识库维 护性差的不足；故障树分析法受主观因素影响大；神经网络需要大量的样本才能保证诊断 精度；而支持向量机在小样本下依然可以达到较高诊断精度。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种风力发电机组齿轮箱的故障诊断方法，解决了现有技 术齿轮箱故障诊断过程中使用时频分析方法不能有效处理非线性、非平稳振动信号的问 题。
[0006] 本发明所采用的技术方案是，一种风力发电机组齿轮箱的故障诊断方法，通过采 集风力发电机齿轮箱的振动信号，利用集合经验模态分解方法提取故障特征信息，然后归 一化处理提取故障特征向量，最后将测量得到的故障特征向量输入经过优化并训练好的支 持向量机模型中进行风力发电机组齿轮箱的故障诊断，具体按照以下步骤实施：
[0007] 步骤1 :针对典型故障情况，采集风力发电机齿轮箱的振动信号，利用集合经验模 态分解方法对振动信号进行分解，得到不同尺度的IMF分量，将各IMF分量的能量作为故障 特征信息；对包含信号主要特征信息的MF分量进行选取，然后归一化处理得到该信号的 故障特征向量；
[0008] 步骤2 :利用遗传算法优化支持向量机，构建基于遗传算法优化的支持向量机诊 断模型；然后利用训练样本和测试样本对优化的支持向量机进行训练和测试；
[0009] 步骤3 :将实际采集的风力发电机齿轮箱的振动信号，利用步骤1的集合经验模态 分解方法提取该信号的特征向量，将获得的特征向量输入到步骤2所建立并训练好的诊断 模型中，根据其输出情况来判断故障类型。
[0010] 本发明的特点还在于，
[0011] 在步骤1中，利用集合经验模态分解方法获取振动信号的故障特征向量的过程如 下：
[0012] 步骤1. 1、在原始振动信号x(t)中加入高斯白噪声序列n(t)，即
[0014] 式中，X(t)为待分解的序列，x(t)为原始序列，n(t)为尚斯白噪声序列；
[0015] 步骤1. 2、将序列X (t)通过EMD算法分解为一组頂F ;
[0016] 步骤1. 3、每次加入相同幅值的尚斯白噪声序列，重复步骤1. 1、步骤1. 2 ;
[0017] 步骤1. 4、计算分解得到的各个頂F的均值，得到消除模态混叠的頂F分量作为最 终的结果，BP
[0019] 式中，Cj (t)表示对原始振动信号进行EEMD分解得到的第j个IMF分量;m表示加 入白噪声的次数；(t)表示第i次加入白噪声时按照EMD分解得到的第j个頂F分量；
[0020] 步骤1. 5、计算经过EEMD分解后的各頂F分量的能量以及经过EEMD分解后的各 頂F分量与原信号的能量比n i，根据n i的大小，选取前η个包含丰富信号特征信息的頂F 分量作为信号的特征向量；
[0021] 各IMF分量的能量计算公式如下：
[0023] 各頂F分量与原信号的能量比计算公式如下：
[0025] 其中，Ei为第i个IMF分量的能量，X i为第i个IMF分量的在时间Δ t内的幅值， n i为第i个MF分量的能量与原信号的能量比值；
[0026] 步骤1. 6、计算各分量平均能量：
[0028] 式中，为第i个IMF分量的平均能量；
[0029] 步骤1. 7、以上一步计算的平均能量构建一个特征向量P :
[0031] 步骤1. 8、构造特征向量矩阵，对上一步得到的特征向量进行归一化处理，处理方 法如下：
[0033] 式中，Einiax为各个IMF分量中能量的最大值，E inun为各个IMF分量中能量的最小 值；
[0034] 归一化处理之后，特征向量为：
[0036] 即向量P '为最终提取到的信号特征向量。
[0037] 本发明的特点还在于，
[0038] 在步骤2中，利用遗传算法优化支持向量机的具体步骤如下：
[0039] 步骤2. 1、初始化种群规模：将提取到的特征向量分为训练样本和测试样本，对训 练样本中的特征向量和参数（c，。2)进行编码，创建种群，并设置初始参数；
[0040] 步骤2. 2、进行复制、交叉和变异遗传操作，产生新的一代种群；
[0041] 步骤2. 3、计算适应度函数值：采用3折交叉验证方法评估粒子的适应度，3-CV的 适应度函数如下所示：
[0043] 式中，CV(c，。2)表示校验分类精度，γ t，γ f分别表示分类正确与错误的个数；
[0044] 在3-CV折交叉验证中，训练数据集被随机分为三个互斥的子集，其中两个子集作 为训练集，剩下一个子集作为测试集，上述过程重复三次，以使每个子集被校验；
[0045] 步骤2. 4、检查结束条件，若满足，则结束寻优过程，否则转至第2. 2步重复运行， 结束条件为寻优达到最大进化代数。
[0046] 本发明的有益效果是，一种风力发电机组齿轮箱的故障诊断方法，主要针对风力 发电机组齿轮箱故障信号非线性以及非平稳性的特点，将集合经验模态方法与支持向量机 相结合，提出了一种集合经验模态算法和基于遗传算法优化支持向量机相结合的故障诊断 方法，能够充分凸显信号特征。本发明适合于风力发电机组齿轮箱的故障诊断，且诊断结果 精度较高，方便运行维护人员及时对故障进行处理，从而减少不必要的损失。
【附图说明】
[0047] 图1为本发明中基于遗传算法优化支持向量机的方框图；
[0048] 图2为本发明实施例中齿轮箱正常状态下原始振动信号图；
[0049] 图3为本发明实施例中齿轮箱齿面磨损状态下原始振动信号图；
[0050] 图4为本发明实施例中齿轮箱断齿状态下原始振动信号；
[0051] 图5为本发明实施例中齿面磨损状态下各IMF分量与原信号能量比图；
[0052] 图6为本发明实施例中信号EEMD部分分解图。
【具体实施方式】
[0053] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0054] 本发明实施例提供的一种风力发电机组齿轮箱的故障诊断方法，通过采集风力发 电机齿轮箱的振动信号，利用集合经验模态分解方法提取故障特征信息，然后归一化处理 提取故障特征向量，最后将测量得到的故障特征向量输入经过优化并训练好的支持向量机 模型中进行风力发电机组齿轮箱的故障诊断，具体按照以下步骤实施：
[0055] 步骤1 :针对典型故障情况，采集风力发电机齿轮箱的振动信号，利用集合经验模 态分解方法对振动信号进行分解，得到不同尺度的IMF分量；将各IMF分量的能量作为故障 特征信息，对包含信号主要特征信息的MF分量进行选取，然后归一化处理得到该信号的 故障特征向量。
[0056] 在步骤1中，利用集合经验模态分解方法获取振动信号的故障特征向量的过程如 下：
[0057] 步骤1. 1、在原始振动信号x(t)中加入高斯白噪声序列η⑴，即
[0058] X (t) = X (t) +n (t) (1)
[0059] 式中，X(t)为待分解的序列，x(t)为原始序列，n (t)为高斯白噪声序列；
[0060] 步骤1. 2、将序列X (t)通过EMD算法分解为一组頂F ;
[0061] 步骤1. 3、每次加入相同幅值的尚斯白噪声序列，重复步骤1. 1、步骤1. 2 ;
[0062] 步骤1. 4、计算分解得到的各个頂F的均值，得到消除模态混叠的頂F分量作为最 终的结果，BP
[0064] 式中，Cj (t)表示对原始振动信号进行EEMD分解得到的第j个IMF分量;m表示加 入白噪声的次数；(t)表示第i次加入白噪声时按照EMD分解得到的第j个頂F分量；
[0065] 步骤1. 5、计算经过EEMD分解后的各頂F分量的能量以及经过EEMD分解后的各 頂F分量与原信号的能量比n i，根据n i的大小，选取前η个包含丰富信号特征信息的頂F 分量作为信号的特征向量；
[0066] 各IMF分量的能量计算公式如下：
[0068] 各頂F分量与原信号的能量比计算公式如下：
[0070] 其中，Ei为第i个IMF分量的能量，X i为第i个IMF分量的在时间Δ t内的幅值， n i为第i个MF分量的能量与原信号的能量比值；
[0071] 步骤1. 6、计算各分量平均能量：
[0073] 式中，为第i个頂F分量的平均能量；
[0074] 步骤1. 7、以上一步计算的平均能量构建一个特征向量P :
[0076] 步骤1. 8、构造特征向量矩阵，对上一步得到的特征向量进行归一化处理，处理方 法如下：
[0078] 式中，Einiax为各个IMF分量中能量的最大值，E inun为各个IMF分量中能量的最小 值；
[0079] 归一化处理之后，特征向量为：
[0081] 即向量P '为最终提取到的信号特征向量。
[0082] 步骤2 :利用遗传算法优化支持向量机，构建基于遗传算法优化的支持向量机诊 断模型，然后利用训练样本和测试样本对优化的支持向量机进行训练和测试；其中，图1示 出了本发明中基于遗传算法优化支持向量机的流程，利用遗传算法优化支持向量机的具体 步骤如下：
[0083] 步骤2. 1、初始化种群规模：将提取到的特征向量分为训练样本和测试样本，对训 练样本中的特征向量和参数（c，。2)进行编码，创建种群，并设置初始参数；
[0084] 步骤2. 2、进行复制、交叉