关键词:
齿轮箱
声学诊断
麦克风阵列
波束形成
CNN-T
DAS-Swin-T
深度迁移学习
摘要:
齿轮作为机械设备的主要部件,大量复杂精密的机械设备都离不开齿轮传动,齿轮在机械设备运行时无法准确掌握其健康状态,而其发生故障会严重影响机械设备的正常运行,严重时甚至会造成巨大的机械事故,所以对齿轮的健康状态检测至关重要。目前机械设备的复杂程度越来越高,设备的工作环境较为恶劣,所以采用非接触式的声音传感器采集信号对故障进行特征提取具有一定价值。传统的声学故障诊断在理想条件下具有不错效果,但针对于具备大量噪声的现场环境却稍显不足。为了能保持齿轮良好的性能,齿轮箱声学诊断方法需要克服不同工况与噪声等问题,因此采用麦克风阵列技术进行空域滤波降噪提高信噪比可以为后续方法的诊断提供良好的训练数据,有效声学诊断方法可以解决噪声环境下齿轮的健康状态诊断,并且能够实时的对各类故障状态进行识别,这是齿轮声学诊断中颇为挑战性的任务。随着人工智能时代的到来,各个行业都逐渐融入了人工智能技术,从而给故障诊断领域提供了更多有效的检测方法。深度神经网络可通过不断的自学训练对设备运行状态做出及时的预判,与依赖人为经验的故障诊断方法相比具有较高的准确性。因此,根据上述诊断思路,本文提出了基于深度学习与麦克风阵列的齿轮箱声学诊断方法,围绕齿轮箱中齿轮声学故障诊断方法展开了深入研究,本文主要研究内容如下:(1)分析了麦克风阵列的结构模型,对基于波束形成的声信号增强方法的原理及算法进行了介绍。在此基础上搭建了齿轮箱声学诊断实验平台,通过分析齿轮的声学振动机理和常见失效形式对齿轮故障的声学特征进行分析,并对齿轮的不同故障进行了模拟以及针对齿轮箱声信号制定出合理的采集方案。(2)针对单一麦克风声学诊断无法利用空间信息的问题,提出了基于CNN-T与麦克风阵列结合的齿轮箱声学诊断方法。CNN-T融合了CNN(卷积神经网络)与Transformer模型,将麦克风阵列中波束形成方法作为预处理并进行梅尔频谱特征提取,CNN-T分别将梅尔频谱特征以图像的方式和以时间序列的方式进行特征处理,将两种不同方式处理的特征在全连接层进行合并,最终进行齿轮箱的声学诊断。实验中对比了不同信噪比下单通道信号训练的CNN-T与CNN、Transformer模型的准确率,证明了CNN-T模型具备更好的故障诊断效果。实验对比了不同信噪比下麦克风阵列预处理对CNN-T声学诊断影响关系,结果表明采用延迟求和波束形成技术的预处理方法使模型具备更高的泛化性,优于原始单通道信号和MVDR波束形成技术的预处理方法训练模型。(3)针对麦克风阵列预处理过程中对信号处理技术的依赖以及网络模型训练难、样本数量需求大的问题,提出了基于DAS-Swin-T与深度迁移学习的端到端声学诊断方法,利用多通道信号的梅尔频谱图像进行训练。DAS-Swin-T网络在Swin-T的基础上加入了波束形成层,通过反向梯度求导计算出导向矩阵和各通道的位置因子使得各通道特征进行对齐,消除麦克风之间的位置差异和接收信号的时间差异,然后对特征频谱进行分块,加入位移窗口自注意力机制及相对位置编码,使切分的小块之间仍然保持信息交互,不丧失特征谱图的图像信息,从而提高模型识别能力,实现端到端的齿轮箱声学诊断方法。采用DAS-Swin-T预训练的迁移学习方法通过对模型进行参数微调缩短了网络的训练时间以及解决了样本较少的问题,并更好的将端到端模型进行推广应用,提高了系统的智能性。对比实验表明不同信噪比的单工况以及变工况数据集下DAS-Swin-T分类准确率都有明显的提高。迁移实验表明,本算法不仅减少了训练时间并且还具备很好的迁移效果,可用于实现工业环境的快速故障诊断。(4)最后针对齿轮箱声学诊断所需功能的分析,基于Matlab与python联合编程的方式设计了齿轮箱故障诊断系统,将上述算法融入到软件之中实现故障诊断的信号采集、信号分析、麦克风阵列信号增强和智能诊断功能。