趙小強(qiáng), 羅維蘭, 梁浩鵬

(1. 蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050; 2. 蘭州理工大學(xué) 甘肅省工業(yè)過程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730050; 3. 蘭州理工大學(xué) 國(guó)家級(jí)電氣與控制工程實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中心, 甘肅 蘭州 730050)

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備朝著高速化、精密化和自動(dòng)化的方向發(fā)展,設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)直接影響使用壽命和機(jī)械性能.其中，滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)設(shè)備中的關(guān)鍵零部件,當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生故障時(shí),約30%的故障發(fā)生在軸承[1].因此,能夠準(zhǔn)確地識(shí)別滾動(dòng)軸承的健康狀況具有重要意義.

對(duì)于滾動(dòng)軸承的故障診斷,通常分故障特征提取和故障分類兩步.由于傳感器是在強(qiáng)噪聲、非平穩(wěn)、變工況環(huán)境下采集信號(hào),所以采集的信號(hào)具有時(shí)變性強(qiáng)和噪聲背景強(qiáng)的特點(diǎn),難以提取有效的特征信息,導(dǎo)致最終的故障分類準(zhǔn)確率不高.因此,故障信號(hào)特征提取是軸承故障診斷的關(guān)鍵.特征提取的方法主要有時(shí)域分析法、頻域分析法和聯(lián)合時(shí)頻分析法.時(shí)域分析方法通常有統(tǒng)計(jì)分析法[2]和均方根分析法[3]，頻域分析方法一般有高階譜估計(jì)法[4]和譜峭度法(spectral kurtosis,SK)[5]，聯(lián)合時(shí)頻分析法有維格納分布(wigner-ville distribution,WVD)[6]、小波變換(wavelet transform, WT)[7]、短時(shí)傅立葉變換(short time fourier transform,STFT)[8]和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition,EMD)[9].故障分類的方法主要有BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[10]、支持向量機(jī)[11]和貝葉斯分類[12]等.傳統(tǒng)的故障診斷方法簡(jiǎn)單并應(yīng)用范圍廣泛,通過設(shè)置合適的參數(shù),可以部分滿足故障診斷識(shí)別準(zhǔn)確率的要求.然而,傳統(tǒng)的軸承故障診斷方法依賴于對(duì)該領(lǐng)域豐富的經(jīng)驗(yàn)、專業(yè)知識(shí)以及扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),并且特征的提取是在提前設(shè)定好的模型上進(jìn)行,所提取的特征幾乎是淺層特征,適應(yīng)性很差.

因此,實(shí)現(xiàn)特征的自適應(yīng)提取與分類,擺脫對(duì)專業(yè)知識(shí)的依賴,已成為故障診斷領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).部分學(xué)者利用深度學(xué)習(xí)具有自動(dòng)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)內(nèi)部特征的優(yōu)勢(shì),提出了基于深度學(xué)習(xí)的故障診斷方法.深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的重要分支,通過貪婪逐層預(yù)訓(xùn)練和反向微調(diào)以及各種非線性激活函數(shù)的組合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜特征提取.

深度學(xué)習(xí)的方法主要有棧式自編碼器網(wǎng)絡(luò)(stacked autoencoder,SAE)[13]、深度置信網(wǎng)絡(luò)(deep belief network,DBN)[14]、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(recurrent neural network,RNN)[15]和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional neural network,CNN)[16].溫江濤等[17]將壓縮感知與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合,直接從原始信號(hào)中充分地提取特征,實(shí)現(xiàn)了故障診斷；陶潔等[18]提出了基于Teager能量算子(teager energy operator,TEO)和深度置信網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法,先用TEO提取滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)的特征信息,然后通過層次優(yōu)化算法生成合適的DBN分類器,可以準(zhǔn)確、穩(wěn)定地識(shí)別軸承故障；周奇才等[15]將網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元用門控循環(huán)單元代替,并將循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行堆疊,提高滾動(dòng)軸承故障診斷精度；張弘斌等[19]提出新的多通道樣本構(gòu)造方法,與深度學(xué)習(xí)結(jié)合可提高故障診斷的效果.

雖然上述方法能取得不錯(cuò)的診斷效果,但都只能適應(yīng)于恒定工況條件.而在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中,機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)通常處于變工況狀態(tài).近幾年不少學(xué)者對(duì)軸承在變工況下做了研究,張西寧等[20]采用改進(jìn)深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)軸承的變工況故障診斷,陳保家等[21]結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)并應(yīng)用于變工況故障診斷.然而,上述方法都未考慮采用多尺度融合的方法提取軸承變工況特征信息.因此,本文先采用SIR(SE-Inception-Resnet)模塊多尺度提取更加充分有效的特征信息,再使用快捷連接線提高收斂速度,最后利用殘差密集網(wǎng)絡(luò)對(duì)特征信息重新標(biāo)定,提取有效特征信息,通過不斷訓(xùn)練和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)達(dá)到故障分類.通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn),本文所提方法在復(fù)雜工況下具有更好的故障診斷效果.

1 基本模型結(jié)構(gòu)

1.1 SENet模型結(jié)構(gòu)

SENet(squeeze-and-excitation net works)是由Hu等[22]提出的CNN結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)由Squeeze、Excitation和Reweight組成,如圖1所示.當(dāng)給定特征通道數(shù)為C_1的輸入X,經(jīng)過一系列的卷積、2個(gè)全連接變換后得到特征通道數(shù)為C_2的X′.轉(zhuǎn)化的過程如下：首先，將Ftr進(jìn)行式(1)轉(zhuǎn)化(卷積)操作,其中，vc表示第c個(gè)卷積核,xs表示第s個(gè)輸入；其次，Squeeze操作是將空間維度H×W對(duì)特征uc進(jìn)行式(2)特征壓縮(全局平均池化)變成實(shí)數(shù)zc∈RC(c×1×1),這個(gè)實(shí)數(shù)某種程度上具有全局的感受野；然后，Excitation操作是由式(3)經(jīng)過2個(gè)全連接層和激活函數(shù)變換每個(gè)特征通道生成權(quán)重,輸出的s通過式(4)最終輸出X′；Reweight的操作是將通道權(quán)重與輸入特征相乘,實(shí)現(xiàn)對(duì)原始特征的重新標(biāo)定.

圖1 SENet模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of SENet model

(1)

(2)

s=Fex(z,W)=σ[W2δ(W1z)]

(3)

x′={x′1,x′2,…,x′c}

(4)

1.2 殘差密集網(wǎng)絡(luò)

在機(jī)器學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,通過增加網(wǎng)絡(luò)的深度或?qū)挾瓤商崛〕浞钟行У奶卣餍畔?以提高網(wǎng)絡(luò)的性能.但是隨著網(wǎng)絡(luò)深度的增加,會(huì)出現(xiàn)梯度消失或梯度爆炸問題.針對(duì)此問題,可采用的解決方式包括:一種是帶快捷連接線的殘差學(xué)習(xí)[23],使網(wǎng)絡(luò)輸入與輸出的誤差重構(gòu),避免梯度消失；另一種是密集連接網(wǎng)絡(luò)[24],采用跨層并聯(lián)的連接方式增加網(wǎng)絡(luò)的寬度,即每層的輸入都與之前的卷積層相互連接,但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)很深或者很寬時(shí),隨著網(wǎng)絡(luò)不斷訓(xùn)練的過程,對(duì)一些損失的細(xì)節(jié)難以恢復(fù).

殘差密集塊[25]不僅增加了網(wǎng)絡(luò)的深度,同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練速度,融合了殘差網(wǎng)絡(luò)和密集網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn),使提取的特征更加充分.殘差密集塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 殘差密集塊結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of residual-dense block

殘差密集塊每層的輸出與前面層通過快捷連接線融合局部特征,隨著網(wǎng)絡(luò)加深且連接線的增多,網(wǎng)絡(luò)難以訓(xùn)練起來(lái).采用殘差學(xué)習(xí)在網(wǎng)絡(luò)后端融合全局特征,融合后的特征更能充分表達(dá)原數(shù)據(jù)的特征信息,并加快網(wǎng)絡(luò)整體的訓(xùn)練速度.為了減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算量,在每個(gè)卷積操作后都使用批量規(guī)范化(batch normalization,BN)和激活函數(shù)(ReLU).

2 基于SIR多級(jí)殘差連接密集網(wǎng)絡(luò)的軸承故障診斷方法

2.1 SIR模塊

由于所診斷的軸承信號(hào)是在強(qiáng)噪聲、變負(fù)荷的復(fù)雜工況下采集的,所以難以從微弱的信號(hào)中提取有效的特征,從而導(dǎo)致故障診斷的準(zhǔn)確率不高.因此,本文設(shè)計(jì)SIR模塊來(lái)提高對(duì)軸承信號(hào)特征的提取能力,結(jié)構(gòu)圖如圖3所示.

圖3中Inception采用多尺度卷積核(1×1、3×3、5×5)代替7×7大卷積核,提取更加豐富的特征，并采用concat連接多尺度的特征信息.同時(shí),為了提高訓(xùn)練速度和減少訓(xùn)練參數(shù),在每個(gè)卷積后面都使用批量標(biāo)準(zhǔn)化和激活函數(shù).雖然Inception提取的特征相對(duì)充分,但難以確定其有效性.因此,采用SENet網(wǎng)絡(luò)對(duì)原輸出通道進(jìn)行加權(quán)(通道的每個(gè)元素與對(duì)應(yīng)權(quán)重相乘),提升有用的特征并抑制對(duì)當(dāng)前任務(wù)貢獻(xiàn)不大的特征,達(dá)到對(duì)原始特征的重新標(biāo)定,再利用快捷連接線提高信息流通速率,同時(shí)避免了由網(wǎng)絡(luò)過深所引起的梯度消失問題.

圖3 SIR模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 SIR module structure

2.2 多級(jí)殘差連接密集網(wǎng)絡(luò)

殘差密集塊連接是通過連用多個(gè)卷積提取特征信息.如果每進(jìn)行1次卷積操作,步長(zhǎng)stride≥2,那么持續(xù)卷積必定會(huì)存在信息的缺失.因此，采用可獲得更大感受野的空洞卷積[26].空洞卷積與普通卷積具有相同的卷積操作,但與普通卷積不同的是沒有步長(zhǎng)參數(shù),而是在卷積核之間加入空洞,產(chǎn)生相關(guān)的參數(shù)空洞率r.通過設(shè)置不同空洞率,得到不同的感受野,空洞卷積的感受野為

R=[(k-1)(r-1)+k]2

(5)

式中：k為卷積核大小.

在感受野相同的情況下,空洞卷積比普通卷積的參數(shù)少.但空洞卷積計(jì)算方式類似于棋盤格式,某一層得到的卷積結(jié)果來(lái)自上一層獨(dú)立的集合,彼此沒有相互依賴.如果多個(gè)卷積持續(xù)連用,會(huì)造成局部信息丟失.因此,本文在殘差密集連接中交叉使用普通卷積和空洞卷積,以避免特征信息的缺失.

由于殘差密集網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的參數(shù)少,所以需要足夠多的殘差密集塊提高網(wǎng)絡(luò)的性能.但過多的殘差密集塊連接必會(huì)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)間很長(zhǎng),不能及時(shí)診斷出故障,會(huì)對(duì)設(shè)備造成很大的損傷,并減少設(shè)備的使用壽命.因此,本文設(shè)計(jì)多級(jí)殘差連接密集網(wǎng)絡(luò)的軸承故障診斷方法,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示,采用殘差連接可以在減少網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)間的同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)的性能.

從圖4可以看出,為了使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提取更充分、更有效的信息,采用不同方式的卷積和不同大小的卷積核進(jìn)行卷積操作,將提取的不同特征進(jìn)行相互融合.殘差密集模塊第1個(gè)卷積層使用空洞卷積,其卷積核大小為3×3,空洞率r=4,使得網(wǎng)絡(luò)具有更強(qiáng)的特征學(xué)習(xí)能力；第2個(gè)卷積層使用3×3的卷積核進(jìn)行卷積,輸出的結(jié)果與第1層的輸出進(jìn)行殘差融合得到更多的特征信息；第3個(gè)卷積層和第4個(gè)卷積層的卷積操作與前面兩層的卷積操作一樣,但空洞卷積的空洞率有所變化,因第2層卷積操作后,輸出的尺寸縮小了一半,為了能提取到更多的信息,這層的空洞率采用r=2；第5個(gè)卷積層采用3×3的卷積核進(jìn)行卷積.

2.3 SIR多級(jí)殘差連接密集網(wǎng)絡(luò)

本文提出的基于SIR多級(jí)殘差連接密集網(wǎng)絡(luò)的軸承故障診斷方法如圖5所示.該方法主要由SIR模塊、多級(jí)殘差連接的密集模塊和softmax分類器相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承原始振動(dòng)信號(hào)的自適應(yīng)特征學(xué)習(xí),將學(xué)習(xí)到的特征進(jìn)行故障分類.

圖5 SIR多級(jí)殘差連接密集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 SIR multilevel residual connection dense network structure diagram

首先，將輸入的數(shù)據(jù)矩陣轉(zhuǎn)化處理成二維28×28灰度圖,經(jīng)過SIR模塊對(duì)原始特征重新標(biāo)定,充分地提取有效特征信息,將SIR模塊融合的特征利用最大池化降維,減少網(wǎng)絡(luò)參數(shù),防止過度擬合.然后，將降維后的特征14×14依次經(jīng)過5個(gè)卷積層的多級(jí)殘差連接密集網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,各卷積后的特征信息通過殘差快捷連接線連接實(shí)現(xiàn)更全面的特征融合,但為防止多個(gè)同樣的卷積操作使信息丟失,采用空洞卷積和普通卷積相互交叉的方式.最后,將融合的特征信息經(jīng)過池化層,為全連接層降低參數(shù)的同時(shí)增加感受野,從而實(shí)現(xiàn)故障診斷.

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的具體參數(shù)如表1所列.降低率a為SIR模塊中影響SENet容量和計(jì)算復(fù)雜度的超參數(shù),本文通過二分法,經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證,選取最佳降低率a=5.

表1 網(wǎng)絡(luò)模型整體結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameters of the overall structure of the network model

在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的過程中,參數(shù)比較多.如果對(duì)參數(shù)訓(xùn)練不佳,就會(huì)影響故障分類的準(zhǔn)確率.因此,采用學(xué)習(xí)率自適應(yīng)的優(yōu)化算法Adam來(lái)更新權(quán)值,尋找最優(yōu)的權(quán)值,使損失函數(shù)值θ*最小.其中,Adam算法最初參數(shù)的配置包括：學(xué)習(xí)率為0.001,指數(shù)衰減速率為0.9.優(yōu)化表達(dá)式為

θ*=argminθL[f(xi,θ)]

(6)

式中：L(·)為目標(biāo)函數(shù)值,即參數(shù)更新的權(quán)重大?。籪(·)為輸出值；θ為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的所有參數(shù)；θ*為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)參數(shù)；xi為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 軸承數(shù)據(jù)集和預(yù)處理

本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)Case Western University[27]的CWRU實(shí)驗(yàn)臺(tái).CWRU實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括電機(jī)、扭矩傳感器、測(cè)力器(負(fù)載)及編碼器,如圖6所示.電機(jī)驅(qū)動(dòng)端的軸承型號(hào)為深溝球軸承SKF-6205,振動(dòng)的信號(hào)通過加速度計(jì)進(jìn)行采集,加速度計(jì)通常安裝在電機(jī)殼的驅(qū)動(dòng)端或者扇端的12點(diǎn)鐘位置,有些也和電機(jī)底座連接.用16通道的DAT記錄儀收集振動(dòng)信號(hào),在MATLAB環(huán)境中進(jìn)行后處理,數(shù)據(jù)按12 kHz進(jìn)行采集.電機(jī)轉(zhuǎn)速不同對(duì)應(yīng)的不同負(fù)荷分別為0、1、2、3 hp.利用電火花在滾動(dòng)軸承上人為制造損傷,損傷位置分別在軸承的內(nèi)圈、滾動(dòng)體和軸承外圈3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘、12點(diǎn)鐘方向,且損傷直徑分別為0.36、0.18、0.53、0.71 mm.將故障軸承安裝到測(cè)試電機(jī)中,記錄不同負(fù)載下的振動(dòng)信號(hào),包含軸承不同的損傷位置和不同的損傷程度以及正常狀態(tài)共計(jì)16種狀態(tài).

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置臺(tái)Fig.6 Experimental equipment table

轉(zhuǎn)速n=1 730 r/min、寬度為0.36 mm時(shí),軸承正常狀況、滾動(dòng)體故障、內(nèi)圈故障、外圈故障(6點(diǎn)鐘方向)的時(shí)域信號(hào)如圖7所示.可以看出，軸承在故障狀態(tài)下振動(dòng)加速度的沖擊均比正常狀態(tài)下的明顯,而且內(nèi)圈和外圈的故障信號(hào)每間隔一定時(shí)間就有沖擊成分出現(xiàn),但4種類型的振動(dòng)加速度信號(hào)均包含較多噪聲,部分沖擊淹沒在噪聲中.

圖7 原始軸承振動(dòng)信號(hào)Fig.7 Original bearing vibration signal

實(shí)驗(yàn)的每段采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為784,訓(xùn)練過程中，從每類樣本集中隨機(jī)選擇樣本數(shù)的75%作為訓(xùn)練集,其余作為測(cè)試集,保證數(shù)據(jù)在均衡的條件下驗(yàn)證故障診斷的準(zhǔn)確率.實(shí)驗(yàn)樣本詳細(xì)信息如表2所列.

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集Tab.2 Experimental data set

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

在實(shí)際工業(yè)中,旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的滾動(dòng)軸承是在強(qiáng)噪聲、變負(fù)荷的復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行.本文采用不同的方法對(duì)3種情況進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證本文所提方法可以在復(fù)雜的環(huán)境下及時(shí)、有效地診斷出故障.

3.2.1變?cè)肼暻闆r分析

為了驗(yàn)證噪聲對(duì)故障診斷的影響,本文在不同的噪聲環(huán)境下采用不同的方法進(jìn)行比較.在2 hp負(fù)荷下的測(cè)試集中加入不同信噪比(6、8、10、12、14 dB)的高斯白噪聲,采用基于深度學(xué)習(xí)lenet-5方法、Dense方法和改進(jìn)Resnet[28]方法與本文方法進(jìn)行比較,結(jié)果如圖8所示.其中,lenet-5方法采用三層卷積網(wǎng)絡(luò)提取特征信息,每層卷積核的大小為5×5,通道數(shù)分別為32、64、128,經(jīng)過池化、全連接層達(dá)到故障分類；殘差密集方法是將輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成二維后,經(jīng)過四層殘差密集連接,每層卷積核的大小為3×3,通道數(shù)分別為8、32、64、128,同樣經(jīng)過池化、全連接達(dá)到故障分類.

從圖8可以看出,隨著信噪比的增加,所有方法的故障診斷準(zhǔn)確率均增高,這是因?yàn)樾旁氡仍酱蟊硎驹谛盘?hào)中加的噪聲比例越小.當(dāng)信噪比高于10 dB時(shí),本文方法的故障診斷準(zhǔn)確率達(dá)到了99%以上,幾乎可以精確地分類出故障類型.當(dāng)信噪比為6 dB時(shí),采用不同的方法對(duì)故障診斷的結(jié)果差別比較大.lenet-5方法網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,對(duì)輸入信號(hào)特征提取得不夠充分,導(dǎo)致加入噪聲后對(duì)故障的分類不夠準(zhǔn)確.而改進(jìn)Resnet方法采用空洞卷積,擴(kuò)大感受野,提取到了充分的信息,相對(duì)lenet-5方法提高了故障診斷準(zhǔn)確率;但改進(jìn)Resnet方法特征提取未標(biāo)定關(guān)鍵因子,使得提取的特征有效性比本文方法差.本文方法采用了SIR模塊對(duì)權(quán)重重新標(biāo)定,并對(duì)殘差密集的卷積層進(jìn)行改進(jìn),更加有效地提取特征,從而提高故障診斷準(zhǔn)確率.

圖8 各方法在不同信噪比下故障診斷準(zhǔn)確率Fig.8 Fault diagnosis accuracy of each method in different SNR

在實(shí)際工程應(yīng)用中,不僅要求故障診斷準(zhǔn)確率高,還要求診斷的及時(shí)性好.因此，訓(xùn)練時(shí)間也是評(píng)估算法優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo).在整個(gè)訓(xùn)練的過程中,由于權(quán)值和閾值的初始化是隨機(jī)的,導(dǎo)致每次訓(xùn)練的時(shí)間有所不同.但為了研究整個(gè)算法訓(xùn)練時(shí)間,選10次相對(duì)較好的結(jié)果,取平均值代表該算法的訓(xùn)練時(shí)間.表3列出了不同方法在不同信噪比下的訓(xùn)練時(shí)間.可以看出：lenet-5方法訓(xùn)練時(shí)間很長(zhǎng),因?yàn)槿龑泳W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)訓(xùn)練過程中,輸出值與預(yù)測(cè)值的誤差很大,所以正反向更新參數(shù)的速度慢;而其它方法比lenet-5方法訓(xùn)練時(shí)間短,這是因?yàn)橐肟旖葸B接線使得輸出值很快達(dá)到預(yù)測(cè)值,其中，Dense方法采用了更多的快捷連接線,每層的輸出與前面的都相關(guān),訓(xùn)練過程參數(shù)的更新速度更快.由此可見,網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過充分訓(xùn)練后,基于SIR多級(jí)殘差連接密集網(wǎng)絡(luò)具有較好的實(shí)用性.

表3 各方法在不同信噪比下診斷訓(xùn)練時(shí)間Tab.3 Diagnosis training time under different SNR for each method

3.2.2變負(fù)荷情況分析

在實(shí)際工況下,旋轉(zhuǎn)機(jī)械的滾動(dòng)軸承不僅在強(qiáng)背景噪聲中工作,而且工作負(fù)荷是變化的.為了研究本文方法在變負(fù)荷下的適用性,選擇4種不同的負(fù)荷分別為0、1、2、3 hp,并選擇其中1種負(fù)荷為訓(xùn)練集,剩余負(fù)荷為測(cè)試集.變負(fù)荷故障診斷結(jié)果如圖9所示，圖中橫軸0-1、0-2、0-3分別表示網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練以0 hp為訓(xùn)練集,以1、2、3 hp為測(cè)試集.

圖9 變負(fù)荷故障診斷結(jié)果Fig.9 Fault diagnosis results of variable load

可以看出：本文方法的故障診斷準(zhǔn)確率均高于其他3種方法,不同負(fù)荷情況下準(zhǔn)確率都在90%以上,并且柱高波動(dòng)較小,方差為0.053;其他方法故障診斷準(zhǔn)確率的方差分別為0.256、0.053、0.064,雖然殘差密集方法也具有較好的穩(wěn)定性,但本文方法的故障診斷準(zhǔn)確率更高.因此,本文方法對(duì)變負(fù)荷具有較好的泛化能力.

3.2.3變工況情況分析

滾動(dòng)軸承在實(shí)際運(yùn)行中,變?cè)肼暫妥冐?fù)荷往往同時(shí)影響著整個(gè)過程.為了研究變負(fù)荷和變?cè)肼曂瑫r(shí)對(duì)軸承故障分類結(jié)果的影響,在輸入信號(hào)中加入不同的信噪比,并在不同的負(fù)荷下進(jìn)行訓(xùn)練.以1-2的3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說(shuō)明,1-2表示1 hp負(fù)荷為訓(xùn)練集，2 hp為測(cè)試集.在測(cè)試集中加入6、9、12 dB不同的信噪比,并且將本文方法與lenet-5方法、Dense方法和改進(jìn)Resnet方法進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖10所示.

從圖10a和圖10b可以看出,lenet-5方法和Dense方法在變工況下故障診斷準(zhǔn)確率基本都在90%以下,當(dāng)加入6 dB的強(qiáng)噪聲時(shí),柱高的波動(dòng)很大,準(zhǔn)確率很低,抗噪性能很差.從圖10c可以看出:基于改進(jìn)Resnet方法的診斷準(zhǔn)確率為85.49%,最高為94.68%,高于90%很少;并且在同一負(fù)荷下求取不同信噪比的準(zhǔn)確率平均值曲線中,基于改進(jìn)Resnet方法在變工況下故障診斷準(zhǔn)確率波動(dòng)很大.從圖10d可以看出:本文方法的診斷準(zhǔn)確率最低在89%以上,最高達(dá)到96%以上;并從平均值曲線可以發(fā)現(xiàn),在變工況下故障診斷準(zhǔn)確率穩(wěn)定而且很高.由上述分析可知,本文方法在變負(fù)荷和高強(qiáng)度的噪聲干擾下仍具有很高的識(shí)別率,相比其他方法優(yōu)勢(shì)明顯.實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了SIR多級(jí)殘差密集網(wǎng)絡(luò)的軸承故障診斷方法具有很好的魯棒性和泛化能力.

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提方法在變負(fù)荷、變?cè)肼暤葟?fù)雜工況環(huán)境下故障診斷的效果,采用流行學(xué)習(xí)算法中的t-SNE(t-distributed stochastic neighbor embedding)進(jìn)行特征可視化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示.其中,圖11a沒有包含SIR模塊,網(wǎng)絡(luò)中只有殘差密集連接網(wǎng)絡(luò)；而圖11b包含SIR模塊,對(duì)輸入的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行多尺度提取,并將提取的信息進(jìn)行特征融合,采用SE模塊進(jìn)行特征標(biāo)定,從而所提取的特征更加充分有效,使得最終分類結(jié)果中同類故障更加聚攏,診斷準(zhǔn)確率高達(dá)97%.

圖11 T-sne可視化圖Fig.11 T-sne visualization

4 結(jié)論

本文提出了基于SIR多級(jí)殘差連接密集網(wǎng)絡(luò)的軸承故障診斷方法.首先,設(shè)計(jì)SIR模塊完成多尺度特征提取,并在通道維度上對(duì)原始特征重新標(biāo)定,有效地分離出關(guān)鍵特征因子；然后,設(shè)計(jì)了多級(jí)殘差連接的密集塊,對(duì)故障診斷的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入、更有效地特征提取,提高了故障診斷準(zhǔn)確率;最后,通過實(shí)驗(yàn)將本文方法應(yīng)用于變負(fù)荷、強(qiáng)噪聲干擾環(huán)境下的滾動(dòng)軸承故障診斷中.根據(jù)對(duì)滾動(dòng)軸承故障實(shí)時(shí)信號(hào)檢測(cè)和分析,驗(yàn)證了本文方法的有效性,以及對(duì)復(fù)雜工況更具較強(qiáng)的魯棒性和泛化性.