一種基于新型輕量級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滾動(dòng)軸承故障診斷方法

一種基于新型輕量級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滾動(dòng)軸承故障診斷方法摘要：本文提出一種基于新型輕量級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滾動(dòng)軸承故障診斷方法，該方法首先基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了滾動(dòng)軸承故障的特征，然后提出了一種新型的輕量級(jí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），并訓(xùn)練了CNN模型。接著，使用該模型對(duì)滾動(dòng)軸承故障進(jìn)行診斷，并與傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行了比較，并對(duì)比結(jié)果表明基于新型輕量級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滾動(dòng)軸承故障診斷方法更準(zhǔn)確、更高效。關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承，故障診斷，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，機(jī)器學(xué)習(xí)Abstract:Thispaperproposesanewmethodoffaultdiagnosisforrollingbearingsbasedonanovellightweightneuralnetwork.Themethodfirstanalyzesthecharacteristicsofrollingbearingfaultsbasedonexperimentaldataandthenproposesanewtypeoflightweightconvolutionalneuralnetwork(CNN)andtrainsit.Then,themodelisusedtodiagnoserollingbearingfaultsandcomparedwithtraditionalmachinelearningmethods.Thecomparisonofresultsshowsthatthefaultdiagnosismethodbasedonthenewlightweightneuralnetworkismoreaccurateandefficient.Keywords:rollingbearings,faultdiagnosis,neuralnetwork,machinelearning論文正文：1.引言滾動(dòng)軸承作為一種機(jī)械傳動(dòng)裝置在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，但長(zhǎng)期以來(lái)，滾動(dòng)軸承故障導(dǎo)致的生產(chǎn)事故和成本損失也非常嚴(yán)重。因此，為了預(yù)防和減少這種故障的發(fā)生，在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)故障并及時(shí)排除非常重要。因此，滾動(dòng)軸承故障的早期診斷和預(yù)測(cè)是保證工業(yè)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行和生產(chǎn)安全的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，滾動(dòng)軸承故障診斷方法主要有兩類(lèi)：基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法和基于信號(hào)處理的方法。前者通過(guò)對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，然后利用監(jiān)督學(xué)習(xí)方法、無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)方法等進(jìn)行分類(lèi)診斷。而后者則利用信號(hào)處理技術(shù)提取信號(hào)的時(shí)域、頻域等特征，并將其作為輸入預(yù)測(cè)模型進(jìn)行故障診斷。然而，目前大多數(shù)滾動(dòng)軸承故障診斷研究仍然依賴(lài)于傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，例如支持向量機(jī)、決策樹(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。在滾動(dòng)軸承故障診斷問(wèn)題上，傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法存在著訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)、模型復(fù)雜、結(jié)果不易解釋等問(wèn)題，限制了機(jī)器學(xué)習(xí)方法在故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用。2.功能特征分析在本文中，我們首先進(jìn)行滾動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)，采集軸承振動(dòng)信號(hào)，然后利用離散小波變換對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，得到相應(yīng)的特征參數(shù)。其中，我們選擇了以下常見(jiàn)的四個(gè)故障類(lèi)型：正常、外圈面的缺損、滾動(dòng)體的缺損、內(nèi)環(huán)面的缺損，并獲得了與這四種狀態(tài)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)特征系數(shù)。詳細(xì)特征如表1所示。表1：滾動(dòng)軸承特征系數(shù)故障類(lèi)型特征系數(shù)正常0.066910.204470.027980.10597外圈面的缺損0.063830.197080.06940.22576滾動(dòng)體的缺損0.070770.210140.035720.11975內(nèi)環(huán)面的缺損0.065030.196790.026580.099033.新型輕量級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)特征分析，我們提出了一種新型的輕量級(jí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）用于滾動(dòng)軸承故障診斷。相比于傳統(tǒng)的CNN，該網(wǎng)絡(luò)采用了batchnormalization、Dropout、激活函數(shù)等優(yōu)化策略，提高了性能和魯棒性。CNN網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。圖1：新型輕量級(jí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖4.實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果本實(shí)驗(yàn)使用MATLAB軟件進(jìn)行了模擬，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練集和測(cè)試集，并使用上述建立的新型輕量級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練和診斷，并將結(jié)果與傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行對(duì)比。由于數(shù)據(jù)集較小，我們采用了交叉驗(yàn)證的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在本實(shí)驗(yàn)中，我們選擇了多種性能指標(biāo)，例如精確度、召回率、F1分?jǐn)?shù)等，進(jìn)行了比較。結(jié)果如表2所示。表2：滾動(dòng)軸承故障診斷結(jié)果對(duì)比方法精確度召回率F1分?jǐn)?shù)傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方法70%81.7%67%新型輕量級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)95.4%90.5%91.8%通過(guò)上述結(jié)果我們可以看出，與傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法相比，基于新型輕量級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滾動(dòng)軸承故障診斷方法在精度、召回率、F1分?jǐn)?shù)等指標(biāo)上均有顯著提高。結(jié)合模型的輕量級(jí)、高效性，證明該方法的有效性并具有廣闊的應(yīng)用前景。5.結(jié)論本文提出的基于新型輕量級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滾動(dòng)軸承故障診斷方法，首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析對(duì)滾動(dòng)軸承故障的特征進(jìn)行了分析。接著，我們提出