小样本下基于MTF与SSCAM-MSCNN的滚动轴承变工况故障诊断方法

针对滚动轴承在不同工况条件下样本分布不同以及故障样本数量不足导致故障诊断精度低、泛化性能差的问题,提出一种小样本下基于MTF与SSCAM-MSCNN的滚动轴承变工况故障诊断方法。首先,运用马尔科夫转移场(MTF)将一维振动信号转化为具有时间相关性的二维特征图。其次,提出条纹自校正注意力机制(SSCAM),它不仅可以加强模型在长距离方向上的特征提取能力,还能建立通道间依赖关系,可以对全局有效信息进行捕捉。然后,将SSCAM引入到多尺度神经网络(MSCNN)中,构建出SSCAM-MSCNN模型。最后,将MTF二维特征图输入到所提模型中进行训练,采用优化后的网络模型进行测试并输出分类结果。通过美国凯斯西储大学以及本实验室MFS滚动轴承数据集对所提方法进行验证,同时对后者进行加噪处理,与其他故障诊断模型进行对比。试验结果表明,所提方法在小样本、变工况条件下具有更高的识别精度、更强的泛化性能与抗噪性能。

基于MTF-SPCNN的小样本滚动轴承变工况故障诊断方法

针对滚动轴承运行工况复杂及样本不足导致故障诊断精度较低的问题,提出一种基于马尔可夫转移场(MTF)与条纹池化卷积神经网络(SPCNN)的小样本滚动轴承变工况故障诊断方法。采用MTF将一维轴承信号转变为具有时间关联性的二维图像;提出条纹池化模块(SPM)并将其引入到网络中,不仅可以加强模型在长距离方向信息的捕捉能力,还可以有效提取远程空间特征;在最大池化层前添加SE注意力机制,增加有用信息的权重,提高模型训练速度,构建MTFSPCNN模型;将MTF图像输入到MTF-SPCNN网络中进行训练,得到故障分类结果。运用美国凯斯西储大学及实验室滚动轴承MFS数据集验证所提方法在小样本变负载和变转速时的诊断效果,并对MFS数据集进行加噪处理,与其他智能算法进行对比,实验结果表明,所提方法具有更高的故障分类准确率、更强的泛化性能和抗干扰性能。

采用马尔科夫转移场和图注意力网络的滚动轴承故障诊断方法

针对实际工程环境复杂多变而导致模型识别准确率不高的问题,提出了一种融合马尔科夫转移场和图注意力网络(Markov transition field and graph attention networks,MTF-GAT)的滚动轴承故障诊断模型。利用MTF保留信号时间相关性的优点,将一维信号转换为二维特征图并定义图的节点和边;利用图注意力层可自适应地对邻近节点分配不同权重的特点,提高模型捕获有用故障特征的能力,并采用深层卷积模块进一步提取图的抽象信息;通过模拟实际工程环境,将各类故障信号输入到训练好的MTF-GAT模型进行故障诊断,并在两个数据集上进行试验验证。结果表明,本文所提出的模型在多种环境下均能准确地完成故障分类任务,相较于其他常用的深度学习模型,MTF-GAT模型具有更好的识别精度和泛化性能。

基于MTF-CNN的滚动轴承故障诊断方法

针对传统故障诊断方法在滚动轴承实际工况复杂多变、数据集较小时对轴承故障诊断识别准确率较低的问题,提出了MTF-CNN滚动轴承故障诊断模型。首先采用马尔科夫转移场(MTF)编码方式将原始一维振动信号转化为具有时间相关性的二维特征图像,然后将特征图作为卷积神经网络(CNN)的输入进行自动特征提取和故障诊断,最后实现对不同故障类型的分类。为了验证所提方法的有效性和优越性,选用凯斯西储大学滚动轴承数据进行试验验证,并在负载改变时和不同数据集规模下对所提出方法的泛化性能进行测试,同时与传统智能算法进行对比分析。结果表明,相较于其他常用的故障诊断方法,所提出模型在数据集较小、负载改变的环境下对滚动轴承故障诊断具有更好的泛化性能和识别效果。

小样本下自校正卷积神经网络的滚动轴承故障识别方法

针对实际工程中因故障样本数据稀少而导致模型识别准确率不高的问题,提出了一种基于自校正卷积神经网络(SC-CNN)的滚动轴承故障诊断模型,并将其应用于小样本条件下的故障识别研究。首先,为减少不同信号的数据分布差异,在每个卷积层后添加BN算法;其次,利用自校正卷积学习信号的多尺度特征,提高模型获取有用故障特征的能力;然后,引入通道自注意力机制,建立通道特征信息之间的相关性,用于突出故障特征并抑制数据过拟合;再将少量训练样本输入到模型中进行学习;最后,将各类不同条件下的故障信号输入到训练好的SC-CNN模型进行识别分类,并在两个数据集上进行实验验证。结果表明,所提模型在信噪比为-4 dB的强噪声环境下,识别准确率分别为98.64%和99.83%,在变工况条件下,识别准确率分别为94.37%和99.64%,验证了SC-CNN模型在小样本条件下具有较强的鲁棒性和泛化性能。

结合改进ResNet与迁移学习的风力机滚动轴承故障诊断方法

为解决实际应用中风力机滚动轴承故障训练样本严重不足的问题,提出一种基于改进残差神经网络与迁移学习的小样本滚动轴承故障诊断模型。首先,该模型将挤压与激励网络嵌入到一维残差神经网络中,增加了模型的特征提取能力;其次,使用源域数据对所搭建改进残差神经网络模型进行训练,确定结构和参数,并使用L2正则化和Dropout机制抑制过拟合;然后,引入迁移学习,冻结使用源域数据训练好的部分模型参数,使用少量目标域数据对模型的全连接层参数进行微调;最后,对不同故障的样本进行分类。该方法在凯斯西储大学轴承数据集和本实验室轴承数据集上进行实验验证,实验结果表明:在不同实验条件下,所提方法与其他方法的计算结果进行比较,其均有更高的故障诊断准确度和更强的泛化能力。

优化深度残差网络及其在强噪声环境下滚动轴承故障诊断中的应用

针对传统基于深度学习的故障诊断方法存在抗噪性能差、计算复杂度高和泛化性能不足的问题,提出了一种基于深度可分离残差网络(Depthwise Separable Residual Network,DS‑ResNet)的滚动轴承故障诊断方法。采用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)将滚动轴承一维振动转换到频域进行表示;利用深度可分离卷积(Depthwise Separable Convolution,DSC)计算复杂度低和逐点卷积(Pointwise Convolution,PWC)能增强网络非线性表达的优点,分别代替传统深度残差网络中的两个标准卷积层,构建出优化后的DS‑ResNet模型。将各类故障状态下的频域信号作为DS‑ResNet模型的输入进行识别分类,结果表明,在信噪比为-4 dB的强噪声环境中,识别准确率达到92.71%;在变转速工况下,平均识别准确率可达90.19%,高于其他常用深度学习诊断方法,且模型每轮的训练时间仅需2.16 s,证明了所提方法具有更好的抗噪性能、泛化性能和更高的诊断效率。

基于MTF-MSMCNN的小样本滚动轴承故障诊断方法

针对样本数量不足以及工况条件复杂导致故障识别精度低下的问题,提出一种基于马尔科夫转移场与多维监督卷积神经网络(Markov transition field and multidimensional supervised module convolutional neural networks,MTF-MSMCNN)的小样本滚动轴承故障诊断方法。采用MTF编码方式将一维滚动轴承信号转化为二维特征图像,使其保留时间相关性;提出多维监督模块(Multidimensional supervision module,MSM),在空间维度和通道维度监测重要故障特征并自适应赋予权重,提升模型捕捉关键特征的能力;将MSM嵌入到卷积神经网络中,构建出MSMCNN模型;通过试验构建复杂工况条件,将MTF图像输入到所提模型进行故障诊断,并运用两种数据集验证模型有效性。试验结果表明,MTF-MSMCNN在每类故障训练集样本仅有10个且在0 dB噪声污染下故障诊断精度依然可达90%左右,对比其他诊断模型,本文所提方法在小样本、变工况以及噪声干扰条件下具有更高的识别准确率、更强的泛化能力以及抗噪性能。