(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202210674673.X (22)申请日 2022.06.15 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114757060 A (43)申请公布日 2022.07.15 (73)专利权人 石家庄铁道大 学 地址 050043 河北省石家庄市长安区北二 环东路17号 专利权人 大秦铁路股份有限公司太原车辆 段 (72)发明人 刘鹏飞　杨旭　刘泽潮　李瑞军　 李靖　刘永强　顾晓辉　王晨　 张悦　 (74)专利代理 机构 石家庄轻拓知识产权代理事 务所(普通 合伙) 13128 专利代理师 黄辉本(51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G01M 13/045(2019.01) (56)对比文件 乔志城.基 于改进经验 小波变换的滚动轴承 故障诊断方法研究. 《中国优秀博硕士学位 论文 全文数据库(硕士)》 .2021, 黄衍.基于变分模态分解与形态学 滤波的高 速列车轴箱轴承故障诊断方法研究. 《中国优秀 博硕士学位 论文全文数据库(博士)》 .2021, 刘玉婷等.改进的EWT方法在高速列车轴承 故障诊断中的应用. 《机车电传动》 .2020,(第04 期), 审查员 刘华楠 (54)发明名称 一种基于形态学函数构建尺度空间的轴承 故障诊断方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于形态学函数构建尺 度空间的轴承故障诊断方法， 包括如下步骤： 步 骤1.选择形态学函数的结构元素； 步骤2.优化形 态学函数平滑频谱的平滑速度； 步骤3.构建尺度 空间平面； 步骤4.通过Ostu方法、 半正态分布法 或均值法确立尺度空间曲线阈值， 进而对尺度空 间曲线进行二分类处理， 对边界点进行筛选， 最 后划分频带； 步骤5.频带划分完成后， 使用EWT 算 法进行信号分解， 进而进行包络解调得到包络 图， 根据包络图判断出轴承的故障类型。 本发明 属于先验算法， 省去了频带初次划分后再合并频 带的时间， 提高了算法的计算效率， 同时该方法 也提高了划分频带的准确性， 适用于机械系统故 障诊断与信号处 理技术领域。 权利要求书2页 说明书7页 附图13页 CN 114757060 B 2022.12.20 CN 114757060 B 1.一种基于形态学函数构建尺度空间的轴承故障诊断方法， 其特征在于， 包括如下步 骤： 步骤1.使用开闭平均滤波器构建形态学函数， 构造加入白噪声的仿真信号， 用以模拟 故障轴承的冲击信号， 对仿真信号进行傅里叶变换， 将时域信号转换为频域信号， 生成频 谱， 选用扁平形和三角形 的结构元素分别进行仿真信号频谱的平滑， 并将平滑后的仿真信 号频谱结果进行对比分析， 选择 出符合尺度空间要求的、 效果良好的结构元 素； 步骤2.使用若干组凯斯西储大学轴承数据， 对不同数据量、 不同故障类型的轴承信号 频谱进行平 滑， 比较各组最后10个极值 点的平滑速度和尺度大小， 优化 其平滑速度； 步骤3.基于步骤1确立形态学函数的结构元素， 基于步骤2确立形态学函数平滑频谱的 速度， 并构建形态学函数， 用构建完成的形态学函数平滑仿真信号的频谱， 计算不同尺度参 数下极小值出现的次数， 从而得到各尺度空间曲线的长度， 在得到各尺度空间曲线后， 生成 整个频带范围内的尺度空间平面， 构建尺度空间； 步骤4.通过Ostu方法、 半正态分布法或均值法确立尺度空间曲线阈值， 进而对尺度空 间曲线进行二分类处 理， 对边界点进行筛 选， 最后划分频 带； 步骤5.频带划分完成后， 使用EWT算法进行信号分解， 进而进行包络解调得到包络图， 根据包络图判断出轴承的故障类型； 所述步骤1中选用三角形和扁平形的结构元素对仿真信号频谱进行平滑和对比分析， 其中结构元 素的长度以20的速率 递增， 分别分析其极值 点的变化速率； 所述步骤3中构建的尺度空间需要满足以下三个条件： ①具有平移不变特性； ②随着尺度参数的增 加， 信号的极值 点数目会逐渐减少； ③信号必须为实信号； 根据上述 三个条件构建尺度空间。 2.根据权利要求1所述的一种基于形态学函数构建尺度空间的轴承故障诊断方法， 其 特征在于： 所述 步骤1中开闭平均滤波器的构建公式如下： f为原始信号， g为形态学 结构元素。 3.根据权利要求1所述的一种基于形态学函数构建尺度空间的轴承故障诊断方法， 其 特征在于： 所述 步骤1中的仿真信号构建公式如下： 其中， 位移常数y0＝5， e为底数， ζ为冲击系数， 作为衡量故障信 号冲击程度的指标， ζ＝ 0.1， ωi为故障引起共 振的频率， ωi＝3000Hz,t为时间变量。 4.根据权利要求1所述的一种基于形态学函数构建尺度空间的轴承故障诊断方法， 其 特征在于： 所述 步骤4中采用O stu方法确立尺度空间曲线阈值。 5.根据权利要求1所述的一种基于形态学函数构建尺度空间的轴承故障诊断方法， 其 特征在于： 所述 步骤5中使用EWT算法进行信号分解包括如下步骤： 步骤a构建经验小 波的尺度函数和小 波函数；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114757060 B 2步骤b根据步骤a构建EWT信号分解公式。 6.根据权利要求5所述的一种基于形态学函数构建尺度空间的轴承故障诊断方法， 其 特征在于： 所述 步骤a中构建经验小 波的尺度函数公式如下： 构建小波函数公式如下： 式中， τn为两个相邻频带中间的过度区间， ω为频率， ωn为频带的边界， η为关于x的函 数， 具体如下： 上式中η(x)是关于x的分段函数， 分为x≤ 0和x≥1两种情况。 7.根据权利要6所述的一种基于形态学函数构建尺度空间的轴承故障诊断方法， 其特 征在于： 由公式3、 公式4和公式5得到 EWT信号分解公式： 式中： n为尺度函数和 小波函数的数量， t为时间变量， x(n)为原始信 号， ψn为第n个小波 函数， τ 为两个相邻频 带中间的过度区间， ω为频率， φ1为第一个尺度函数。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114757060 B 3