礦井提升機(jī)是井下與地面聯(lián)系的重要設(shè)備，其制動系統(tǒng)減速箱運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到提升機(jī)安全運(yùn)行。目前提升設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷所存在的普遍問題是：采用的故障信息量比較窄，不全面，沒有充分利用發(fā)生故障時的所有信息，忽略各信息量之間的相互關(guān)系；故障診斷所基于的系統(tǒng)一般是專家系統(tǒng)，專家系統(tǒng)由于其自身的固有缺陷,容易出現(xiàn)“匹配沖突”、“組合爆炸”及無窮遞歸等問題。專家系統(tǒng)基于規(guī)則，但復(fù)雜現(xiàn)象很難用簡單的規(guī)則來表示[1]。小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種基于    

知識的故障診斷方法，它不需要精確的數(shù)學(xué)模型，具有自學(xué)習(xí)和知識表達(dá)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并具有良好的收斂性和魯棒性。因此，文中采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對減速箱進(jìn)行故障診斷。

1小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成和學(xué)習(xí)算法

小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于小波分析而構(gòu)造出的一類前饋網(wǎng)絡(luò)，它以小波空間作為模式識別的特征空間，通過將小波基與信號向量的內(nèi)積進(jìn)行加權(quán)和來實(shí)現(xiàn)信號的特征提取，結(jié)合小波變換良好的時頻局域化性質(zhì)及傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能。這種網(wǎng)絡(luò)在處理復(fù)雜非線性函數(shù)關(guān)系等問題上表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂速度、容錯能力、預(yù)報(bào)效果，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1.1 小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，其中學(xué)習(xí)樣本經(jīng)輸入層投影壓縮后作用于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。輸入端有M個節(jié)點(diǎn)，隱層有K個節(jié)點(diǎn)，輸出層有N個節(jié)點(diǎn)，給定P組輸入輸出樣本，xm(m=1,…M)為網(wǎng)絡(luò)輸入，yn(n=1,…N)為網(wǎng)絡(luò)輸出。隱層選取的小波為Morlet小波，對網(wǎng)絡(luò)的輸出也并不是進(jìn)行簡單的加權(quán)求和，而是先對網(wǎng)絡(luò)隱層小波節(jié)點(diǎn)的輸出加權(quán)求和，經(jīng)Sigmoid函數(shù)變換后，得到最終的網(wǎng)絡(luò)輸出。這樣做有利于處理分類問題，同時減少訓(xùn)練過程中發(fā)散的可能性

1.2  小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法

訓(xùn)練樣本時，在權(quán)值和閾值的修正算法中加入動量項(xiàng)，引進(jìn)前一步的修正值來平滑學(xué)習(xí)路徑，避免引入局部極小，加速學(xué)習(xí)速率。為了避免在逐個樣本訓(xùn)練時，對權(quán)值和閾值修正可能出現(xiàn)的振蕩，采用成批訓(xùn)練方法，將一批樣本所產(chǎn)生的修正值累計(jì)后統(tǒng)一進(jìn)行一次處理

學(xué)習(xí)算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的初始化：將小波的伸縮因子ak、平移因子bk、網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值w km和w nk、學(xué)習(xí)率η(η>0)以及動量因子λ（0np。

（3）計(jì)算隱層及輸出層的輸出。

（4）計(jì)算誤差和梯度向量。

（5）進(jìn)行遞增，即m=m+1，如果m0)，則停止網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)，否則將m重置為1，并轉(zhuǎn)步驟（2）。

2小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用

對礦井提升機(jī)減速箱而言，故障診斷的主要對象是齒輪，因?yàn)樵跍p速箱的各種故障形式中，齒輪的損壞比例最大。

分別選擇每種情況下的l0組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，設(shè)定最大訓(xùn)練步數(shù)為5000，誤差指標(biāo)為0.02，將這40組特征向量作為訓(xùn)練樣本，若屬于正常齒輪的訓(xùn)練樣本，則設(shè)定網(wǎng)絡(luò)輸出向量為{l，0，0，0}，屬于磨損齒輪則為{0，l，0，0}，屬于裂紋齒輪為{0，0，l，0}，屬于斷齒齒輪為{0，0，0，l}，依次可以得到40個訓(xùn)練樣本的輸出向量，以此作為目標(biāo)輸出對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，并把訓(xùn)練成功的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和偏差保存起來。最后，利用已經(jīng)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)，把剩余待診斷的20組齒輪振動信號輸人小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將網(wǎng)絡(luò)輸出與訓(xùn)練樣本的輸出向量相比較，就可以判斷出該齒輪屬于哪種故障[6]，其結(jié)果如表1所示。限于篇幅，下面僅舉每一種故障的一個樣本。從表1中可以看出，網(wǎng)絡(luò)診斷輸出的結(jié)果與實(shí)際的故障情況相同，這表明小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)X輪的故障進(jìn)行正確地識別，且識別的精度較高。

3 結(jié)論

應(yīng)用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對提升機(jī)的減速箱進(jìn)行了故障診斷，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1）故障診斷實(shí)驗(yàn)樣本的診斷結(jié)果和實(shí)際故障情況相吻合，利用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以對減速箱的故障進(jìn)行正確的診斷，且識別的精度較高。

2）小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以作為一種性能較優(yōu)的模式識別系統(tǒng)應(yīng)用于減速箱的故障診斷, 它對減速箱的各種復(fù)雜狀態(tài)能夠作出正確的判斷, 具有較好的實(shí)用性。