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Planetary gearbox fault diagnosis using bidirectional-convolutional LSTM networks

卷积神经网络 计算机科学 人工智能 深度学习 特征提取 模式识别(心理学) 特征(语言学) 断层(地质) 语言学 地震学 地质学 哲学
作者
Junchuan Shi,Dikang Peng,Zhongxiao Peng,Ziyang Zhang,Kai Goebel,Dazhong Wu
出处
期刊:Mechanical Systems and Signal Processing [Elsevier]
卷期号:162: 107996-107996 被引量:195
标识
DOI:10.1016/j.ymssp.2021.107996
摘要

Gearbox fault diagnosis is expected to significantly improve the reliability, safety and efficiency of power transmission systems. However, planetary gearbox fault diagnosis remains a challenge due to complex responses caused by multiple planetary gears. Model-based gearbox fault diagnosis techniques extract hand-crafted features from sensor data based on underlying physics and statistical analysis, which are not effective in extracting spatial and temporal features automatically. While deep learning methods such as convolutional neural network (CNN) enable automatic feature extraction from multiple sensor sources, they are not capable of extracting spatial and temporal features simultaneously without losing critical feature information. To address this issue, we introduce a novel deep neural network based on bidirectional-convolutional long short-term memory (BiConvLSTM) networks to determine the type, location, and direction of planetary gearbox faults by extracting spatial and temporal features from both vibration and rotational speed measurements automatically and simultaneously. In particular, a CNN determines spatial correlations between two measurements within one time step automatically by combining signals collected from three accelerometers and one tachometer. Long short-term memory (LSTM) networks identify temporal dependencies between two adjacent time steps. By replacing input-to-state and state-to-state operations in the LSTM cell with convolutional operations, the BiConvLSTM can learn spatial correlations and temporal dependencies without losing critical features. Experimental results have shown that the BiConvLSTM network can detect the type, location, and direction of gearbox faults with higher accuracy than conventional deep learning approaches such as CNN, LSTM, and CNN-LSTM.
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