不依賴于時(shí)域平均的行星齒輪箱信號(hào)分離和診斷方法
【專利摘要】不依賴于時(shí)域平均的行星齒輪箱信號(hào)分離和診斷方法，選擇余弦升冪函數(shù)作為分離窗函數(shù)，選擇嚙合頻率附近頻帶對(duì)傳感器采集到的行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，然后求取濾波信號(hào)包絡(luò)，找到包絡(luò)信號(hào)最大值對(duì)應(yīng)時(shí)刻T，該時(shí)刻為某一行星輪最接近傳感器位置時(shí)刻；將T+ifc/p作為時(shí)移t'帶入分離窗函數(shù)中，將分離窗函數(shù)與傳感器采集到的行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)相乘得到行星齒輪箱振動(dòng)分離信號(hào)，對(duì)分離信號(hào)做傅里葉變換，若嚙合頻率附近存在故障特征頻率邊頻帶，表明行星齒輪箱存在對(duì)應(yīng)類型故障，本發(fā)明有效地提取了行星齒輪箱的故障特征信息，實(shí)現(xiàn)行星齒輪箱故障的有效診斷。
【專利說明】不依賴于時(shí)域平均的行星齒輪箱信號(hào)分離和診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及行星齒輪箱故障診斷【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及不依賴于時(shí)域平均的行星齒輪箱信號(hào)分離和診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002]行星齒輪箱作為重要的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有重量輕、體積小、傳動(dòng)比大、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，滿足許多設(shè)備對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的要求，已被廣泛應(yīng)用于直升機(jī)、船舶、風(fēng)力發(fā)電、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、礦山機(jī)械、工程機(jī)械、汽車等設(shè)備的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。由于這些設(shè)備的工作環(huán)境惡劣，并且行星齒輪箱經(jīng)常在低速重載工況下運(yùn)行，所以行星齒輪箱的關(guān)鍵零部件經(jīng)常發(fā)生故障。
[0003]振動(dòng)信號(hào)往往包含大量的故障信息，因此以振動(dòng)信號(hào)為基礎(chǔ)的診斷方法已成為行星齒輪箱故障診斷的主要方法。通過在箱體外部安裝加速度傳感器來測(cè)取行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)。行星齒輪箱中存在多個(gè)行星輪，每個(gè)行星輪都同時(shí)與內(nèi)齒圈和太陽輪嚙合。由于各個(gè)行星輪是完全相同的，所以它們與內(nèi)齒圈和太陽輪嚙合產(chǎn)生的振動(dòng)是相同的，振動(dòng)頻率為嚙合頻率fm，fm=Nrfc,隊(duì)為齒圈齒數(shù)，f。為行星架轉(zhuǎn)頻，只是各個(gè)嚙合振動(dòng)之間存在一定的相位差。同時(shí)由于行星輪繞行星架中心線公轉(zhuǎn)，導(dǎo)致行星輪與內(nèi)齒圈和太陽輪的嚙合位置相對(duì)于傳感器位置周期性變化。行星齒輪的嚙合振動(dòng)到傳感器的傳遞路徑周期性變化，相當(dāng)于行星輪的嚙合振動(dòng)被傳遞路徑函數(shù)調(diào)制。不同行星輪間的傳遞路徑函數(shù)形式相同，只是存在一定的相位差。將各個(gè)存在相位差并被傳遞路徑函數(shù)調(diào)制的行星輪振動(dòng)信號(hào)疊加就得到傳感器測(cè)得的行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)。正是由于相位差的存在，疊加后會(huì)使得頻譜中的頻率幅值被增強(qiáng)或抑制，同時(shí)傳遞路徑函數(shù)對(duì)各嚙合振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制也增加了測(cè)得振動(dòng)信號(hào)的復(fù)雜性。因此，行星齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)非常復(fù)雜，從行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)時(shí)域或頻域圖中很難得到故障信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供行不依賴于時(shí)域平均的行星齒輪箱信號(hào)分離和診斷方法，將每個(gè)行星輪的嚙合振動(dòng)信號(hào)從傳感器采集到的行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)中分離出來，消除多個(gè)行星輪的嚙合振動(dòng)信號(hào)之間的疊加作用對(duì)行星齒輪箱故障診斷帶來的困難，實(shí)現(xiàn)基于分離信號(hào)的行星齒輪箱故障診斷。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
[0006]不依賴于時(shí)域平均的行星齒輪箱信號(hào)分離和診斷方法，包括以下步驟:
[0007](I)選擇余弦升冪函數(shù)wF=a{l+cos[2 π fc (t~t') ] }ρ_1作為分離窗函數(shù),其中a為常系數(shù)，fc為行星架轉(zhuǎn)頻，t’為時(shí)移，P為行星輪個(gè)數(shù)；
[0008](2)選擇嚙合頻率附近頻帶對(duì)傳感器采集到的行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，然后求取濾波信號(hào)包絡(luò)，找到包絡(luò)信號(hào)最大值對(duì)應(yīng)時(shí)刻T，該時(shí)刻為某一行星輪最接近傳感器位置時(shí)刻；[0009](3)將T+if；/p作為時(shí)移t’帶入分離窗函數(shù)中,其中P為行星輪個(gè)數(shù),0≤i≤p-1且i為整數(shù)，i取不同的值對(duì)應(yīng)不同的行星輪最接近傳感器位置時(shí)刻；
[0010](4)將分離窗函數(shù)Wf與傳感器采集到的行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)y相乘得到行星齒輪箱振動(dòng)分離信號(hào)ys，即ys=?F *y，分離窗函數(shù)wF中i取值不同得到不同行星輪的嚙合振動(dòng)分離信號(hào)Is ；
[0011](5)對(duì)分離信號(hào)ys做傅里葉變換，若嚙合頻率附近存在故障特征頻率邊頻帶，表明行星齒輪箱存在對(duì)應(yīng)類型故障。
[0012]本發(fā)明的核心是通過分離窗函數(shù)將某一行星輪運(yùn)動(dòng)到離傳感器最近位置附近的振動(dòng)信號(hào)提取出來，近似認(rèn)為提取出來的分離信號(hào)僅包含某一行星輪的嚙合振動(dòng)信號(hào)，然后通過觀察嚙合頻率附近是否存在故障特征邊頻帶，實(shí)現(xiàn)行星齒輪箱故障診斷。本發(fā)明的分離過程不依賴于工程中難于實(shí)現(xiàn)的時(shí)域平均技術(shù)并且僅利用工程中應(yīng)用成熟的頻譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了行星齒輪箱故障診斷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的流程圖。
[0014]圖2是分離窗函數(shù)圖形。
[0015]圖3 (a)是某一 行星輪裂紋故障狀況下，傳感器采集到的行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)，圖3 (b)是該振動(dòng)信號(hào)以行星架轉(zhuǎn)頻f。為基頻的階次譜圖。
[0016]圖4 (a)是分離出的裂紋故障行星輪的嚙合振動(dòng)信號(hào)，圖4 (b)是分離出的裂紋故障行星輪嚙合振動(dòng)信號(hào)以行星架轉(zhuǎn)頻f。為基頻的階次譜圖，圖4 (c)是分離出的其中一個(gè)正常行星輪的嚙合振動(dòng)信號(hào)，圖4 Cd)是分離出的其中一個(gè)正常行星輪的嚙合振動(dòng)信號(hào)以行星架轉(zhuǎn)頻f。為基頻的階次譜圖，圖4 Ce)是分離出的另一個(gè)正常行星輪的嚙合振動(dòng)信號(hào)，圖4 Cf)是分離出的另一個(gè)正常行星輪的嚙合振動(dòng)信號(hào)以行星架轉(zhuǎn)頻f。為基頻的階次譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)描述。
[0018]參照?qǐng)D1，不依賴于時(shí)域平均的行星齒輪箱信號(hào)分離和診斷方法，包括以下步驟:
[0019](I)選擇余弦升冪函數(shù)wF=a{l+cos[2 π fc(t_t，)]廣1作為分離窗函數(shù)，如圖2所示，其中a為常系數(shù)，fc為行星架轉(zhuǎn)頻，t’為時(shí)移，P為行星輪個(gè)數(shù)；
[0020](2)選擇嚙合頻率附近頻帶對(duì)傳感器采集到的行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，然后求取濾波信號(hào)包絡(luò)，找到包絡(luò)信號(hào)最大值對(duì)應(yīng)時(shí)刻T，該時(shí)刻為某一行星輪最接近傳感器位置時(shí)刻；
[0021](3)將T+if；/p作為時(shí)移t’帶入分離窗函數(shù)中,其中P為行星輪個(gè)數(shù),0≤i≤p-1且i為整數(shù)，i取不同的值對(duì)應(yīng)不同的行星輪最接近傳感器位置時(shí)刻；
[0022](4)將分離窗函數(shù)wF與傳感器采集到的行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)y相乘得到行星齒輪箱振動(dòng)分離信號(hào)ys，即ys=?F *y，分離窗函數(shù)wF中i取值不同得到不同行星輪的嚙合振動(dòng)分離信號(hào)Is ；
[0023](5)對(duì)分離信號(hào)ys做傅里葉變換，若嚙合頻率附近存在故障特征頻率邊頻帶，表明行星齒輪箱存在對(duì)應(yīng)類型故障。
[0024]為了驗(yàn)證本發(fā)明的有效性，將上述方法應(yīng)用在行星齒輪箱試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)數(shù)據(jù)的分析中。行星齒輪箱的結(jié)構(gòu)如下:行星齒輪箱有三個(gè)行星輪，其中一個(gè)行星輪存在裂紋故障，太陽輪軸為輸入軸，行星架為輸出軸。參數(shù)如下:太陽輪齒數(shù)為20，行星輪齒數(shù)為40，齒圈齒數(shù)為100，用反轉(zhuǎn)法計(jì)算行星齒輪箱減速比為6。運(yùn)轉(zhuǎn)工況如下:電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在輸出軸通過磁粉制動(dòng)器加載，輸入軸轉(zhuǎn)頻為35Hz，行星架輸出轉(zhuǎn)頻f。為5.83Hz,齒輪嚙合頻率為100倍的行星架轉(zhuǎn)頻，行星輪裂紋故障特征頻率為2.5倍的行星架轉(zhuǎn)頻。圖3 (a)為用安裝在行星齒輪箱箱體外的振動(dòng)加速度傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)，圖3 (b)為其階次譜圖，觀察嚙合頻率100階次附近的邊頻帶，97.5和102.5階次是一階行星輪裂紋故障特征邊頻帶，95和105階次是二階行星輪裂紋故障特征邊頻帶，這四個(gè)階次處對(duì)應(yīng)的幅值都相對(duì)較小。這是由于存在相位差的三個(gè)行星輪振動(dòng)信號(hào)相互疊加，故障邊頻帶處幅值矢量疊加，導(dǎo)致行星齒輪箱振動(dòng)階次譜中沒有出現(xiàn)故障特征頻率調(diào)制現(xiàn)象。綜上所述，在傳感器采集到的行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)中找不到行星輪裂紋故障信息，無法實(shí)現(xiàn)故障診斷的目的。
[0025]通過本發(fā)明可以將某一行星輪振動(dòng)信號(hào)從傳感器采集到的行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)中分離出來，避免三行星輪振動(dòng)信號(hào)之間的疊加作用，保留故障特征頻率調(diào)制信息。理論研究得到:某一裂紋故障行星輪的嚙合振動(dòng)信號(hào)階次譜中齒輪嚙合頻率應(yīng)該同時(shí)被行星架轉(zhuǎn)頻和行星輪裂紋故障特征頻率所調(diào)制，以及行星輪裂紋故障特征邊頻帶被行星架轉(zhuǎn)頻調(diào)制。圖4 (a)是分離出的裂紋故障行星輪的嚙合振動(dòng)信號(hào)，圖4 (b)是其階次譜。首先可以發(fā)現(xiàn)在圖4 (b)中行星輪裂紋故障特征頻率邊頻帶95、97.5、102.5和105階次處幅值較圖3 (b)中對(duì)應(yīng)階次處幅值大很多，分離信號(hào)與傳感器采集到行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)相比出現(xiàn)了明顯的故障特征頻率調(diào)制現(xiàn)象。并且發(fā)現(xiàn)95、97.5、102.5和105階次被行星架轉(zhuǎn)頻調(diào)制的現(xiàn)象，在這四個(gè)階次周圍出現(xiàn)了以行星架轉(zhuǎn)頻為間隔的邊頻帶。理論研究也得到:某一正常行星輪的嚙合振動(dòng)信號(hào)階次譜中齒輪嚙合頻率僅僅被行星架轉(zhuǎn)頻所調(diào)制。圖4 (c)和(e)為分離出的另外兩個(gè)正常行星輪的嚙合振動(dòng)信號(hào)，圖4 Cd)和(f)是它們的階次譜圖。在圖4 (d)和(f)中僅僅發(fā)現(xiàn)嚙合頻率100階次附近僅僅發(fā)現(xiàn)以行星架轉(zhuǎn)頻為間隔的邊頻帶。分離得到的某一正常行星輪振動(dòng)信號(hào)與分離得到的某一裂紋故障行星輪振動(dòng)信號(hào)階次譜分布差距較大，這也可以作為行星齒輪箱存在行星輪裂紋故障的診斷依據(jù)。從圖中觀察到的現(xiàn)象和理論研究相符，說明本發(fā)明可以有效的從傳感器采集到的行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)中分離出某一行星輪振動(dòng)信號(hào)。分離后的某一故障行星輪信號(hào)攜帶了行星齒輪箱故障信息，可以通過分離信號(hào)的階次譜清晰地診斷出行星齒輪箱故障類型。
[0026]通過以上傳感器采集到的行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)和某一行星輪振動(dòng)分離信號(hào)的階次譜對(duì)比，可以得到所發(fā)明的分離方法可以有效地分離出某一行星輪的振動(dòng)信號(hào)，消除多行星輪振動(dòng)信號(hào)間的疊加作用。分離信號(hào)與傳感器采集到的信號(hào)相比具有更明顯的故障特征頻率調(diào)制現(xiàn)象，有效地提取了行星齒輪箱的故障特征信息，說明本發(fā)明得到的分離信號(hào)可以更好地實(shí)現(xiàn)行星齒輪箱的故障診斷。同時(shí)本發(fā)明的分離過程不依賴于工程中難于實(shí)現(xiàn)的時(shí)域平均技術(shù)并且僅利用工程中應(yīng)用成熟的頻譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了行星齒輪箱故障診斷，在工程應(yīng)用中更容易實(shí)現(xiàn)。
[0027]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】?jī)H限于此，對(duì)于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.不依賴于時(shí)域平均的行星齒輪箱信號(hào)分離和診斷方法，其特征在于，包括以下步驟: (O選擇余弦升冪函數(shù)wF=a{l+cos[2 31 f。(t_t’)] }P-1作為分離窗函數(shù),其中a為常系數(shù)，fc為行星架轉(zhuǎn)頻，t’為時(shí)移，P為行星輪個(gè)數(shù)； (2)選擇嚙合頻率附近頻帶對(duì)傳感器采集到的行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，然后求取濾波信號(hào)包絡(luò)，找到包絡(luò)信號(hào)最大值對(duì)應(yīng)時(shí)刻T，該時(shí)刻為某一行星輪最接近傳感器位置時(shí)刻； (3)將T+if；/p作為時(shí)移t’帶入分離窗函數(shù)中，其中P為行星輪個(gè)數(shù)，O≤i≤p-1且i為整數(shù)，i取不同的值對(duì) 應(yīng)不同的行星輪最接近傳感器位置時(shí)刻； (4)將分離窗函數(shù)Wf與傳感器采集到的行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)y相乘得到行星齒輪箱振動(dòng)分離信號(hào)ys，即ys=?F *y，分離窗函數(shù)wF中i取值不同得到不同行星輪的嚙合振動(dòng)分離信號(hào)Is ； (5)對(duì)分離信號(hào)ys做傅里葉變換，若嚙合頻率附近存在故障特征頻率邊頻帶，表明行星齒輪箱存在對(duì)應(yīng)類型故障。
【文檔編號(hào)】G01M13/02GK103940607SQ201410136072
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】雷亞國, 王思哲, 劉宗堯, 盧帆勃, 林京 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)