本發(fā)明涉及基于功率流有限元法的風(fēng)電齒輪箱故障振動信號的傳遞路徑確定方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)電齒輪箱作為目前風(fēng)電設(shè)備的關(guān)鍵部件，運行環(huán)境極其惡劣，一旦發(fā)生故障，維修非常困難。對風(fēng)電齒輪箱進行有效的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，在其發(fā)生嚴重故障之前進行維護，對提高風(fēng)電設(shè)備的可靠性具有重要意義。但是由于風(fēng)電齒輪箱的傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且故障振動信號傳遞路徑的數(shù)量多并且是時變的，這為風(fēng)電齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷帶來極大挑戰(zhàn)。另一方面，由于耗散和干擾效應(yīng)，故障振動信號在傳遞過程中可能會大幅衰減，隱藏在復(fù)雜振動信號中的故障信號的特征也隨之減弱。因此，對故障振動信號傳遞路徑的研究有助于提高風(fēng)電齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的準確率，具有非常重要的工程意義。

傳統(tǒng)的傳遞路徑分析方法通常需測試傳遞函數(shù)和識別載荷，這就需要采集大量的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)方法通常要求所分析的各條傳遞路徑是非時變的并且彼此之間相互獨立，同時要求被測設(shè)備內(nèi)部易于安裝傳感器進行測試。而風(fēng)電齒輪箱的結(jié)構(gòu)中多含有行星齒輪傳動機構(gòu)，具有齒輪嚙合易引起振動疊加，振動信號傳遞路徑數(shù)量多且是時變的等特點。此外其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不適于安裝傳感器，因此傳統(tǒng)的路徑分析方法在風(fēng)電齒輪箱的故障振動信號傳遞路徑分析方面適用性不足。基于能量的傳遞路徑研究方法把復(fù)雜的矢量運算轉(zhuǎn)化為相對簡單的標量加減，給出了振動能量傳遞的一個絕對度量，揭示能量傳遞的變化和衰減規(guī)律。但目前的研究僅通過比較某一特定界面的功率流來辨識主要傳遞路徑，缺少各條路徑對目標點的振動能量貢獻量的研究，因此無法通過對比貢獻量的高低確定出故障振動信號的主要傳遞路徑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有方法無法有效從風(fēng)電齒輪箱故障振動信號的多條傳遞路徑中確定出主要傳遞路徑的問題，而提出的一種基于功率流有限元法的風(fēng)電齒輪箱故障振動信號的傳遞路徑確定方法。

一種基于功率流有限元法的風(fēng)電齒輪箱故障振動信號的傳遞路徑確定方法按以下步驟實現(xiàn)：

步驟一：根據(jù)風(fēng)電齒輪箱故障沖擊的特點，確定傳感器的安裝位置；

步驟二：根據(jù)傳感器的安裝位置以及故障類型，確定風(fēng)電齒輪箱故障振動信號的傳遞路徑；

步驟三：根據(jù)步驟二確定的風(fēng)電齒輪箱故障振動信號的傳遞路徑，得到基于功率流的故障振動信號傳遞路徑貢獻量的計算公式；

步驟四：建立風(fēng)電齒輪箱的有限元模型，利用有限元法計算各條傳遞路徑的貢獻量；

步驟五：對傳遞路徑的貢獻量排序，確定風(fēng)電齒輪箱故障振動信號的主要傳遞路徑。

發(fā)明效果：

本發(fā)明的目的是提供一種基于功率流有限元法的風(fēng)電齒輪箱故障振動信號的傳遞路徑分析方法，針對傳統(tǒng)傳遞路徑分析方法在風(fēng)電齒輪箱故障振動信號的傳遞路徑數(shù)量多且是時變的，以及齒輪內(nèi)部不易安裝傳感器等方面適用性不足的缺點，基于功率流有限元法計算故障振動信號傳遞路徑貢獻量，有效確定故障振動信號的主要傳遞路徑。與傳統(tǒng)的傳遞路徑分析方法相比，本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明針對風(fēng)電齒輪箱故障振動信號傳遞路徑的特征，使具有相同能量傳遞路徑的故障振動信號傳遞路徑具有相等的被動子系統(tǒng)能量保持因子，符合故障振動信號的實際傳遞過程并且減少了計算過程中的運算量。

2、本發(fā)明針對傳統(tǒng)傳遞路徑分析方法在風(fēng)電齒輪箱故障振動信號傳遞路徑數(shù)量多且是時變的，以及設(shè)備內(nèi)部不易安裝傳感器等方面適用性不足的缺點，從對各條路徑對目標點的振動能量貢獻量的分析出發(fā)，建立基于功率流的風(fēng)電齒輪箱故障振動信號各條傳遞路徑貢獻量的計算公式，提高傳遞路徑分析方法在風(fēng)電齒輪箱故障振動信號的傳遞路徑分析方面的適用性。

3、本發(fā)明采用有限元法對風(fēng)電齒輪箱進行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，得到目標點和耦合點的功率流以及各傳遞路徑的時變與非時變能量保持因子，較傳統(tǒng)方法更加準確有效。

4、本發(fā)明針對現(xiàn)有方法僅通過比較某一特定界面的功率流來辨識主要傳遞路徑的不足，對各個共振帶頻率下的各條傳遞路徑的貢獻量進行求和獲得總貢獻量，并對其排序，準確高效的得到風(fēng)電齒輪箱故障振動信號的主要傳遞路徑。

附圖說明

圖1為基于功率流有限元法的風(fēng)電齒輪箱故障振動信號的傳遞路徑分析方法的流程示意圖；

圖2為行星輪故障振動信號的6條傳遞路徑圖；

圖3為行星架軸承故障振動信號的2條傳遞路徑圖；

圖4為不同輪齒位置的行星輪故障振動信號的時變能量保持因子變化曲線圖；

圖5為不同輪齒位置的行星架軸承故障振動信號的時變能量保持因子變化曲線圖；

圖6為輪齒編號為9的行星輪故障振動信號傳遞路徑貢獻量的變化曲線圖；

圖7為輪齒編號為27的行星輪故障振動信號傳遞路徑貢獻量的變化曲線圖；

圖8為輪齒編號為1的行星架軸承故障振動信號傳遞路徑貢獻量的變化曲線圖；

圖9為輪齒編號為10的行星架軸承故障振動信號傳遞路徑貢獻量的變化曲線圖。

具體實施方式

具體實施方式一：如圖1所示，一種基于功率流有限元法的風(fēng)電齒輪箱故障振動信號的傳遞路徑確定方法包括以下步驟：

步驟一：根據(jù)風(fēng)電齒輪箱故障沖擊的特點，確定傳感器的安裝位置；

步驟二：根據(jù)傳感器的安裝位置以及故障類型，確定風(fēng)電齒輪箱故障振動信號的傳遞路徑；

步驟三：根據(jù)步驟二確定的風(fēng)電齒輪箱故障振動信號的傳遞路徑，得到基于功率流的故障振動信號傳遞路徑貢獻量的計算公式；

步驟四：建立風(fēng)電齒輪箱的有限元模型，利用有限元法計算各條傳遞路徑的貢獻量；

步驟五：對傳遞路徑的貢獻量排序，確定風(fēng)電齒輪箱故障振動信號的主要傳遞路徑。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：所述步驟二中確定風(fēng)電齒輪箱故障振動信號的傳遞路徑的具體過程為：

步驟二一：分析行星齒輪的局部剝落故障，確定故障振動信號的非時變傳遞路徑；

步驟二二：分析行星齒輪的局部剝落故障，確定故障振動信號的時變傳遞路徑；

步驟二三：分析行星架軸承的外圈局部剝落故障，確定故障振動信號的非時變傳遞路徑；

步驟二四：分析行星架軸承的外圈局部剝落故障，確定故障振動信號的時變傳遞路徑。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是：所述步驟三中得到基于功率流的故障振動信號傳遞路徑貢獻量的計算公式的具體過程為：

步驟三一：選擇各條傳遞路徑的耦合點，得到風(fēng)電齒輪箱系統(tǒng)能量傳遞圖以及被動子系統(tǒng)能量傳遞圖；

步驟三二：根據(jù)步驟三一得到的風(fēng)電齒輪箱系統(tǒng)能量傳遞圖以及被動子系統(tǒng)能量傳遞圖，尋找具有相同能量傳遞路徑的故障振動信號傳遞路徑；

步驟三三：獲取工作狀態(tài)下激勵源于被動子系統(tǒng)耦合點處的功率流和各條傳遞路徑的能量保持因子；

步驟三四：得到第i條傳遞路徑的貢獻量百分比為：

式中C_i是第i條傳遞路徑的貢獻量百分比，是被動子系統(tǒng)側(cè)第i條傳遞路徑的能量保持因子，P_i^A(ω)是第i條傳遞路徑耦合點處的功率流。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是：所述步驟三三中獲取工作狀態(tài)下激勵源于被動子系統(tǒng)耦合點處的功率流和各條傳遞路徑的能量保持因子的具體過程為：

為獲得能量保持因子，需移除實際激勵源，同時依次在被動子系統(tǒng)耦合點處施加激勵，同時測量目標點的功率流，目標點功率流與耦合點功率流的比值即為能量保持因子。

步驟三三一：在被動子系統(tǒng)距離目標點5cm內(nèi)的位置選定m個指示點，在每個耦合點5cm內(nèi)的位置選定1個監(jiān)測點；在工作狀態(tài)下，通過傳感器或仿真獲得各個指示點的功率流，并組成m維功率流列向量

步驟三三二：移除實際激勵源，在被動子系統(tǒng)耦合點處依次施加激勵，并通過傳感器或仿真獲得各個監(jiān)測點和指示點的功率流；當在第i個路徑的耦合點處施加激勵時，第i個路徑的監(jiān)測點功率流為p_i(ω)，目標點處第j個指示點的功率流為p_ji(ω)，則為從第i個監(jiān)測點到第j個指示點的能量保持因子，所有m×n個能量保持因子組成m×n維能量保持因子矩陣δ^B(ω)；

步驟三三三：記為對應(yīng)于工作狀態(tài)下耦合點處n維功率流列向量，則：

δ^B(ω)·P^A(ω)＝P^B(ω) (2)

即

對δ^B(ω)取廣義逆δ^B(ω)^-1可得：

P^A(ω)＝δ^B(ω)^-1·P^B(ω) (4)

即

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至三之一相同。

具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是：所述步驟四中建立有限元模型，利用有限元法計算各條傳遞路徑的貢獻量的具體過程為：

步驟四一：針對風(fēng)電齒輪箱的特點以及分析需要，去除不需要的特征，建立簡化的風(fēng)電齒輪箱有限元模型；

步驟四二：對風(fēng)電齒輪箱進行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析；

步驟四三：利用有限元仿真結(jié)果計算得到各個指示點和監(jiān)測點處的功率流，以及故障振動信號的非時變和時變傳遞路徑能量保持因子；

步驟四四：根據(jù)各指示點和監(jiān)測點處的功率流以及各傳遞路徑的能量保持因子，計算風(fēng)電齒輪箱故障振動信號各條傳遞路徑的貢獻量；

步驟四五：對共振帶頻率下的各條傳遞路徑貢獻量進行求和，獲得各條路徑的總貢獻量。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至四之一相同。

實施例一：

本實施例一種基于功率流有限元法的風(fēng)電齒輪箱故障振動信號的傳遞路徑確定方法具體是按照以下步驟制備的：

風(fēng)電齒輪箱一般由一級行星齒輪加兩級定平行軸齒輪傳動機構(gòu)組成，其中行星齒輪傳動部分是風(fēng)電齒輪箱的核心部分，主要部件有行星輪、太陽輪，行星架和內(nèi)齒圈。根據(jù)風(fēng)電齒輪箱的獨特結(jié)構(gòu)，行星齒輪局部剝落故障和行星架軸承外圈故障所產(chǎn)生的沖擊力均主要處于徑向平面內(nèi)，所以在行星齒輪傳動部分的上方設(shè)置傳感器測點。

針對行星齒輪的局部剝落故障，故障源到傳感器共有6條振動傳遞路徑，如圖2所示。圖中傳遞路徑1、2和3是故障位于行星輪與太陽輪嚙合點時形成的，傳遞路徑4、5和6是故障位于行星輪與內(nèi)齒圈嚙合點時形成的。其中傳遞路徑1、3、4和6是非時變路徑，傳遞路徑2和5是時變路徑。

針對行星架軸承的外圈局部故障，故障源到傳感器共有2條振動傳遞路徑，如圖3所示。圖中，傳遞路徑1是非時變路徑，傳遞路徑2是時變路徑。

針對行星齒輪的局部剝落故障，各條路徑的耦合點選擇如下：路徑1選擇耦合點在太陽輪上，路徑2選擇耦合點為行星輪與內(nèi)齒圈的嚙合點，路徑3選擇耦合點在行星架與行星架軸承之間，路徑4選擇耦合點為行星輪與太陽輪的嚙合點，路徑5選擇耦合點在內(nèi)齒圈上，路徑6選擇耦合點在行星架與行星架軸承之間。

由于路徑2的故障振動信號和路徑5的故障振動信號都會通過內(nèi)齒圈的每一個輪齒傳遞到傳感器，所以路徑2與路徑5具有相同的被動子系統(tǒng)能量保持因子。同理，路徑1與路徑4、路徑3與路徑6也具有相同的被動子系統(tǒng)能量保持因子。對內(nèi)齒圈輪齒進行編號，以上方正對傳感器的輪齒為編號1，同時考慮到內(nèi)齒圈關(guān)于傳感器的對稱性，只對一半內(nèi)齒圈編號。以變量n表示內(nèi)齒圈輪齒編號，在每個耦合點附近設(shè)置1個監(jiān)測點，在目標點附近設(shè)置3個指示點，根據(jù)式(3)可得：

根據(jù)式(1)可得6條傳遞路徑的貢獻量百分比，如式(7)所示：

針對行星齒輪的局部剝落故障，2條路徑的耦合點選擇如下：2條路徑的耦合點選擇如下：路徑1選擇耦合點在行星架軸承外圈與箱體之間，路徑2選擇耦合點在行星架軸承與行星架之間。

由于3個行星輪將圓周3等分，所以只需對三分之一個內(nèi)齒圈編號。在每個耦合點附近設(shè)置1個監(jiān)測點，在目標點附近設(shè)置2個指示點，根據(jù)式(3)可得：

式(8)中為了區(qū)別于行星輪故障信號傳遞路徑的能量保持因子δ，使用符號η表示行星架軸承故障信號傳遞路徑的能量保持因子，則2條傳遞路徑的貢獻量百分比為：

由于風(fēng)電齒輪箱模型中螺栓，螺母以及倒角對所關(guān)注的分析區(qū)域無關(guān)，所以將其去除，建立簡化的風(fēng)電齒輪箱有限元模型。對風(fēng)電齒輪箱進行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。根據(jù)仿真結(jié)果計算得到耦合點和目標點的功率流，以及時變與非時變傳遞路徑能量保持因子。

對某一輪齒編號下的不同頻率的能量保持因子求和，值的大小反映時變傳遞路徑的傳遞能力的大小，如圖4和圖5。對于行星輪故障信號傳遞路徑的能量保持因子，當輪齒編號為9和27時分別取得最大值和最小值；對于行星架軸承故障信號傳遞路徑的能量保持因子，當輪齒編號為10和1時分別取得最大值和最小值。

根據(jù)式(7)和式(9)分別計算出行星輪故障信號和行星架軸承故障信號傳遞路徑的貢獻量，分別如圖6—圖9所示。對三個共振帶頻率(550Hz～600Hz、1450Hz～1650Hz和2200Hz～2850Hz)下的各條傳遞路徑的貢獻量進行求和，獲得總貢獻量。對于行星輪故障信號，當n＝9時，路徑1至路徑6的總貢獻量分別為2.97、2.33、14.08、0.26、0.23和1.14；當n＝27時，路徑1至路徑6的總貢獻量分別為2.22、3.38、13.39、0.10、0.16和1.75。對于行星架軸承故障信號，當n＝1時，路徑1的總貢獻量為12.97，路徑2的總貢獻量為8.03；當n＝10時，路徑1的總貢獻量為14.25，路徑2的總貢獻量為6.75。各條傳遞路徑的貢獻量排序如表1所示，對于行星輪故障信號，路徑3是主要傳遞路徑；對于行星架軸承故障信號，路徑1是主要傳遞路徑。從實驗結(jié)果可知，本發(fā)明可以針對風(fēng)電齒輪箱故障振動信號傳遞路徑具有時變的特點，基于功率流有限元法計算得到各條傳遞路徑的貢獻量，通過對貢獻量的排序準確有效確定出風(fēng)電齒輪箱故障振動信號的主要傳遞路徑。

表1為各傳遞路徑的總貢獻量排序表