基于編碼器多位轉(zhuǎn)角信號的齒輪故障檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)械設(shè)備狀態(tài)檢測與監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種利用編碼器多位轉(zhuǎn) 角信號對傳動系統(tǒng)中齒輪運(yùn)行故障進(jìn)行檢測的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 齒輪箱系統(tǒng)作為機(jī)械設(shè)備中最普遍、最重要的部件之一，其運(yùn)行狀態(tài)將對整個設(shè) 備的使用性能起到?jīng)Q定性的作用。對齒輪箱系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的識別，是保障機(jī)械設(shè)備 安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、高速運(yùn)載工具中、大型礦山機(jī)械等設(shè)備中表現(xiàn)的極其重 要。發(fā)現(xiàn)齒輪箱系統(tǒng)的早期故障能夠有效地提高機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行能力。在目前常用的檢測 診斷方法中，基于振動信號分析的齒輪箱系統(tǒng)故障特征方法被廣泛應(yīng)用在設(shè)備故障檢測與 監(jiān)測中，主要是對振動信號從時域、頻域分析中來判斷運(yùn)行狀態(tài)并識別故障。但振動信號屬 于間接信號，對運(yùn)行軸的運(yùn)行信息難W準(zhǔn)確反映，并且需要專業(yè)知識的人員進(jìn)行分析操作。 而作為診斷流程中的重要環(huán)節(jié)，合理有效的檢測信息能夠準(zhǔn)確反映機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)， 結(jié)合相關(guān)的處理方法將會進(jìn)一步提高對設(shè)備零部件的運(yùn)行狀態(tài)識別能力。目前基于振動分 析的齒輪箱系統(tǒng)狀態(tài)分析方法計算復(fù)雜，識別故障準(zhǔn)確率低。開發(fā)一些新的信息獲取方法， 依然是一個迫切需要解決的問題。
[0003] 現(xiàn)有的基于振動信息采集分析方法存在W下不足：振動信號的信噪比低，故障的 識別率低；振動信號中包含的運(yùn)行軸信息量少，且需要現(xiàn)場安裝傳感器；正常和故障狀態(tài) 齒輪箱系統(tǒng)的振動頻譜中，往往既有調(diào)幅也有調(diào)頻成分，頻率成分復(fù)雜，限制了診斷分析。

【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)明提供了一種基于編碼器多位轉(zhuǎn)角信號的齒 輪故障檢測方法，運(yùn)種方法具有快速、準(zhǔn)確識別運(yùn)行故障的特點(diǎn)。高的識別率能夠改善目前 對齒輪運(yùn)行故障的判別能力。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0006] 基于編碼器多位轉(zhuǎn)角信號的齒輪故障檢測方法，包括W下步驟：
[0007] 1)安裝軸角編碼器來提取齒輪箱系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信號，安裝方式分為兩種，一是 在齒輪箱的輸入軸和輸出軸分別安裝編碼器，稱之為雙軸編碼器信息獲取方式；二是僅在 齒輪箱的輸出軸安裝編碼器，稱之為輸出單軸編碼器信息獲取方式；
[0008] 2)通過編碼器采集齒輪箱系統(tǒng)軸角編碼器轉(zhuǎn)角信號(η)，η為采樣點(diǎn)數(shù)，i為信 號編號，轉(zhuǎn)角信號實(shí)時辨識齒輪箱系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并提供其動態(tài)運(yùn)行特征參數(shù)；
[0009] 3)對轉(zhuǎn)角信號(η)進(jìn)行預(yù)處理，即將采集的信號進(jìn)行去均值處理：
[0010]
(1)
[0011] 式中單(η)為預(yù)處理后的信號；(η)為原始信號；巧(崎i為原始信號均值；
[0012] 4)尋找轉(zhuǎn)角信號中方波周期的參考點(diǎn)，首先在預(yù)處理后的編碼器轉(zhuǎn)角信號Xi(η) 中尋找過零點(diǎn)，即滿足式（2)條件的點(diǎn)，然后將滿足條件的Xi(η)或者Xi(n+1)點(diǎn)設(shè)為方波 周期計算的參考點(diǎn)化(η)，η為參考點(diǎn)的個數(shù)，i為信號的編號，
[0013]Xi(n)*Xi(n+l) < 0,η= 1，2，…，N;似
[0014] 式中：Xi(η)為預(yù)處理后的信號，η代表預(yù)處理后的信號點(diǎn)數(shù)；
[0015] 5)統(tǒng)計信號中的每個方波周期時序長度，每個方波的周期Τ包括了 3個參考點(diǎn)， 分別取〇ι(η)，η= 1，3,5···，Ν-1為每個方波的起點(diǎn)，取〇ι(η)，η= 3,5,7···，Ν為方波的終 點(diǎn)，從起點(diǎn)到終點(diǎn)為一個方波信號；
[0016] 6)根據(jù)每個方波的周期數(shù)重構(gòu)周期波動時間序列，統(tǒng)計預(yù)處理后的編碼器轉(zhuǎn)角信 號Xi(η)中所有方波周期信號中的點(diǎn)數(shù)時序：
[0017]Si(n) = 〇i(n+l)-〇i(n)，η= 1，3,5，…，Ν-1;做 [001引式中：Si(η)為周期波動信號；01(η)為計算參考點(diǎn)，
[0019] 在式（3)中將一個方波信號的終止點(diǎn)序數(shù)減去其起始點(diǎn)序數(shù)，得到該方波信號的 采樣點(diǎn)數(shù)，故方波周期時序Si(η)代表了信號中方波周期的變化；
[0020]7)計算周期變化時間序列信號的頻譜S(η)，其中，周期變化時間序列的采樣頻率 fr為
[0021]
(4)
[0022]式中：f,為采樣頻率；N為原始數(shù)據(jù)長度；Nf為重構(gòu)周期波動時序長度，
[0023]
(;5)
[0024] 式中：S化）為周期時序的頻譜；S(η)為周期波動信號，
[0025] 8)根據(jù)輸入軸轉(zhuǎn)速W及齒輪箱的結(jié)構(gòu)計算故障齒輪的特征頻率成分，當(dāng)在頻譜 S(n)存在故障特征分量及其高次諧波時，則視為齒輪箱發(fā)生了斷齒故障。
[0026] 本發(fā)明的有益效果是：
[0027] 1、作為一種常用的工業(yè)轉(zhuǎn)速測量裝置，軸角編碼器具有體積小、分辨度高、無接觸 測量、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，而在多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場軸角編碼器可W作為一種基礎(chǔ)檢測器件，可W直 接利于進(jìn)行齒輪箱系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的識別。
[0028] 2、相比傳統(tǒng)測量的振動信號，軸角編碼器輸出的脈沖信號可W有效避免無關(guān)噪聲 信號影響故障識別，提高故障識別率。
[0029] 3、編碼器輸出的轉(zhuǎn)速信號可W提供不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速、扭矩等齒輪箱動態(tài)特征參 數(shù)，更加易于應(yīng)用到工程實(shí)際當(dāng)中。
[0030] 4、編碼器信息可W通過總線形式進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的振動信號采集方 式更加利于組成龐大的故障狀態(tài)監(jiān)測平臺。
【附圖說明】
[0031] 圖1是實(shí)例測試齒輪箱及傳感器安裝示意圖。
[0032] 圖2是齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
[003引圖3是100化pm轉(zhuǎn)速下輸出軸編碼器時域波形（斷齒故障狀態(tài)下）。
[0034]圖4是輸出軸編碼器信號的重構(gòu)時序波形。
[0035] 圖5是輸出軸編碼器信號重構(gòu)后的時序波形頻譜（正常狀態(tài)下）。
[0036] 圖6是輸出軸編碼器信號重構(gòu)后的時序波形頻譜（斷齒故障狀態(tài)下）。 具體實(shí)施方案
[0037] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細(xì)說明：
[0038] 參照圖1，一種基于編碼器多位轉(zhuǎn)角信號的齒輪斷齒故障識別方法，包括W下步 驟：
[0039] 1)安裝軸角編碼器來提取齒輪箱系統(tǒng)e的運(yùn)行狀態(tài)信號，安裝方式分為兩種，一 是在齒輪箱的輸入軸a和輸出軸b分別安裝編碼器c、d，稱之為雙軸編碼器信息獲取方式； 二是僅在齒輪箱的輸出軸b安裝編碼器d，稱之為輸出單軸編碼器信息獲取方式；
[0040] 2)通過編碼器采集齒輪箱系統(tǒng)（包括直齒齒輪箱、斜齒齒輪箱、行星輪減速機(jī)等 傳動系統(tǒng)）軸角編碼器轉(zhuǎn)角信號(η)，η為采樣點(diǎn)數(shù)，i為信號編號，其中轉(zhuǎn)角信號實(shí)時辨 識齒輪箱系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并提供其動態(tài)運(yùn)行特征參數(shù)，是判別運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)；
[0041] 3)由于軸角位置信號受編碼器安裝位置軸向波動的影響，對轉(zhuǎn)角信號(η)進(jìn)行 預(yù)處理，即進(jìn)行去均值處理：
[0042]
( 1 )
[004引式中：Xi(η)為預(yù)處理后的信號；(η)為原始信號；:為原始信號均值；
[0044] 4)尋找轉(zhuǎn)角信號中方波周期的參考點(diǎn)，首先在預(yù)處理后的編碼器轉(zhuǎn)角信號X