一種風(fēng)電齒輪箱故障診斷方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種風(fēng)電齒輪箱故障診斷方法。齒輪箱存在故障時(shí)其振動(dòng)信號(hào)具有兩個(gè)特點(diǎn)：1、故障信號(hào)比較微弱，容易被其他的信號(hào)所淹沒。2、故障信號(hào)會(huì)因?yàn)楣收蠜_擊產(chǎn)生調(diào)制現(xiàn)象。本發(fā)明分別應(yīng)用二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(BEMD)和希爾伯特平方解調(diào)技術(shù)解決以上兩個(gè)問題。首先應(yīng)用BEMD分解將原始復(fù)值振動(dòng)信號(hào)分解為一系列的復(fù)值本征模態(tài)函數(shù)IMF，能準(zhǔn)確的檢測(cè)出復(fù)值信號(hào)的相位信息；然后篩選出峭度值最大的IMF分量IMFc，通常對(duì)應(yīng)的就是故障特征分量；而后利用希爾伯特平方解調(diào)對(duì)IMFc的進(jìn)行解調(diào)，對(duì)解調(diào)后的信號(hào)的實(shí)部與虛部分別做頻譜分析；最后將頻譜分析結(jié)果與齒輪箱各回轉(zhuǎn)部件的回轉(zhuǎn)頻率對(duì)比，確定故障位置。
【專利說明】
一種風(fēng)電齒輪箱故障診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種風(fēng)電齒輪箱故障診斷方法，尤其涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱故障 診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 面對(duì)嚴(yán)峻的能源安全問題，以風(fēng)力發(fā)電為代表的可再生能源得到飛速的發(fā)展。風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組大多安裝在戈壁灘、海島、高山等風(fēng)口處，自然條件惡劣，承受的是無規(guī)律變向 風(fēng)力作用及強(qiáng)陣風(fēng)沖擊的變載荷，所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一個(gè)復(fù)雜、多變量、非線性的不確定 系統(tǒng)，機(jī)組故障時(shí)有發(fā)生。故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，風(fēng)電系統(tǒng)的故障12%來自齒輪箱的失效，另 外，風(fēng)電機(jī)組的安裝位置交通不便，而齒輪箱多安裝在距離地面幾十米高的機(jī)艙內(nèi)，空間狹 小，如果沒有及時(shí)檢測(cè)到故障，很容易導(dǎo)致風(fēng)電齒輪箱的損壞，維修十分困難，往往需要下 塔處理，吊裝維修費(fèi)用高，并且會(huì)嚴(yán)重影響風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益，因此，風(fēng)電齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè) 和故障診斷在這種情況下具有重要的意義。
[0003] 隨著我國(guó)大批風(fēng)電機(jī)組的安裝運(yùn)行，風(fēng)電齒輪箱的監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)也得到了空前 的發(fā)展，但存在的主要問題是:監(jiān)測(cè)對(duì)象單一，多數(shù)為一種狀態(tài)量的監(jiān)測(cè)；分析診斷功能不 夠完善，缺乏有效的故障診斷能力;不適用于批量生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)安裝。
[0004]現(xiàn)代風(fēng)電齒輪箱傳遞功率大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障信號(hào)為非平穩(wěn)瞬態(tài)信號(hào)，并且故障 特征量容易被齒輪的嚙合信號(hào)及其他的噪音所淹沒。此外，當(dāng)齒輪箱存在故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)出沖 擊振動(dòng)，引起信號(hào)的調(diào)幅調(diào)制現(xiàn)象，對(duì)振動(dòng)信號(hào)直接進(jìn)行頻譜分析時(shí)，頻譜圖上一般都會(huì)出 現(xiàn)調(diào)制載波頻率而沒有相應(yīng)的故障頻率，因此無法提取到故障信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種風(fēng)電齒輪箱故障診斷方法，其 目的在于快速、準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪箱故障地監(jiān)測(cè)。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種風(fēng)電齒輪箱故障診斷方法，所述方法包括 以下步驟：
[0007] SI:通過振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，將采集到的振動(dòng) 信號(hào)構(gòu)造成復(fù)值信號(hào)s(t);
[0008] S2:利用BEMD對(duì)步驟SI中構(gòu)造的復(fù)值信號(hào)s(t)進(jìn)行分解，得到一系列的復(fù)值固有 模態(tài)函數(shù)頂Fs，這些頂Fs能準(zhǔn)確的反應(yīng)出復(fù)值信號(hào)的相位信息；
[0009] S3:計(jì)算上述各頂F的峭度值，并選出峭度值最大的頂F分量頂Fe;
[0010] S4:利用希爾伯特平方解調(diào)對(duì)頂F。進(jìn)行解調(diào)；
[0011] S5:對(duì)解調(diào)后的信號(hào)的實(shí)部與虛部分別做頻譜分析，比較驗(yàn)證頻率成分是否相同。 將頻譜分析結(jié)果與齒輪箱各回轉(zhuǎn)部件的回轉(zhuǎn)頻率對(duì)比，確定故障位置。
[0012] 進(jìn)一步地，所述步驟Sl中的振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)包括三相壓電加速度傳感器、信號(hào) 采集卡和控制器機(jī)箱，信號(hào)采集卡與傳感器采用導(dǎo)線相連，信號(hào)采集卡通過插拔接口插接 在控制器機(jī)箱上。三相壓電式加速度傳感器布置在箱體外殼、輸出軸的前側(cè)軸承、輸入軸的 前側(cè)軸承和后側(cè)軸承上。將壓電式加速傳感器安裝在這些位置或其它重要位置上，方便檢 測(cè)出重要部位是否存在故障。
[0013] 進(jìn)一步地，所述步驟S2中的所述的BEMD方法包括以下步驟：
[0014] S21:選取信號(hào)投影方向的數(shù)目N，并計(jì)算投影方向：
[0015]
(1)
[0016] S22:計(jì)算步驟Sl中得到的復(fù)制信號(hào)s(t)投影到方向和上的值：
[0017]
(2)
[0018] S23:找出(〇的局部極大值和極小值點(diǎn)，記錄下位置和數(shù)值:{(f/", Pf ) h
[0019] S24:通過三次樣條差值擬合方法對(duì)步驟S23中得到的{(if，i^) }進(jìn)行插值得到包 絡(luò)曲線~,.(〇;
[0020] S25:重復(fù)步驟S22-S24,直到獲得所有投影方向上的包絡(luò)曲線；
[0021 ] S26:計(jì)算步驟S25中得到的所有包絡(luò)線的均值：
[0022]
(3)
[0023] S27:從原始信號(hào)s(t)中減去包絡(luò)線均值瓦得到分量81(七）：
[0024]
(4)
[0025] S28:檢測(cè)gl(t)是否滿足固有模態(tài)函數(shù)的篩選停止條件，如果不滿足，將gl(t)替換 成新的原始信號(hào)s(t)，并返回步驟S22;否則，將分量 81(1)作為第一個(gè)固有模態(tài)函數(shù)分量(^ (t)，用原始信號(hào)s(t)減去第一個(gè)固有模態(tài)函數(shù)分量(^(〇獲得殘余量n(t):
[0026] ci(t) = g(t)，ri(t) = s(t)_ci(t) (5)
[0027] S29:判斷殘余量n(t)是否為單調(diào)函數(shù)，若是，則進(jìn)入步驟S210;若否，則將n(t)作 為新的原始信號(hào)并的返回步驟S22;
[0028] S210:重復(fù)步驟S22-S29直至獲得所有的固有模態(tài)函數(shù)和一個(gè)最終的參與量^ (t);最終參與量rn(t)為振動(dòng)信號(hào)s(t)的平均趨勢(shì);振動(dòng)信號(hào)s(t)可以表示為：
[0029]
(6)
[0030]進(jìn)一步地，所述步驟S4中利用希爾伯特平方解調(diào)對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理具體過 程為：
[0031] 調(diào)制信號(hào)具有式(7)所示的形式：
[0032] c(t)=f(t)s(t) (7)
[0033] 其中，f(t)為故障產(chǎn)生的低頻沖擊信號(hào)，s(t)為運(yùn)行中正常的高頻振動(dòng)信號(hào)；
[0034] 構(gòu)造函數(shù)X(t)和Y(t)如式(8)、（9)所示：
[0035] X(t)=Re2(c(t))+H2[Re(c(t))] (8)
[0036] Y(t)=Im2(c(t))+H2[Im(c(t))] (9)
[0037] 其中Re表示取復(fù)值信號(hào)的實(shí)部，Im表示取復(fù)制信號(hào)的虛部;H[ ·]是對(duì)信號(hào)進(jìn)行希 爾伯特變換；
[0038] 根據(jù) Bedrosian 定理：
[0039] H(Re(c(t)))=H[Re(f(t)s(t))]=Re(f(t))H[Re(s(t))] (10)
[0040] H[Im(c(t))]=H[Im(f(t)s(t))] = Im(f(t))H[Im(s(t))] (11)
[0041] 將式(10)、（11)分別帶入式(8)、（9)可得：
[0042] X(t)=Re2(f(t)){Re2(s(t))+H2[Re(s(t))]} (12)
[0043] Y(t) = Im2(f(t)){Im2(s(t))+H2[Im(s(t))]} (13)
[0044] 令r(t)=s2(t)+H2[(t)]，高頻振動(dòng)信號(hào)s(t)的結(jié)構(gòu)如式（14)、（15)所示：
[0045] Re(s(t)) =aicos(2jrfit) (14)
[0046] Im(s(t)) =a2C〇s(2jrf2t) (15)
[0047] 則s(t)的希爾伯特變換為：
[0048] H[Re(s(t)) ] =aisin(2jrfit) (16)
[0049] H[ Im(s(t)) ] =a2sin(2jrf2t) (17)
[0050] 則可得r(t):
[0051 ] /i (t) = a'( cos-(2^i/) + Uf sin ?-{2τ?[\?) = a'f (18)
[0052] r2(t) = a'j cos2(2/i/2〇 + 〇l Sxn1(ITrfit) ~ aj (19)
[0053] 將式（18)、（19)分別帶入式（12)、（13)可得：
[0054] X(t)=ai2Re2(f(t)) (20)
[0055] Y(t)=a22Im2(f(t)) (21)
[0056] 對(duì)僅有低頻部分f(t)的式(20)、（21)進(jìn)行頻譜分析;上述式中，t表示時(shí)間，心、5表 示頻率。
[0057] 齒輪箱存在故障時(shí)其振動(dòng)信號(hào)具有兩個(gè)特點(diǎn)：1、故障信號(hào)比較微弱，容易被其他 的信號(hào)所淹沒。2、故障信號(hào)會(huì)因?yàn)楣收蠜_擊產(chǎn)生調(diào)制現(xiàn)象。
[0058]針對(duì)故障信號(hào)的上述兩個(gè)特點(diǎn)，本發(fā)明分別應(yīng)用BEMD分解和希爾伯特平方解調(diào)技 術(shù)解決以上兩個(gè)問題。首先應(yīng)用BEMD分解將原始復(fù)值振動(dòng)信號(hào)分解為一系列的復(fù)值本征模 態(tài)函數(shù)IMF，能準(zhǔn)確的檢測(cè)出復(fù)值信號(hào)的相位信息;然后篩選出峭度值最大的IMF分量IMF。， 通常對(duì)應(yīng)的就是故障特征分量;而后利用希爾伯特平方解調(diào)對(duì)IMF。的進(jìn)行解調(diào)，對(duì)解調(diào)后 的信號(hào)的實(shí)部與虛部分別做頻譜分析，比較驗(yàn)證頻率成分是否相同；最后將頻譜分析結(jié)果 與齒輪箱各回轉(zhuǎn)部件的回轉(zhuǎn)頻率對(duì)比，確定故障位置。通過本發(fā)明方法可以及時(shí)且方便地 檢測(cè)出故障信息，及時(shí)對(duì)齒輪箱進(jìn)行維修。
[0059]本發(fā)明中采用的BEMD方法是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)式的自適應(yīng)信號(hào)處理方法。其分解過程 是利用信號(hào)局部特征時(shí)間尺度信息，逐次將復(fù)值信號(hào)分解為若干個(gè)復(fù)值的固有模態(tài)函數(shù)， 每個(gè)固有模態(tài)函數(shù)反應(yīng)了信號(hào)中內(nèi)嵌的旋轉(zhuǎn)模式，且其性質(zhì)完全由信號(hào)本身性質(zhì)決定，于 其他因素?zé)o關(guān)。該方法能夠處理以傅里葉變換為基礎(chǔ)的那些方法所不能處理的非線性非平 穩(wěn)的數(shù)據(jù)，且能夠比EMD更高效的來處理二維的信號(hào)，并反應(yīng)出信號(hào)的相位偏移信息。。與 小波變換相比，因?yàn)槠浠瘮?shù)是由信號(hào)本身分解得到的，并不需要事先選定小波基和分解 尺度，所以它是直觀的、后驗(yàn)的和自適應(yīng)的分解方法。
【附圖說明】
[0060]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：
[0061] 圖1為四個(gè)復(fù)值信號(hào)的時(shí)域波形圖；
[0062] 圖2為四個(gè)復(fù)值信號(hào)直接加和后的時(shí)域波形圖；
[0063] 圖3為對(duì)構(gòu)造的復(fù)值信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換得到的頻譜結(jié)果圖；
[0064] 圖4為BEMD分解后的頂Fs結(jié)果圖；
[0065] 圖5為對(duì)解調(diào)后的信號(hào)的實(shí)部和虛部分別做頻譜分析的結(jié)果圖；
[0066] 圖6為本發(fā)明提供的一種齒輪箱故障診斷方法的流程圖；
【具體實(shí)施方式】
[0067]該齒輪箱故障診斷方法是基于齒輪箱運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行的。齒輪 箱在運(yùn)行過程中無論是否存在故障都會(huì)有振動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生，但是無故障和有故障時(shí)的振動(dòng) 信號(hào)有不同的區(qū)別。齒輪箱沒有故障時(shí)，振動(dòng)信號(hào)的頻率成分主要是齒輪的嚙合頻率和軸 承的自身的固有頻率。當(dāng)齒輪箱中的齒輪和軸承存在故障時(shí)，其運(yùn)行過程中會(huì)因?yàn)楣收袭a(chǎn) 生沖擊效應(yīng)，從而使振動(dòng)信號(hào)發(fā)生改變，此時(shí)振動(dòng)信號(hào)的頻率成分不僅有齒輪的嚙合頻率 和軸承自身的固有頻率，還會(huì)增加故障部件所在部件的回轉(zhuǎn)頻率。
[0068] 通過三相加速度傳感器測(cè)得的振動(dòng)加速度信號(hào)是時(shí)域信號(hào)。如圖1所示；圖1中的 復(fù)值信號(hào)是下面四個(gè)實(shí)部信號(hào)x(t)和四個(gè)虛部信號(hào)y(t)構(gòu)造后的時(shí)域波形圖，黑色實(shí)線表 示的是實(shí)部信號(hào)，黑色虛線表示的是虛部信號(hào)。
[0069]
[0070]
[0071]
[0072]
[0073]
[0074] 其中，X1(tWPyi(t)為模擬軸承外圈故障信號(hào)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)諧振信號(hào)的調(diào)制;X2(t)、 x3(tWPy2(t)、y3(t)為周期性諧波信號(hào)成分;X4(t)和y 4(t)為模擬噪聲信號(hào);衰減頻率(與系 統(tǒng)阻尼特性相關(guān))α = 400;結(jié)構(gòu)諧振頻率5 = 800;高速級(jí)齒輪的嚙合頻率f2 = 100;低速級(jí)齒 輪的嚙合頻率f 3 = 50，故障特征頻率fB = 33。
[0075]圖2的信號(hào)是以上四個(gè)實(shí)部信號(hào)x(t)和四個(gè)虛部信號(hào)y(t)分別直接加和構(gòu)造的復(fù) 值信號(hào)的結(jié)果。黑色實(shí)線表示的是實(shí)部信號(hào)，黑色虛線表示的是虛部信號(hào)。
[0076]診斷故障需要得到的是振動(dòng)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的頻率值。對(duì)于簡(jiǎn)單的信號(hào)，如上面的X2 (t)、X3(tWPy2(t)、y3(t)，直接進(jìn)行傅里葉變換就可以得到振動(dòng)信號(hào)的頻率值，但是對(duì)振動(dòng) 信號(hào) X1(tWPyi(t)這種較為復(fù)雜的調(diào)制信號(hào)，直接進(jìn)行傅里葉變換得到頻率值是心=800， 但是實(shí)際中想要得到的是頻率f B = 33。對(duì)振動(dòng)信號(hào)X1(tWPyi(t)經(jīng)過解調(diào)后，再進(jìn)行傅里葉 變換后就能得到故障頻率f B = 33。如圖3所示，是對(duì)構(gòu)造的信號(hào)直接進(jìn)行傅里葉變換之后的 頻譜圖，從實(shí)部與虛部的頻譜結(jié)果中都可以得到50Hz ,100Hz和800Hz的頻率成分，但顯示不 出33Hz的頻率成分。
[0077]嚙合頻率和回轉(zhuǎn)頻率:假如一對(duì)嚙合的齒輪對(duì)，主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速是20r/s，齒數(shù)是40， 從動(dòng)輪的齒數(shù)是80,那么從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)主動(dòng)輪計(jì)算得出，即10r/s。嚙合頻率是用 齒輪對(duì)中任意一個(gè)齒輪的回轉(zhuǎn)頻率乘以齒數(shù)，即主動(dòng)輪嚙合頻率為20 X 40 = 800Hz，從動(dòng)輪 嚙合頻率為10 X 80 = 800Hz。回轉(zhuǎn)頻率是指單個(gè)齒輪的回轉(zhuǎn)頻率，如主動(dòng)輪20Hz，從動(dòng)輪 10Hz。這樣如果故障診斷所得結(jié)果是20Hz，說明是主動(dòng)輪故障；如果是10Hz，說明是從動(dòng)輪 故障。
[0078] 故障診斷的過程就是當(dāng)齒輪箱中存在故障時(shí)，確定故障頻率，進(jìn)而確定出故障位 置的過程。
[0079] 齒輪箱存在故障時(shí)其振動(dòng)信號(hào)具有兩個(gè)特點(diǎn)：
[0080] 1、故障信號(hào)比較微弱，容易被其他的信號(hào)所淹沒。
[0081] 2、故障信號(hào)會(huì)因?yàn)楣收系脑虍a(chǎn)生調(diào)制現(xiàn)象。
[0082] 針對(duì)故障信號(hào)的上述兩個(gè)特點(diǎn)，故障診斷方法分別應(yīng)用BEMD分解和希爾伯特平方 解調(diào)技術(shù)解決以上兩個(gè)問題。首先應(yīng)用BEMD分解將原始復(fù)值振動(dòng)信號(hào)分解為一系列的復(fù)值 本征模態(tài)函數(shù)頂F，在這些MF中，峭度值最大的那個(gè)頂F通常對(duì)應(yīng)的就是故障特征分量。例 如從圖2中的合信號(hào)很難直接找到故障特征信號(hào)，而對(duì)其進(jìn)行BEMD分解后就能得到圖4所示 的結(jié)果。其中IMF2就是故障特征信號(hào)，他的峭度值會(huì)比其他的IMF分量的大。從而就找到了 故障特征分量。然后尋找故障頻率，進(jìn)而確定出故障位置。用到的就是希爾伯特平方解調(diào)技 術(shù)。對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)后再進(jìn)行傅里葉變換就能得到故障頻率，進(jìn)而確定出故障位置。如圖5 所示，即對(duì)解調(diào)信號(hào)的實(shí)部和虛部分別進(jìn)行傅里葉變換之后得到的頻譜結(jié)果圖，可以發(fā)現(xiàn) 大約在33Hz左右，實(shí)部與虛部的頻率幅值都達(dá)到最大值。
[0083]參閱圖6右側(cè)，本發(fā)明中的方法主要包括:信號(hào)采集、信號(hào)處理和結(jié)果顯示。
[0084] 參閱圖6左側(cè)，一種風(fēng)電齒輪箱故障診斷方法，具體包括以下步驟：
[0085] SI:通過振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，將采集到的振動(dòng) 信號(hào)構(gòu)造成復(fù)值信號(hào)s(t);
[0086] S2:利用BEMD對(duì)步驟SI中構(gòu)造的復(fù)值信號(hào)s(t)進(jìn)行分解，得到一系列的復(fù)值固有 模態(tài)函數(shù)頂Fs，這些頂Fs能準(zhǔn)確的反應(yīng)出復(fù)值信號(hào)的相位偏移信息；
[0087] S3:計(jì)算上述各頂F的峭度值，并選出峭度值最大的頂F分量頂Fc;
[0088] S4:利用希爾伯特平方解調(diào)對(duì)IMF。進(jìn)行解調(diào)；齒輪箱中存在故障時(shí)出現(xiàn)信號(hào)的調(diào) 制信號(hào)具有式(7)所示的形式：
[0089] c(t)=f(t)s(t) (7)
[0090] 其中，f(t)為故障產(chǎn)生的低頻沖擊信號(hào)，s(t)為運(yùn)行中正常的高頻振動(dòng)信號(hào)；
[0091] 采用希爾伯特平方解調(diào)對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，具體過程如下：
[0092] 構(gòu)造函數(shù)X(t)和Y(t)如式(8)、（9)所示：
[0093] X(t)=Re2(c(t))+H2[Re(c(t))] (8)
[0094] Y(t) = Im2(c(t))+H2[Im(c(t))] (9)
[0095] 其中Re表示取復(fù)值信號(hào)的實(shí)部，Im表示取復(fù)制信號(hào)的虛部;H[ ·]是對(duì)信號(hào)進(jìn)行希 爾伯特變換；
[0096] 根據(jù) Bedrosian 定理：
[0097] H(Re(c(t)))=H[Re(f(t)s(t))]=Re(f(t))H[Re(s(t))] (10)
[0098] H[Im(c(t))]=H[Im(f(t)s(t))] = Im(f(t))H[Im(s(t))] (11)
[0099] 將式（10)、（11)分別帶入式(8)、（9)可得：
[0100] X(t)=Re2(f(t)){Re2(s(t))+H 2[Re(s(t))]} (12)
[0101] Y(t) = Im2(f(t)){Im2(s(t))+H2[Im(s(t))]} (13)
[0102] 令r(t)=s2(t)+H2[(t)]，高頻振動(dòng)信號(hào)s(t)的結(jié)構(gòu)如式（14)、（15)所示：
[0103] Re(s(t)) =aicos(2jrfit) (14)
[0104] Im(s(t)) =a2C〇s(2jrf2t) (15)
[0105] 則s(t)的希爾伯特變換為：
[0106] H[Re(s(t)) ] =aisin(2jrfit) (16)
[0107] H[ Im(s(t)) ] =a2sin(2jrf2t) (17)
[0108] 則可得 r(t):
[0109] (18)
[oho] .(19)
[0111] 將式(18)、（19)分別帶入式(12)、（13)可得：
[0112] X(t)=ai2Re2(f(t)) (20)
[0113] Y(t)=a22Im2(f(t)) (21)
[0114] 對(duì)僅有低頻部分f(t)的式(20)、（21)進(jìn)行頻譜分析;上述式中，t表示時(shí)間，心、5表 示頻率。
[0115] S5:對(duì)解調(diào)后的信號(hào)的實(shí)部與虛部分別做頻譜分析，比較驗(yàn)證頻率成分是否相同。 將頻譜分析結(jié)果與齒輪箱各回轉(zhuǎn)部件的回轉(zhuǎn)頻率對(duì)比，確定故障位置。
[0116] 采集模塊包括三相壓電式加速度傳感器、信號(hào)采集卡和控制器機(jī)箱，信號(hào)采集卡 與傳感器采用導(dǎo)線相連，信號(hào)采集卡通過插拔接口插接在控制器機(jī)箱上。三相壓電式加速 度傳感器布置在箱體外殼、輸出軸的前側(cè)軸承、輸入軸的前側(cè)軸承和后側(cè)軸承等重要位置 上。
[0117] c(t)=f(t)s(t)是對(duì)希爾伯特平方解調(diào)技術(shù)進(jìn)行理論上解釋，這里的c(t)是一個(gè) 泛指，可以指任意一個(gè)類似于圖l* X1(t)Syi(t)的調(diào)制信號(hào)。而頂Fc是實(shí)際應(yīng)用中，齒輪箱 故障時(shí)所產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)。
[0118] 以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，但本發(fā)明的技術(shù)特征并不局限于此，任何本 領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的領(lǐng)域內(nèi)，所作的變化或修飾皆涵蓋在本發(fā)明的專利范圍之中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種風(fēng)電齒輪箱故障診斷方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟： S1:通過振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，將采集到的振動(dòng)信號(hào) 構(gòu)造成復(fù)值信號(hào)S(t); S2:利用BEMD對(duì)步驟S1中構(gòu)造的復(fù)值信號(hào)s(t)進(jìn)行分解，得到一系列的復(fù)值固有模態(tài) 函數(shù)頂Fs，這些頂Fs能準(zhǔn)確的反應(yīng)出復(fù)值信號(hào)的相位偏移信息； S3:計(jì)算上述各頂F的峭度值，并選出峭度值最大的頂F分量頂Fc; S4:利用希爾伯特平方解調(diào)對(duì)IMF。進(jìn)行解調(diào)； S5:對(duì)解調(diào)后的信號(hào)的實(shí)部與虛部分別做頻譜分析，比較驗(yàn)證頻率成分是否相同。將頻 譜分析結(jié)果與齒輪箱各回轉(zhuǎn)部件的回轉(zhuǎn)頻率對(duì)比，確定故障位置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)電齒輪箱故障診斷方法，其特征在于，所述步驟S1中的振動(dòng) 信號(hào)采集系統(tǒng)包括三相壓電加速度傳感器、信號(hào)采集卡和控制器機(jī)箱，信號(hào)采集卡與傳感 器采用導(dǎo)線相連，信號(hào)采集卡通過插拔接口插接在控制器機(jī)箱上。三相壓電式加速度傳感 器布置在箱體外殼、輸出軸的前側(cè)軸承、輸入軸的前側(cè)軸承和后側(cè)軸承上。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)電齒輪箱故障診斷方法，其特征在于，所述步驟S2中的所述 的BEMD方法包括以下步驟： S21:選取信號(hào)投影方向的數(shù)目N，并計(jì)算投影方向： - Imn/N, I <m< N (1) S22:計(jì)算步驟S1中得到的復(fù)制信號(hào)s(t)投影到方向％上的值： (t) = Re[e-，v'- .y(r)j (2) S23:找出(?)的局部極大值和極小值點(diǎn)，記錄下位置和數(shù)值:,尸r)}; S24:通過三次樣條差值擬合方法對(duì)步驟S23中得到的{(?/%/?/"）}進(jìn)行插值得到包絡(luò)曲 線 ％" (f); S25:重復(fù)步驟S22-S24,直到獲得所有投影方向上的包絡(luò)曲線； S26:計(jì)算步驟S25中得到的所有包絡(luò)線的均值：S27:從原始信號(hào)s(t)中減去包絡(luò)線均值網(wǎng)]")得到分量幻(〇: g, (〇 = s(〇 - m,(f) (4) S28:檢測(cè)gl(t)是否滿足固有模態(tài)函數(shù)的篩選停止條件，如果不滿足，將gl(t)替換成新 的原始信號(hào)s(t)，并返回步驟S22;否則，將分量81(1)作為第一個(gè)固有模態(tài)函數(shù)分量(^(〇， 用原始信號(hào)s(t)減去第一個(gè)固有模態(tài)函數(shù)分量(^(〇獲得殘余量n(t): ci(t)=g(t)，ri(t) = s(t)-ci(t) (5) S29:判斷殘余量n(t)是否為單調(diào)函數(shù)，若是，則進(jìn)入步驟S210;若否，則將n(t)作為新 的原始信號(hào)并的返回步驟S22; S210:重復(fù)步驟S22-S29直至獲得所有的固有模態(tài)函數(shù)和一個(gè)最終的參與量化(〇;最終 參與量rn(t)為振動(dòng)信號(hào)s(t)的平均趨勢(shì);振動(dòng)信號(hào)s(t)可以表示為：4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)電齒輪箱故障診斷方法，其特征在于，所述步驟S4中齒輪箱 存在故障時(shí)會(huì)出現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制現(xiàn)象，調(diào)制信號(hào)具有式(7)所示的形式： c(t)=f (t)s(t) (7) 其中，f(t)為故障產(chǎn)生的低頻沖擊信號(hào)，s(t)為運(yùn)行中正常的高頻振動(dòng)信號(hào)； 采用希爾伯特平方解調(diào)對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，具體過程如下： 構(gòu)造函數(shù)X(t)和Y(t)如式(8)、（9)所示： X(t)=Re2(c(t))+H2[Re(c(t))] (8) Y(t) = Im2(c(t))+H2[Im(c(t))] (9) 其中Re表示取復(fù)值信號(hào)的實(shí)部，Im表示取復(fù)制信號(hào)的虛部;H[ ?]是對(duì)信號(hào)進(jìn)行希爾伯 特變換； 根據(jù)Bedrosian定理： H(Re(c(t)))=H[Re(f(t)s(t))]=Re(f(t))H[Re(s(t))] (10) H[Im(c(t))]=H[Im(f(t)s(t))] = Im(f(t))H[Im(s(t))] (11) 將式(1〇)、（11)分別帶入式(8)、（9)可得： X(t)=Re2(f(t)){Re2(S(t))+H2[R e(S(t))]} (12) Y(t) = Im2(f(t)){Im2(s(t))+H2[Im(s(t))]} (13) 令r(t) = s2(t)+H2[(t)]，高頻振動(dòng)信號(hào)s(t)的結(jié)構(gòu)如式(14)、（15)所示： Re(s(t)) = aicos(23ifit) (14) Im(s(t)) = a2C〇s(23if2t) (15) 則s(t)的希爾伯特變換為： H[Re(s(t)) ] =aisin(23ifit) (16) H[Im(s(t)) ] =a2sin(23if2t) (17) 則可得r(t):將式(18)、（19)分別帶入式(12)、（13)可得： X(t)=ai2Re2(f(t)) (20) Y(t)=a22Im2(f (t)) (21) 對(duì)僅有低頻部分f(t)的式(20)、（21)進(jìn)行頻譜分析;上述式中，t表示時(shí)間，表示頻 率。
【文檔編號(hào)】G01M13/02GK106055734SQ201610322826
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月13日
【發(fā)明人】沈建洋, 陳換過, 陳文華, 陳培, 易永余, 錢佳誠(chéng)
【申請(qǐng)人】浙江理工大學(xué)