CN101846692B - 变速机械故障诊断的转速跟踪采样方法 - Google Patents

Abstract

一种变速机械故障诊断的转速跟踪采样谱号固化方法，其特征在于：以运动机械的、频率为Xfn的转速脉冲信号取代天文时钟周期脉冲信号作为决定检测时机的触发信号，实施对机械相关故障信号的采样，然后应用FFT技术进行信号的数字分析，并将经典的FFT分析输出信息的频率坐标系，改造为转速跟踪FFT分析的谱号坐标系，并建立信息特征对应谱号的识别函数。能把在经典的、天文时钟周期采样时所不能进行监测诊断的变转速状态，变成了能够通过转速跟踪采样实现监测诊断的状态，极大地提高了安全监控的时间覆盖率，防止了经典技术的盲区，特别适用于城市轻轨交通、地铁、城市公共汽车、风力发电等领域的故障诊断；应用固化特征谱号公式极大地简化了经典技术对谱图频谱识别的繁琐，既利于人工识图，更利于计算机自动诊断。

Description

变速机械故障诊断的转速跟踪采样方法

技术领域

本发明涉及一种变速机械故障诊断的转速跟踪采样谱号固化分析方法，属于机械装备可靠性与安全技术范畴。 

技术背景

著名数学家傅立叶于18世纪提出了分析时域信号X(t)中的周期信号所含对应频谱X(f)的傅立叶级数，使得复杂时域信号中的频率内涵得以一目了然的表达，后人谓之为傅立叶变换；20世纪以来，随着计算机及计算技术的发展，人们提出了根据傅立叶变换的快速傅里叶变换定义算法——FFT，为周期信号的频谱分析开拓了划时代的新领域。该技术被逐渐引入现代故障诊断的信号分析中，例如用来精确分析绝大多数匀速运转的机械设备的振动、冲击信号中的各种简谐振动分量，成为所谓频谱分析的基础性工具。例如图1所示，图1-1表达的时域信号X(t)，在未经FFT分析之前，未必有人能识别其中的周期性信号内涵；而经过FFT分析之后，则得到了清晰的频谱，识别出X(t)中，含有频率为幅度为1、频率为的150、200、350Hz正弦波和幅度为1的100Hz的方波，如图1-2；而形成图1-1波形的原始振动是用图1-3所示的电路仿真，对图1-4所示的4个简单信号叠加生成的。图1-1中100、300、500、700、900Hz谱线的幅度1.27、0.424……符合幅度为1的方波的傅立叶展开式如下： 

$X\left(t\right)=\frac{4}{\mathrm{\π}}(\sin \mathrm{\ωt}+\frac{1}{3}\sin 3\mathrm{\ωt}+\frac{1}{5}\sin 5\mathrm{\ωt}+\frac{1}{7}\sin 7\mathrm{\ωt}+\frac{1}{9}\sin 9\mathrm{\ωt}+\·\·\·\·\·\·)$

$=1.2732\sin \mathrm{\ωt}+0.4244\sin 3\mathrm{\ωt}+0.2546\sin 5\mathrm{\ωt}+0.1820\sin 7\mathrm{\ωt}+0.1415\sin 9\mathrm{\ωt}+\·\·\·\·\·$

图1-4所示的4个简单信号在时间领域是周期性的，因此，即便它们叠加为图1-1的复杂时域信号波形，也能够通过FFT分析出各该信号的频率及幅度，各该频率的倒数即是各信号的周期。在匀速运转的机器上，由各种原因产生的振动均符合上述这些周期信号的规律，即具有周期性，从而也能够通过FFT分析出各种振动成分的频率和幅度，如图1-1～图1-4所示的经典的天文时钟采样对于周期信号能够准确分析的示意图。 

然而，当代若干机械设备的运转未必都是匀速运转的，例如风力发电机因为风速随机变化而使转速随机变化；同样，城市轨道交通车辆在两个车站之间的几分钟行驶过程中，车速从零启动、加速、惰行（即利用惯性自由减速运行）、制动减速直至停车，几乎没有或很少有匀速运动的状态，以致用天文时钟为参照坐标系对它们的振动等信号进 行检测所得到的时间历程样本（简称时域样本）中，就没有设备匀速运动时存在的周期性，因而依照运转速状态对该信号进行FFT分析，就没有确定的频谱，也就不能凭借频谱来识别复杂振动的成分和确定故障。 

例如图2-1～图2-4所示：用经典的天文时钟为参照坐标系采样，对于变周期信号的不能分析的示意图，图2-1是车速为100%的匀速运动时的（假定等幅的）振动波形，图2-2则是图2-1对应各种振动成分的频谱和叠加总振动X(t)的总频谱，可见，所有频谱都是确定的、准确的，我们可以依据该频谱确定各种振动的频率、周期、幅度；图2-3是车速从90%逐渐增加到100%再减速到85%的变速运动时的（假定等幅的）振动波形，图2-4则是图2-3对应各种振动成分的频谱和叠加总振动X(t)的总频谱，可见，所有频谱都是不确定的、不准确的，我们无法依据该频谱分析振动内容。这就导致了对于变速运动机械根据经典的、以天文时钟为参照坐标的信号采集所获得的样本失去了用FFT分析信息的价值，也就无法根据所作FFT分析的频谱诊断设备运行故障。信号所展示的这个非周期的差异，导致了一大批原先用于固定转速机器的检测、诊断时行之有效的测试、分析、诊断仪器，在面临风力发电机和铁路交通、公路交通、轻轨交通、地铁交通、高铁交通等车辆的机械故障诊断需求时一筹莫展，最好的结局也只是通过捕捉变速运动机械十分稀少的匀速运动瞬间的信号，才能实现正确的分析、诊断。但由此失去了对机械绝大部分变速运动期间的有效监测作用，对于安全监测造成了巨大的盲区和对及时发现转瞬即逝的故障造成了极大的漏诊几率。而为了实现机械装备在变速运动中的监测、分析、诊断以确保安全，迫切需要发明新的检测技术和分析技术。 

发明内容

本发明的目的：旨在解决现有技术中经典故障诊断因使用天文时钟控制进行信号的模数变换时，所获信号样本因不符合所谓周期性而不能通过傅立叶变换确定频谱，进而不能确诊故障的局限性。提出一种变速机械故障诊断的转速跟踪采样及谱号固化分析方法，可用于轨道交通、风力发电等常变速运转的装备之传动系统故障诊断。 

上述发明目的，通过以下技术方案实现： 

这种变速机械故障诊断的转速跟踪采样方法，其特征在于：以运动机械的、频率为Xfn的转速脉冲信号取代天文时钟周期脉冲信号作为决定检测时机的触发信号，实施对机械相关故障信号的采样，然后应用FFT技术进行信号的数字分析，并将经典的FFT分析输出信息的频率坐标系，改造为非均匀转速跟踪FFT分析的谱号坐标系，并建立信息 特征对应谱号的识别函数。 

所述的变速机械故障诊断的转速跟踪采样方法，其特征是：以机械非匀速转轴的频率为Xfn的转速脉冲信号取代天文时钟周期脉冲信号作为决定检测时机的触发信号，即以频率为Xfn的转速信号脉冲数作为检测坐标，方法是在机械非匀速转轴上加装转速传感器或利用已有的转速传感器，该转轴每转动1/X周时发出一个脉冲，转轴转动一周发出X个脉冲；在转轴每转一周时发出的脉冲数Y不等于X时，通过电子电路中的倍频器处理得到每转一周产生X个脉冲的频率为Xfn的效果；用该频率等于Xfn的脉冲，取代天文时钟周期脉冲，控制AD变换器，实现对所需监测的信号实施非均匀转速跟踪采样。 

所述的转速脉冲信号为含有多个RS485收发器的转速信号共用传输系统，此时测速车轮的转速传感器获得的频率为Yfn的信号经过倍频器处理为Xfn的转速信号，送到第一RS485收发器4的输入端，并控制第一RS485收发器的输出，使能端E/R为高电平、置为发送状态，该第一RS485收发器的输入/输出A、B端，通过总线，向全列车发送高抗干扰的差分转速信号；每一列车箱的监测仪器中被置为接受状态（E/R端为GND，低电平）的自有RS485收发器51～5n的输入输出A、B端从总线取得该差分转速信号，实时恢复为转速信号Xfn，从各自的RS485收发器的输出端OUT输出供给各仪器使用。 

所述的故障特征频率为fi的转速跟踪固化特征谱号PHi应符合以下关系式： 

PHi=fi/f_n*N/X， 

式中fn为转速频率，N为样本长度，X为采样倍频系数。 

所述的转速跟踪固化特征谱号PHi包括：轴固化特征谱号PH7、保持架外固化特征谱号PH1、保持架内固化特征谱号PH2、外环固化特征谱号PH3、内环固化特征谱号PH4、滚子端面固化特征谱号PH5、滚子圆周固化特征谱号PH6、本轴齿轮固化特征谱号PH7、相邻轴齿轮PH8；其中轴固化特征谱号PH=N/X、保持架外固化特征谱号PH1=(D0-d*cosA)/(2D0)*N/X、保持架内固化特征谱号PH2=(D0+d*cosA)/(2D0)*N/X、外环固化特征谱号PH3=PH1*Z、内环固化特征谱号PH4=PH2*Z、滚子端面固化特征谱号PH5=(D0²-d²*cos²A)/(2*D0*d)*N/X、滚子圆周固化特征谱号PH6=2*PH5、本轴齿轮固化特征谱号PH7=N/X、相邻轴齿轮PH8=ηN/X。 

这种变速机械故障诊断的谱号固化分析方法，其特征是：各轴上各类故障的转速跟踪固化特征谱号为：PHi(S)=fi/f_n*N*D/(X*D_S)，式中测速车轮的直径为D，使用该轮转速信号作转速跟踪采样的车轮S的直径为D_S。 

显然，变速机械故障诊断的转速跟踪采样及谱号固化分析方法，虽然设计目的是对所需监测的信号实施非均匀转速跟踪时的采样，但也适于对所需监测的转速信号是均匀时的信号实施均匀转速跟踪时的采样。 

将变速机械故障诊断的转速跟踪采样及谱号固化分析方法用于各种变转速机械及定转速机械的故障信号采样和故障分析诊断，取得了优秀的效果：能把在经典的、天文时钟周期采样时所不能进行监测诊断的变转速状态，变成了能够通过转速跟踪采样实现监测诊断的状态，极大地提高了安全监控的时间覆盖率，防止了经典技术的盲区，特别适用于城市轻轨交通、地铁、城市公共汽车、风力发电等领域的故障诊断；应用固化特征谱号公式极大地简化了经典技术对谱图频谱识别的繁琐，既利于人工识图，更利于计算机自动诊断。 

附图说明

图1-1为匀速转动机械故障信号X(t)的时域图； 

图1-2为匀速转动机械故障信号X（t）经过FFT变换的频谱图； 

图1-3为匀速转动机械故障信号X(t)的仿真电路图； 

图1-4为匀速转动机械故障信号X(t)的仿真图； 

图2-1为车速为100%的匀速运动时的振动波形仿真图； 

图2-2为图2-1对应各种振动成分的频谱和叠加总振动X(t)的总频谱图； 

图2-3为车速从90%逐渐增加到100%再减速到85%的变速运动时的（假定等幅的）振动波形仿真图； 

图2-4为图2-3对应各种振动成分的频谱和叠加总振动X(t)的总频谱图； 

图3为本发明提出的非匀速转速跟踪采样的示意图； 

图4为转速242r/min时齿轮故障固化谱号45.74和故障级61.7dB报警的测试图； 

图5为转速111r/min时齿轮故障固化谱号45.74和故障级71.0dB报警的测试图； 

图6为本发明使用的RS485传输框图。 

图中，1为转速传感器，2为倍频器，3为AD变换器，4为第一RS485收发器，51-5n为第n个RS485收发器，6为转速传输485总线。 

具体实施方式

所有平动机械，例如车辆，绝大多数都是以转动机械（如电动机、齿轮、车轮）驱动的，所有转动机械都有转速信号。转动机械的关键故障频率信息都含有转速频率fn的因子，例如，以车轮和其轴承的各类故障为例，它们的故障特征频谱数学模型如表1： 

表1：故障特征频谱数学模型 

式中的参数如表2。 

表2，表1数学模型涉及的关键参数： 

序号

1

2

3

4

5

6

7

名称

轴径

中径

滚径

滚子数

接触角

传动比

转速频率

代号

D

D0

d

Z

A

η

fn

单位

mm

mm

mm

°

Hz

在采用天文时钟周期控制采样的现有技术中，上述故障的特征频率是随着转速频率fn的变化而变化的；当一个采样过程中因为转速n[r/min]随时变化而使转速频率fn=n/60随时变化时，所有特征频率也随时变化，该样本就没有确定的特征频率可言，例如图2-4，根据该频谱作故障特征分析就无法实施。 

本发明提出的一种变速机械故障诊断的转速跟踪采样谱号分析方法，其特征是：以机械某轴（例如车轴）的频率为Xfn的转速脉冲信号取代天文时钟周期脉冲信号作为决定检测时机的触发信号，即以频率为Xfn的非匀速转轴转速信号脉冲数作为检测坐标，方法是在机械轴（例如车轴）上加装转速传感器1或利用已有的转速传感器1，该轴每转动1/X周时发出一个脉冲，轴转动一周发出X个脉冲；也可以在轴每转一周时发出的脉冲数Y不等于X时，通过电子电路的倍频器2处理得到每转一周产生X个脉冲的频 率为Xfn的效果；用该频率等于Xfn的脉冲，取代天文时钟周期脉冲，控制（模数）AD变换器3，对所需监测的信号实施转速跟踪采样。如附图3。 

其特征还在于：特征频率为fi的故障的转速跟踪固化特征谱号是：PHi=fi/f_n*N/X。 

在以天文时钟周期控制采样的经典采样模式中，根据共同遵守的采样定理，有关采样频率与分析频率等参数有如表3的规则。 

表3：物理参数定义和故障定性诊断方法 

序号	物理量	标号	量纲或单位	换算公式	说明
						1	转速	n	r/min
2	转频	fn	Hz	fn=n/60
						3	采样频率	fc	Hz	采样定理
4	采样周期	dt	s	dt=1/fc
						5	分析频率上限	fm	Hz	fm=fc/2	据采样定理
6	样本长度	N			2的整次幂
						7	谱线分辨率	df	Hz/pin	df=fc/N	据采样定理
8	故障特征频率	f，(fi)	Hz	据诊断理论
						9	故障特征谱号	PH(PHi)		PHi=fi/df
10	采样倍频系数	X		fc=fn*X	例如X=200

表3中的序号1～9是众所公知的。序号8的故障特征频率是根据表2的“轴承、齿轮参数”以及表1“故障特征频率公式”得到的。 

表3的序号10“采样倍频系数”X与采样频率fc的关系为：以转速频率f_n的X倍脉冲，取代天文时钟周期采样频率fc，即fc=Xfn。于是有df=fc/N=f_n*X/N。 

（权项4，）一种“变速机械故障诊断的转速跟踪采样及谱号固化分析方法”，其特征是：故障特征频率为fi的转速跟踪固化特征谱号PHi是：PHi=fi/df=fi/f_n*N/X， 

式中fn为转速频率，N为样本长度，X为采样倍频系数。 

进而，可以具体计算出各类故障特征频率fi的对应的特征谱号PHi如表4。 

表4，故障特征频率的数学模型： 

查看上表4的“特征谱号PHi”，所有公式中都没有转速频率参数f_n。这就说明：引入转速跟踪采样方法之后，各类故障的频率虽然都会随着转速频率fn变化而变化，但在匀转速跟踪FFT分析图谱中，各类故障的特征谱号PHi却是固定不变的，从而称为“谱号固化转速跟踪采样技术”。 

实施例1： 

下面结合实施例作进一步的说明。 

例如，设某车轴的转速频率为fn，倍频系数为X=200，转速跟踪采样样本长度为N=2048，相邻轴小齿轮对车轴的传动比η=76/17=4.4706，根据表4的式8，小齿轮的故障固化特征谱号是： 

PH8=ηN/X=76/17*2048/200=45.77 

图4是在车轴平均转速为242r/min（小齿轮平均转速1082r/min）时，转速跟踪采样的故障波形、FFT分析谱和根据表4计算的小齿轮轴承及小齿轮的“理论抽象谱”。其中，小齿轮故障的实际出现的谱号是45.74，符合理论谱号； 

图5是在车轴平均转速为111r/min（小齿轮平均转速496r/min）时的转速跟踪采样的故障波形、FFT分析谱和根据表4计算的小齿轮轴承及小齿轮的“理论抽象谱”。其中，小齿轮故障的实际出现的谱号也是45.74，符合理论谱号。 

根据变速机械故障诊断的转速跟踪采样方法，将信号经典采样技术所获样本的“天文时钟坐标”，变换为“转速跟踪采样技术”的“机器轴转动相位（如上例为360°/200）坐标”，就是本技术方案的精髓。然而，这个坐标变换却取得了优秀的效果：可以在机器转速变动的过程中，依托转速/相位跟踪采样实现信号采集，然后沿用前人的FFT分析技术分析谱图。不仅没有转速变化所引起的频谱发散、分裂等不确定、不准确的问题，而且在无论在何转速下，特定故障的频率虽然变化，但根据故障诊断理论推演得到的特征频率fi对应的转速跟踪固化特征谱号PHi=fi/f_n*N/X永远不变，对信号的转速跟踪谱图分析变得十分简便，因为各类故障的特征谱号在这种跟踪谱图上也是永恒固定的。 

图4、5是对机车驱动电机小齿轮进行转速跟踪采样和故障诊断的实例。无论车轮转速是242r/min或是111r/min，对应的故障特征频率分别变化为18.02Hz和8.29Hz，而在各诊断谱图的中缝信息中，该齿轮故障在不同转速下的特征谱号都是45.74号，符合理论谱号；不仅对车轮转速不同的各个样本的分析有上述简便，而且在一次采样过程中的车轮转速变化也不影响诊断效果。 

实施例2： 

变速机械故障诊断的转速跟踪采样及谱号固化分析方法的转速信号共用技术。 

在轨道交通领域，车辆被组成列车运行。但不仅不同车辆的车轮直径有所区别，而且同一辆车一条车轴的两个车轮与其它车轴的两个车轮的直径也有所区别，只有同一条车轴的两个车轮的直径被控制在可以忽略的误差范围之内。由于造价和可以允许的安装位置的限制，几乎不可能对每一条车轴都安装转速传感器1、倍频器2来获取该车轴的Xfn信号。因此，期望从一条车轴的转速传感器1上获得Yfn，经过倍频电路2处理为Xfn信号供全车共享。 

为此需要解决两个问题：车轮直径不同而修正PHi=fi/f_n*N/X公式的问题和转速信号传输问题。 

设测速车轮的直径为D，使用该轮转速信号作转速跟踪采样的车轮S的直径为D_S，其特征是：各轴上各类故障的转速跟踪固化特征谱号为：PHi(S)=fi/f_n*N*D/(X*D_S)。变速机械故障诊断的转速跟踪采样及谱号固化分析方法的转速信号共用技术，其特征是，将测速车轮的转速传感器1获得的频率为Yfn的信号经过倍频器2处理为Xfn的信号，送到RS485收发器4的输入端in，并控制该485收发器4的输出使能E/R端为高电平，即置为发送状态，该485收发器的总线AB端，通过总线6，向全列车发送高抗干扰 的差分转速信号；各车的监测仪器中被置为接受状态（E/R端为GND，低电平）的自有485收发器5的AB端从总线6取得该差分转速信号，实时恢复为转速信号Xfn，从其输出端OUT输出供给各仪器使用。如附图6。 

Claims (3)

1.一种变速机械故障诊断的转速跟踪采样方法，其特征在于：以运动机械的、频率为Xfn的转速脉冲信号取代天文时钟周期脉冲信号作为决定检测时机的触发信号，实施对机械相关故障信号的采样，然后应用FFT技术进行信号的数字分析，并将经典的FFT分析输出信息的频率坐标系，改造为转速跟踪FFT分析的谱号坐标系，并建立信息特征对应谱号的识别函数；以机械非匀速转轴的频率为Xfn的转速脉冲信号取代天文时钟周期脉冲信号作为决定检测时机的触发信号，即以频率为Xfn的转速信号脉冲数作为检测坐标，方法是在机械非匀速转轴上加装转速传感器（1）或利用已有的转速传感器（1），该转轴每转动1/X周时发出一个脉冲，转轴转动一周发出X个脉冲；在转轴每转一周时发出的脉冲数Y不等于X时，通过电子电路的倍频器（2）处理得到每转一周产生X个脉冲的频率为Xfn的效果；用该频率等于Xfn的脉冲，取代天文时钟周期脉冲，控制AD变换器（3），对所需监测的信号实施非均匀转速跟踪采样。

2.根据权利要求1所述的变速机械故障诊断的转速跟踪采样方法，其特征还在于：所述的转速脉冲信号为含有多个RS485收发器的转速信号共用传输系统，此时测速车轮的转速传感器（1）获得的频率为Yfn的信号经过倍频器（2）处理为Xfn的转速信号，送到第一RS485收发器（4）的输入端，并控制第一RS485收发器（4）的输出，使能端E/R为高电平、置为发送状态，该第一RS485收发器（4）的输入/输出A、B端，通过总线（6），向全列车发送高抗干扰的差分转速信号；每一辆车箱的监测仪器中被置为接受状态的自有RS485收发器（51～5n）的输入/输出A、B端从总线（6）取得该差分转速信号，实时恢复为转速信号Xfn，从各自的RS485收发器（5）的输出端OUT输出供给各仪器使用。

3.根据权利要求2所述的变速机械故障诊断的转速跟踪采样方法，其特征在于：对所需监测的信号实施非均匀转速跟踪时的采样，或者对所需监测的信号实施均匀转速跟踪时的采样。

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