CN103940607A - 不依赖于时域平均的行星齿轮箱信号分离和诊断方法 - Google Patents

Abstract

不依赖于时域平均的行星齿轮箱信号分离和诊断方法，选择余弦升幂函数作为分离窗函数，选择啮合频率附近频带对传感器采集到的行星齿轮箱振动信号进行带通滤波，然后求取滤波信号包络，找到包络信号最大值对应时刻T，该时刻为某一行星轮最接近传感器位置时刻；将T+if_c/p作为时移t'带入分离窗函数中，将分离窗函数与传感器采集到的行星齿轮箱振动信号相乘得到行星齿轮箱振动分离信号，对分离信号做傅里叶变换，若啮合频率附近存在故障特征频率边频带，表明行星齿轮箱存在对应类型故障，本发明有效地提取了行星齿轮箱的故障特征信息，实现行星齿轮箱故障的有效诊断。

Description

不依赖于时域平均的行星齿轮箱信号分离和诊断方法

技术领域

本发明涉及行星齿轮箱故障诊断技术领域，具体涉及不依赖于时域平均的行星齿轮箱信号分离和诊断方法。

背景技术

行星齿轮箱作为重要的传动机构，具有重量轻、体积小、传动比大、承载能力强、传动效率高等诸多优点，满足许多设备对传动系统的要求，已被广泛应用于直升机、船舶、风力发电、航空发动机、矿山机械、工程机械、汽车等设备的机械传动系统。由于这些设备的工作环境恶劣，并且行星齿轮箱经常在低速重载工况下运行，所以行星齿轮箱的关键零部件经常发生故障。

振动信号往往包含大量的故障信息，因此以振动信号为基础的诊断方法已成为行星齿轮箱故障诊断的主要方法。通过在箱体外部安装加速度传感器来测取行星齿轮箱振动信号。行星齿轮箱中存在多个行星轮，每个行星轮都同时与内齿圈和太阳轮啮合。由于各个行星轮是完全相同的，所以它们与内齿圈和太阳轮啮合产生的振动是相同的，振动频率为啮合频率f_m，f_m=N_rf_c，N_r为齿圈齿数，f_c为行星架转频，只是各个啮合振动之间存在一定的相位差。同时由于行星轮绕行星架中心线公转，导致行星轮与内齿圈和太阳轮的啮合位置相对于传感器位置周期性变化。行星齿轮的啮合振动到传感器的传递路径周期性变化，相当于行星轮的啮合振动被传递路径函数调制。不同行星轮间的传递路径函数形式相同，只是存在一定的相位差。将各个存在相位差并被传递路径函数调制的行星轮振动信号叠加就得到传感器测得的行星齿轮箱振动信号。正是由于相位差的存在，叠加后会使得频谱中的频率幅值被增强或抑制，同时传递路径函数对各啮合振动信号的调制也增加了测得振动信号的复杂性。因此，行星齿轮箱的振动信号非常复杂，从行星齿轮箱振动信号时域或频域图中很难得到故障信息。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供行不依赖于时域平均的行星齿轮箱信号分离和诊断方法，将每个行星轮的啮合振动信号从传感器采集到的行星齿轮箱振动信号中分离出来，消除多个行星轮的啮合振动信号之间的叠加作用对行星齿轮箱故障诊断带来的困难，实现基于分离信号的行星齿轮箱故障诊断。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

不依赖于时域平均的行星齿轮箱信号分离和诊断方法，包括以下步骤：

（1）选择余弦升幂函数w_F=a{1+cos[2πf_c(t-t')]}^p-1作为分离窗函数，其中a为常系数，f_c为行星架转频，t'为时移，p为行星轮个数；

（2）选择啮合频率附近频带对传感器采集到的行星齿轮箱振动信号进行带通滤波，然后求取滤波信号包络，找到包络信号最大值对应时刻T，该时刻为某一行星轮最接近传感器位置时刻；

（3）将T+if_c/p作为时移t'带入分离窗函数中，其中p为行星轮个数，0≤i≤p-1且i为整数，i取不同的值对应不同的行星轮最接近传感器位置时刻；

（4）将分离窗函数w_F与传感器采集到的行星齿轮箱振动信号y相乘得到行星齿轮箱振动分离信号y_s，即y_s=w_F·y，分离窗函数w_F中i取值不同得到不同行星轮的啮合振动分离信号y_s；

（5）对分离信号y_s做傅里叶变换，若啮合频率附近存在故障特征频率边频带，表明行星齿轮箱存在对应类型故障。

本发明的核心是通过分离窗函数将某一行星轮运动到离传感器最近位置附近的振动信号提取出来，近似认为提取出来的分离信号仅包含某一行星轮的啮合振动信号，然后通过观察啮合频率附近是否存在故障特征边频带，实现行星齿轮箱故障诊断。本发明的分离过程不依赖于工程中难于实现的时域平均技术并且仅利用工程中应用成熟的频谱分析技术实现了行星齿轮箱故障诊断。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是分离窗函数图形。

图3（a）是某一行星轮裂纹故障状况下，传感器采集到的行星齿轮箱振动信号，图3（b）是该振动信号以行星架转频f_c为基频的阶次谱图。

图4（a）是分离出的裂纹故障行星轮的啮合振动信号，图4（b）是分离出的裂纹故障行星轮啮合振动信号以行星架转频f_c为基频的阶次谱图，图4（c）是分离出的其中一个正常行星轮的啮合振动信号，图4（d）是分离出的其中一个正常行星轮的啮合振动信号以行星架转频f_c为基频的阶次谱图，图4（e）是分离出的另一个正常行星轮的啮合振动信号，图4（f）是分离出的另一个正常行星轮的啮合振动信号以行星架转频f_c为基频的阶次谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

参照图1，不依赖于时域平均的行星齿轮箱信号分离和诊断方法，包括以下步骤：

（1）选择余弦升幂函数w_F=a{1+cos[2πf_c(t-t')]}^p-1作为分离窗函数，如图2所示，其中a为常系数，f_c为行星架转频，t'为时移，p为行星轮个数；

（2）选择啮合频率附近频带对传感器采集到的行星齿轮箱振动信号进行带通滤波，然后求取滤波信号包络，找到包络信号最大值对应时刻T，该时刻为某一行星轮最接近传感器位置时刻；

（3）将T+if_c/p作为时移t'带入分离窗函数中，其中p为行星轮个数，0≤i≤p-1且i为整数，i取不同的值对应不同的行星轮最接近传感器位置时刻；

（4）将分离窗函数w_F与传感器采集到的行星齿轮箱振动信号y相乘得到行星齿轮箱振动分离信号y_s，即y_s=w_F·y，分离窗函数w_F中i取值不同得到不同行星轮的啮合振动分离信号y_s；

（5）对分离信号y_s做傅里叶变换，若啮合频率附近存在故障特征频率边频带，表明行星齿轮箱存在对应类型故障。

为了验证本发明的有效性，将上述方法应用在行星齿轮箱试验台振动数据的分析中。行星齿轮箱的结构如下：行星齿轮箱有三个行星轮，其中一个行星轮存在裂纹故障，太阳轮轴为输入轴，行星架为输出轴。参数如下：太阳轮齿数为20，行星轮齿数为40，齿圈齿数为100，用反转法计算行星齿轮箱减速比为6。运转工况如下：电机通过联轴器带动输入轴转动，在输出轴通过磁粉制动器加载，输入轴转频为35Hz，行星架输出转频f_c为5.83Hz，齿轮啮合频率为100倍的行星架转频，行星轮裂纹故障特征频率为2.5倍的行星架转频。图3（a）为用安装在行星齿轮箱箱体外的振动加速度传感器采集到的振动信号，图3（b）为其阶次谱图，观察啮合频率100阶次附近的边频带，97.5和102.5阶次是一阶行星轮裂纹故障特征边频带，95和105阶次是二阶行星轮裂纹故障特征边频带，这四个阶次处对应的幅值都相对较小。这是由于存在相位差的三个行星轮振动信号相互叠加，故障边频带处幅值矢量叠加，导致行星齿轮箱振动阶次谱中没有出现故障特征频率调制现象。综上所述，在传感器采集到的行星齿轮箱振动信号中找不到行星轮裂纹故障信息，无法实现故障诊断的目的。

通过本发明可以将某一行星轮振动信号从传感器采集到的行星齿轮箱振动信号中分离出来，避免三行星轮振动信号之间的叠加作用，保留故障特征频率调制信息。理论研究得到：某一裂纹故障行星轮的啮合振动信号阶次谱中齿轮啮合频率应该同时被行星架转频和行星轮裂纹故障特征频率所调制，以及行星轮裂纹故障特征边频带被行星架转频调制。图4（a）是分离出的裂纹故障行星轮的啮合振动信号，图4（b）是其阶次谱。首先可以发现在图4（b）中行星轮裂纹故障特征频率边频带95、97.5、102.5和105阶次处幅值较图3（b）中对应阶次处幅值大很多，分离信号与传感器采集到行星齿轮箱振动信号相比出现了明显的故障特征频率调制现象。并且发现95、97.5、102.5和105阶次被行星架转频调制的现象，在这四个阶次周围出现了以行星架转频为间隔的边频带。理论研究也得到：某一正常行星轮的啮合振动信号阶次谱中齿轮啮合频率仅仅被行星架转频所调制。图4（c）和（e）为分离出的另外两个正常行星轮的啮合振动信号，图4（d）和（f）是它们的阶次谱图。在图4（d）和（f）中仅仅发现啮合频率100阶次附近仅仅发现以行星架转频为间隔的边频带。分离得到的某一正常行星轮振动信号与分离得到的某一裂纹故障行星轮振动信号阶次谱分布差距较大，这也可以作为行星齿轮箱存在行星轮裂纹故障的诊断依据。从图中观察到的现象和理论研究相符，说明本发明可以有效的从传感器采集到的行星齿轮箱振动信号中分离出某一行星轮振动信号。分离后的某一故障行星轮信号携带了行星齿轮箱故障信息，可以通过分离信号的阶次谱清晰地诊断出行星齿轮箱故障类型。

通过以上传感器采集到的行星齿轮箱振动信号和某一行星轮振动分离信号的阶次谱对比，可以得到所发明的分离方法可以有效地分离出某一行星轮的振动信号，消除多行星轮振动信号间的叠加作用。分离信号与传感器采集到的信号相比具有更明显的故障特征频率调制现象，有效地提取了行星齿轮箱的故障特征信息，说明本发明得到的分离信号可以更好地实现行星齿轮箱的故障诊断。同时本发明的分离过程不依赖于工程中难于实现的时域平均技术并且仅利用工程中应用成熟的频谱分析技术实现了行星齿轮箱故障诊断，在工程应用中更容易实现。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (1)

1.不依赖于时域平均的行星齿轮箱信号分离和诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）选择余弦升幂函数w_F=a{1+cos[2πf_c(t-t')]}^p-1作为分离窗函数，其中a为常系数，f_c为行星架转频，t'为时移，p为行星轮个数；

（2）选择啮合频率附近频带对传感器采集到的行星齿轮箱振动信号进行带通滤波，然后求取滤波信号包络，找到包络信号最大值对应时刻T，该时刻为某一行星轮最接近传感器位置时刻；

（3）将T+if_c/p作为时移t'带入分离窗函数中，其中p为行星轮个数，0≤i≤p-1且i为整数，i取不同的值对应不同的行星轮最接近传感器位置时刻；

（4）将分离窗函数w_F与传感器采集到的行星齿轮箱振动信号y相乘得到行星齿轮箱振动分离信号y_s，即y_s=w_F·y，分离窗函数w_F中i取值不同得到不同行星轮的啮合振动分离信号y_s；

（5）对分离信号y_s做傅里叶变换，若啮合频率附近存在故障特征频率边频带，表明行星齿轮箱存在对应类型故障。