CN105823632B - 行星齿轮箱故障信息获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种行星齿轮箱故障信息获取方法，包括组成行星齿轮箱的内齿圈、行星轮和太阳轮，其中内齿圈固定不动，太阳轮绕自身中心轴线转动，行星轮除自转外还绕太阳轮公转；所述内齿圈的若干连续轮齿作为检测齿，检测齿的齿根部位粘贴有光纤光栅阵列，宽带光源发出的光通过光纤a、耦合器和光纤c传输到光纤光栅阵列，反射光通过光纤c、耦合器和光纤b进入波长解调部分，解调完成之后的电压信号通过数据采集部分进入计算机进行数据处理，计算机用于完成齿根应变序列构建和行星齿轮箱故障特征提取，本发明能够克服现有技术由于振动信号强烈的非线性和非平稳性特点所造成的行星齿轮箱故障诊断的难题。

Description

行星齿轮箱故障信息获取方法

技术领域

本发明涉及机械传动装置的动态测试与故障诊断技术，具体涉及行星齿轮箱故障信息获取方法。

背景技术

行星齿轮箱由于体积小、重量轻、传动效率高、承载能力强等优点被广泛用于航空、风力发电、起重运输、能源等领域的机械传动系统中，然而受制造、安装误差和低速重载的恶劣工作环境影响，行星齿轮箱发生故障的概率很高，由于行星齿轮箱位于机械系统的关键环节，当其出现故障后，若不及时采取有效的补救措施，轻则会影响系统性能，重则会使系统瘫痪，造成严重事故，因此，对行星齿轮箱进行故障诊断具有重要意义。

目前国内外研究人员绝大部分是通过对振动信号的分析处理来判断行星齿轮箱的健康状况，振动传感器安装在与内齿圈相连的箱体上，将振动信号作为故障载体信号的主要优势在于其测量简单、实时性强且包含有丰富的故障信息，然而行星齿轮箱的振动信号呈现出比一般机械设备更复杂的特点：多个啮合振动之间相互耦合且振动信号被传输路径调制，导致传感器测到的振动信号中包含有多种频率成分和丰富的边频带信息，表现出强烈的非线性特点；变速、变载工况导致振动信号中的齿轮啮合频率和故障特征频率发生变化，表现出强烈的非平稳性特点，由于以上原因，尽管国内外学者在动力学建模和振动信号处理等方面进行了大量的工作，但现在行星齿轮箱的故障诊断仍是一个技术难题。

实际上，行星齿轮箱中最关键的运动是齿轮之间的啮合运动，啮合力是能够反映齿轮啮合状态和特性的最直接参数，然而啮合力由轮齿相互接触、挤压产生，不可能在轮齿的接触区域布置传感器以测量该力，因此研究者选择振动信号来间接反映啮合力的变化情况，但在行星齿轮箱中啮合力信息与振动信息的映射关系非常复杂，导致出现了行星齿轮箱故障诊断的困境，考虑到轮齿的齿根区域和啮合区域距离非常近，啮合力的变化会直接导致齿根应变的变化，所以与振动信号相比，齿根应变信号更能够反映齿轮的啮合状态，是一种更加优质的故障特征载体信号，然而，到目前为止，基于齿根应变信号的行星齿轮箱故障诊断方法仍未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种行星齿轮箱故障信息获取方法，该方法可解决背景技术中由于振动信号强烈的非线性和非平稳性特点所造成的行星齿轮箱故障诊断的难题。

为了达到以上目的，本发明采取如下技术方案予以实现：行星齿轮箱故障信息获取系统，包括组成行星齿轮箱的内齿圈、行星轮和太阳轮，其中内齿圈固定不动，太阳轮绕自身中心轴线转动，行星轮除自转外还绕太阳轮公转；所述内齿圈的若干连续轮齿作为检测齿，检测齿的齿根部位粘贴有光纤光栅阵列，宽带光源发出的光通过光纤a、耦合器和光纤c传输到光纤光栅阵列，在光纤光栅阵列发生光反射，反射光通过光纤c、耦合器和光纤b进入波长解调部分，解调完成之后的电压信号通过数据采集部分进入计算机进行数据处理，计算机用于完成齿根应变序列构建和行星齿轮箱故障特征提取。

所述光纤光栅阵列为在一根光纤上刻写多段光纤光栅，光纤光栅的数量与检测齿的数量相同。

所述光纤光栅的长度小于检测齿的齿宽，光纤光栅的轴向与内齿圈的轴向平行。

所述波长解调部分用于将光纤光栅阵列的反射波长信号转换为包含有应变信息的电压信号，包括光电转换模块、信号调理模块、电源模块、驱动电路模块、控制电路模块以及光学元器件。

所述耦合器采用3dB耦合器。

本发明还提出一种行星齿轮箱故障信息获取方法，包括以下步骤：

步骤一、选定内齿圈的连续n个轮齿作为检测齿，并在检测齿的齿根部位粘贴光纤光栅阵列，获取检测齿的齿根应变信号；

步骤二、对步骤一中获取的齿根应变信号进行序列构建；

步骤三、对步骤二构建出的齿根应变序列进行行星齿轮箱故障特征提取：

在每一组齿根应变序列中，将相邻两个轮齿的齿根应变信号相加，形成N+1组时域上连续的齿根应变信号，设反映行星轮j和检测齿直接啮合的齿根应变连续时域信号为f_pj(t)，反映太阳轮和检测齿间接啮合的齿根应变连续时域信号为f_s(t)，行星齿轮箱的啮合频率为f_m，行星轮齿数、太阳轮齿数、内齿圈齿数分别为Z_p、Z_s、Z_r，行星轮数量为N；

3.1提取行星齿轮箱故障的频域特征

若在f_pj(t)的功率谱中，啮合频率及其谐波附近出现间隔为的边频带，则说明行星轮j出现故障；

若在f_s(t)的功率谱中，啮合频率及其谐波附近出现间隔为的边频带，则说明太阳轮出现故障；

3.2提取行星齿轮箱故障的时域特征

取f_pj(t)区间(k为自然数)内的信号f_pj(k,t)，设g_pj(k,t)＝f_pj(0,t)-f_pj(k,t)；若行星轮j发生故障，则g_pj(k,t)在某一区间(t₁,t₂)内的能量水平(有效值)便会偏高，(t₁,t₂)区间在g_pj(k,t)中的位置反映故障在行星轮j上出现的位置，(t₁,t₂)区间的长度反映行星轮j故障的范围，(t₁,t₂)区间内g_pj(k,t)的形式反映行星轮j故障的类型，(t₁,t₂)区间内g_pj(k,t)有效值的大小反映行星轮j故障的剧烈程度；

取f_s(t)区间内的信号f_s(k,t)，设g_s(k,t)＝f_s(0,t)-f_s(k,t)；若太阳轮发生故障，则g_s(k,t)在某一区间(t₁,t₂)内的能量水平(有效值)便会偏高，(t₁,t₂)区间在g_s(k,t)中的位置反映故障在太阳轮上出现的位置，(t₁,t₂)区间的长度反映太阳轮故障的范围，(t₁,t₂)区间内g_s(k,t)的形式反映太阳轮故障的类型，(t₁,t₂)区间内g_s(k,t)有效值的大小反映太阳轮故障的剧烈程度。

所述步骤一具体包括以下步骤：

1.1、确定内齿圈上所需连续检测齿的数量n：设在行星齿轮箱中，行星轮齿数、太阳轮齿数、内齿圈齿数分别为Z_p、Z_s、Z_r；行星轮数量为N；rem(w,v)表示w与v相除的余数；i为正整数；令其中a、c为整数，b、d为真分数；H＝bZ_p；K＝dZ_s；(若rem(b·2π·i,2π)＝0，则anglep(i)＝2π；若rem(b·2π·i,2π)≠0，则anglep(i)＝rem(b·2π·i,2π))；(若rem(d·2π·i,2π)＝0，则angles(i)＝2π；若rem(d·2π·i,2π)≠0，则angles(i)＝rem(d·2π·i,2π))；

分以下四种情况讨论：

(1)当b＝0且d≠0时，则n为Z_p和K中的最大值；

(2)当b≠0且d＝0时，则n为Z_s和H中的最大值；

(3)当b＝0且d＝0时，则n为Z_p和Z_s中的最大值；

(4)当b≠0且d≠0时，设n_max(i)为n_p(i)和n_s(i)中的最大值，当i＝i_s时，n_max(i)最小，则n＝n_max(i_s)；

1.2、安装光纤光栅阵列

选择在一根光纤上刻写有n段光栅的光纤光栅阵列，在每个检测齿的齿根部位粘贴一段光纤光栅。

所述步骤二具体包括以下步骤：

每次行星轮与所有检测齿完成一次啮合时，光纤光栅阵列检测到一组齿根应变信号，称为一个齿根应变周期；一个齿根应变周期的持续时间为T₁，相邻两个齿根应变周期的时间间隔为T₂，每个齿根应变周期的起始端标记为STA，距离终止端(向前)时间间隔为t_e处标记为END，t_e为相邻两个齿根应变信号重叠部分的时间长度，在以下的构建过程中，需要对齿根应变周期进行截取，截取信号的起始端标记为STAJ(与STA重合)，距离终止端(向前)时间间隔为t_e处标记为ENDJ，齿根应变周期编号为p，选定任一组齿根应变周期为构建序列的起点，从该起点开始，p值依次为1，2，3……；

2.1、构建反映行星轮与检测齿直接啮合的齿根应变序列

设所构建的序列针对编号为j(j＝1,2,3......N)的行星轮，若rem(p,N)≠0，则j＝rem(p,N)，若rem(p,N)＝0，则j＝N，按照下述方法，共构建N组反映不同行星轮和检测齿直接啮合的齿根应变序列；

(1)对于齿根应变信号获取方法第一步中的第(1)种情况

若n＝Z_p，将时间间隔为NT₂的后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端；

若n＝K，首先截取每个齿根应变周期中从STA端开始Z_p个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为NT₂的后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端；

(2)对于齿根应变信号获取方法第一步中的第(2)种情况

若n＝H，将时间间隔为NT₂的后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端；

若n＝Z_s，首先截取每个齿根应变周期中从STA端开始H个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为NT₂的后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端；

(3)对于齿根应变信号获取方法第一步中的第(3)种情况

若n＝Z_p，将时间间隔为NT₂的后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端；

若n＝Z_s，首先截取每个齿根应变周期中从STA端开始Z_p个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为NT₂的后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端；

(4)对于齿根应变信号获取方法第一步中的第(4)种情况

若n＝n_p(i_s)，将时间间隔为i_sNT₂的后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端；

若n＝n_s(i_s)，首先截取每个齿根应变周期中从STA端开始n_p(i_s)个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为i_sNT₂的后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端；

2.2、构建反映太阳轮与检测齿间接啮合的齿根应变序列

(1)对于齿根应变信号获取方法第一步中的第(1)种情况

若n＝Z_p，首先截取每个齿根应变周期中从STA端开始K个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为NT₂的后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端；

若n＝K，将时间间隔为NT₂的后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端；

(2)对于齿根应变信号获取方法第一步中的第(2)种情况

若n＝H，首先截取每个齿根应变周期中从STA端开始Z_s个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为NT₂的后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端；

若n＝Z_s，将时间间隔为NT₂的后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端；

(3)对于齿根应变信号获取方法第一步中的第(3)种情况

若n＝Z_p，首先截取每个齿根应变周期中从STA端开始Z_s个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为NT₂的后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端；

若n＝Z_s，将时间间隔为NT₂的后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端；

(4)对于齿根应变信号获取方法第一步中的第(4)种情况

若n＝n_p(i_s)，首先截取一个齿根应变周期中从STA端开始n_s(i_s)个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为i_sNT₂的后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端；

若n＝n_s(i_s)，将时间间隔为i_sNT₂的后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端。

与现有技术相比较，本发明至少具有以下有益效果：

(1)本发明使用齿根应变信号作为行星齿轮箱故障特征载体信号，与传统的振动信号相比，该信号受故障的影响更直接，信噪比更高，更能反映行星齿轮箱的健康状况；

(2)本发明利用光纤光栅阵列获取内齿圈的多点齿根应变信息，传感器安装方便，测试系统结构简单，测量精度高；

(3)本发明根据行星齿轮箱的参数优化应变测点的数量，可有效降低测试系统成本，提高本方法的工程应用价值；

(4)本发明对内齿圈齿根应变信号进行时间序列构建，并从时域和频域两个方面提取行星齿轮箱的故障特征，与现有技术相比，能够更加直观、准确地获得行星齿轮箱的故障位置、故障范围、故障剧烈程度等信息。

附图说明

图1为本发明一种光纤获取行星齿轮箱故障信息的方法框图；

图2为本发明在确定检测齿数目时用到的曲线图；

图3为本发明光纤光栅阵列在齿根上的粘贴方式示意图；

图4为本发明光纤光栅阵列测到的齿根应变信号示意图；

图5为本发明将齿根应变信号时间序列转化为连续时域信号的示意图；

图6为本发明行星齿轮箱故障的时域特征提取方法示意图。

附图中：1、宽带光源，2、耦合器，3、内齿圈，4、行星轮，5、太阳轮，6、光纤光栅阵列，7、波长解调部分，8、数据采集部分，9、计算机，10、光纤光栅。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明包括组成行星齿轮箱的内齿圈3、行星轮4和太阳轮5，在行星齿轮箱中，内齿圈3固定不动，太阳轮5绕自身中心轴线转动，行星轮4除自转外还绕太阳轮公转，内齿圈3的若干连续轮齿作为检测齿，光纤光栅阵列6粘贴在内齿圈3的齿根部位，宽带光源1发出的光通过光纤a、3dB耦合器2和光纤c传输到光纤光栅阵列6，在光纤光栅阵列6发生光反射，反射光通过光纤c、3dB耦合器2和光纤b进入波长解调部分7，解调完成之后的电压信号通过数据采集部分8进入计算机9内进行数据处理，完成齿根应变序列构建和行星齿轮箱故障特征提取。

光纤光栅阵列部分：为了简化测试系统结构，提高本发明的工程应用价值，采用光纤光栅阵列6作为应变传感器，即在一根光纤上刻写多段光纤光栅10，各光纤光栅10的结构参数不同，当宽带光入射到光纤光栅阵列6中时，会在多个波长上形成反射光，反射光的波长值与光纤光栅的折射率和周期有关，当某个光纤光栅10发生轴向变形时，其对应的反射波长值会在原始位置附近发生变化，而波长的偏移量与应变量之间为正比关系，所以通过检测光纤光栅阵列6中各段光纤光栅10反射波长值的变化，即可得到测点处的应变值，实现分布式应变测量。

波长解调部分：主要包括光电转换模块、信号调理模块、电源模块、驱动电路模块、控制电路模块以及光学元器件。该部分的目的是将光纤光栅阵列6的反射波长信号转换为包含有应变信息的电压信号。

数据采集部分：通过数据采集部分8对波长解调部分7传输过来的电压信号进行A/D转换、采集并向计算机9传输数据。

数据处理部分：数据处理工作在计算机9中完成，通过软件对数据采集部分8得到的信号进行数据处理、数据显示等操作，并完成系统的参数设计、控制指令的下达、系统工作状态的监测，该部分的主要工作是进行齿根应变信号时间序列构建和行星齿轮箱故障特征提取。

本发明的方法包括以下步骤：

步骤一、利用光纤光栅阵列获取齿根应变信号

选定内齿圈3的连续n个轮齿作为检测齿，在这n个检测齿的齿根部位粘贴光纤光栅10。

1.1、确定检测齿的数量n。设在行星齿轮箱中，行星轮齿数、太阳轮齿数、内齿圈齿数分别为Z_p、Z_s、Z_r；行星轮数量为N；rem(w,v)表示w与v相除的余数；i为正整数。令其中a、c为整数，b、d为真分数；H＝bZ_p；K＝dZ_s。分以下四种情况讨论：

(1)若b＝0且d≠0，则n为Z_p和K中的最大值；

(2)若b≠0且d＝0，则n为Z_s和H中的最大值；

(3)若b＝0且d＝0，则n为Z_p和Z_s中的最大值；

(4)若b≠0且d≠0，首先计算行星轮公转i周时，行星轮、太阳轮上的某一点在各自的自转方向上相对于初始位置的角位移anglep(i)和angles(i)。其中，若rem(b·2π·i,2π)＝0，则anglep(i)＝2π，否则anglep(i)＝rem(b·2π·i,2π)；若rem(d·2π·i,2π)＝0，则angles(i)＝2π，否则angles(i)＝rem(d·2π·i,2π)。然后计算以i周为检测周期时，检测行星轮所有齿和检测太阳轮所有齿所需要的检测齿数量n_p(i)和n_s(i)。其中，n_p(i)＝anglep(i)·Z_p/(2π)；n_s(i)＝angles(i)·Z_s/(2π)。n_max(i)为n_p(i)和n_s(i)中的最大值，设当i＝i_s时，n_max(i)最小，则n＝n_max(i_s)。

对于第(4)种情况，举例说明如下：

设在某一行星齿轮箱中，Z_s＝19，Z_p＝31，Z_r＝81，N＝4。按照上述方法做出n_p(i)和n_s(i)的曲线如图2所示。在图2中，可以看到，当i＝5时，n_max(i)＝6，为最小值，所以，检测齿数量n＝6。

1.2、安装光纤光栅阵列。如图3所示，在每个检测齿的齿根部位粘贴一段光纤光栅。光纤光栅的长度W_f小于齿宽W_g，光纤光栅的轴向11与内齿圈的轴向12平行。

步骤二、构建齿根应变序列

如图4所示，每次行星轮与所有检测齿完成一次啮合时，光纤光栅阵列会检测到一组齿根应变信号，该组信号由n个检测齿的齿根应变信号组成，包含有行星轮与检测齿直接啮合的信息和太阳轮与检测齿间接啮合的信息，称为一个齿根应变周期。一个齿根应变周期的持续时间为T₁，相邻两个齿根应变周期的时间间隔为T₂，每个齿根应变周期的起始端标记为STA，距离终止端(向前)时间间隔为t_e处标记为END，t_e为相邻两个齿根应变信号重叠部分的时间长度。在以下的构建过程中，需要对齿根应变周期进行截取，截取信号的起始端标记为STAJ(与STA重合)，距离终止端(向前)时间间隔为t_e处标记为ENDJ。齿根应变周期编号为p，选定任一组齿根应变周期为构建序列的起点，从该起点开始，p值依次为1，2，3……；对图4所示信号进行序列构建的目的是得到行星轮上连续的所有轮齿在与检测齿发生直接啮合时或太阳轮上连续的所有轮齿在与检测齿发生间接啮合时，检测齿的齿根应变信号。具体将得到以下两类信号：

2.1、反映行星轮与检测齿直接啮合的齿根应变序列

设所构建的序列针对编号为j(j＝1,2,3......N)的行星轮，若rem(p,N)≠0，则j＝rem(p,N)，若rem(p,N)＝0，则j＝N。按照下述方法，共构建N组反映不同行星轮和检测齿直接啮合的齿根应变序列。

(1)对于步骤1.2中的第(1)种情况

若n＝Z_p，将时间间隔为NT₂的齿根应变周期进行构建，即将后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端。

若n＝K，首先截取每个齿根应变周期中从STA端开始Z_p个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为NT₂的截取信号进行构建，即将后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端。

(2)对于步骤1.2中的第(2)种情况

若n＝H，将时间间隔为NT₂的齿根应变周期进行构建，即将后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端。

若n＝Z_s，首先截取每个齿根应变周期中从STA端开始H个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为NT₂的截取信号进行构建，即将后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端。

(3)对于步骤1.2中的第(3)种情况

若n＝Z_p，将时间间隔为NT₂的齿根应变周期进行构建，即将后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端。

若n＝Z_s，首先截取每个齿根应变周期中从STA端开始Z_p个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为NT₂的截取信号进行构建，即将后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端。

(4)对于步骤1.2中的第(4)种情况

若n＝n_p(i_s)，将时间间隔为i_sNT₂的齿根应变周期进行构建，即将后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端。

若n＝n_s(i_s)，首先截取每个齿根应变周期中从STA端开始n_p(i_s)个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为i_sNT₂的截取信号进行构建，即将后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端。

2.2、反映太阳轮与检测齿间接啮合的齿根应变序列

(1)对于步骤1.2中的第(1)种情况

若n＝Z_p，首先截取每个齿根应变周期中从STA端开始K个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为NT₂的截取信号进行构建，即将后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端。

若n＝K，将时间间隔为NT₂的齿根应变周期进行构建，即将后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端。

(2)对于步骤1.2中的第(2)种情况

若n＝H，首先截取每个齿根应变周期中从STA端开始Z_s个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为NT₂的截取信号进行构建，即将后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端。

若n＝Z_s，将时间间隔为NT₂的齿根应变周期进行构建，即将后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端。

(3)对于步骤1.2中的第(3)种情况

若n＝Z_p，首先截取每个齿根应变周期中从STA端开始Z_s个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为NT₂的截取信号进行构建，即将后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端。

若n＝Z_s，将时间间隔为NT₂的齿根应变周期进行构建，即将后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端。

(4)对于步骤1.2中的第(4)种情况

若n＝n_p(i_s)，首先截取一个齿根应变周期中从STA端开始n_s(i_s)个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为i_sNT₂的截取信号进行构建，即将后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端。

若n＝n_s(i_s)，将时间间隔为i_sNT₂的齿根应变周期进行构建，即将后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端。

步骤三、基于齿根应变序列的行星齿轮箱故障特征的提取

按照以上齿根应变序列的构建方法，构建N+1组齿根应变序列。在每一组序列中，将相邻两个齿根应变信号相加，形成N+1组时域上连续的齿根应变信号，如图5所示。设反映行星轮j和检测齿直接啮合的齿根应变连续时域信号为f_pj(t)，反映太阳轮和检测齿间接啮合的齿根应变连续时域信号为f_s(t)，行星齿轮箱的啮合频率为f_m。

3.1、行星齿轮箱故障的频域特征提取

一个行星轮的所有轮齿与内齿圈完成一次啮合所需要的时间为即行星轮的自转周期为当行星轮出现故障时，会出现啮合频率被故障频率(即行星轮自转频率)调制的现象，所以若在f_pj(t)的功率谱中，啮合频率及其谐波附近出现间隔为的边频带，则说明行星轮j出现故障。

太阳轮的所有轮齿与内齿圈完成一次间接啮合所需要的时间为即太阳轮相对于行星架的旋转周期为当太阳轮出现故障时，会出现啮合频率被故障频率(即太阳轮相对于行星架的旋转频率)调制的现象，所以若在f_s(t)的功率谱中，啮合频率及其谐波附近出现间隔为的边频带，则说明太阳轮出现故障。

3.2、行星齿轮箱故障的时域特征提取

如图6所示，取f_pj(t)区间(k为自然数)内的信号f_pj(k,t)，f_pj(k,t)表示在行星轮j所有轮齿与检测齿完成一次啮合的过程中，检测齿的齿根应变连续时域信号，区间长度为行星轮j的一个自转周期，不同的k值代表行星轮j的不同自转周期。设g_pj(k,t)＝f_pj(0,t)-f_pj(k,t)，g_pj(k,t)表示在行星轮j不同自转周期下，检测齿齿根应变连续时域信号的差异。当g_pj(k,t)＝0时，说明行星轮j在不同自转周期下，检测齿齿根应变连续时域信号没有差异，则行星轮j没有出现故障，若行星轮j发生故障，则g_pj(k,t)在某一区间(t₁,t₂)内的能量水平(有效值)便会偏高。(t₁,t₂)区间在g_pj(k,t)中的位置反映故障在行星轮j上出现的位置，(t₁,t₂)区间的长度反映行星轮j故障的范围，(t₁,t₂)区间内g_pj(k,t)的形式反映行星轮j故障的类型，(t₁,t₂)区间内g_pj(k,t)有效值的大小反映行星轮j故障的剧烈程度。

如图6所示，取f_s(t)区间内的信号f_s(k,t)，f_s(k,t)表示在太阳轮所有轮齿与检测齿完成一次间接啮合的过程中，检测齿的齿根应变连续时域信号，区间长度为太阳轮相对于行星架的一个旋转周期，不同的k值代表太阳轮的不同相对旋转周期。设g_s(k,t)＝f_s(0,t)-f_s(k,t)，g_s(k,t)表示在太阳轮不同相对旋转周期下，检测齿齿根应变连续时域信号的差异。当g_s(k,t)＝0时，说明太阳轮在不同相对旋转周期下，检测齿齿根应变连续时域信号没有差异，则太阳轮没有出现故障，若太阳轮发生故障，则g_s(k,t)在某一区间(t₁,t₂)内的能量水平(有效值)便会偏高。(t₁,t₂)区间在g_s(k,t)中的位置反映故障在太阳轮上出现的位置，(t₁,t₂)区间的长度反映太阳轮故障的范围，(t₁,t₂)区间内g_s(k,t)的形式反映太阳轮故障的类型，(t₁,t₂)区间内g_s(k,t)有效值的大小反映太阳轮故障的剧烈程度。

Claims (3)

1.行星齿轮箱故障信息获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、选定内齿圈的连续n个轮齿作为检测齿，并在检测齿的齿根部位粘贴光纤光栅阵列，获取检测齿的齿根应变信号；

步骤二、对步骤一中获取的齿根应变信号进行序列构建；

步骤三、对步骤二构建出的齿根应变序列进行行星齿轮箱故障特征提取：

在每一组齿根应变序列中，将相邻两个轮齿的齿根应变信号相加，形成N+1组时域上连续的齿根应变信号，设反映行星轮j和检测齿直接啮合的齿根应变连续时域信号为f_pj(t)，反映太阳轮和检测齿间接啮合的齿根应变连续时域信号为f_s(t)，行星齿轮箱的啮合频率为f_m，行星轮齿数、太阳轮齿数、内齿圈齿数分别为Z_p、Z_s、Z_r，行星轮数量为N；

3.1提取行星齿轮箱故障的频域特征

若在f_pj(t)的功率谱中，啮合频率及其谐波附近出现间隔为的边频带，则说明行星轮j出现故障；

若在f_s(t)的功率谱中，啮合频率及其谐波附近出现间隔为的边频带，则说明太阳轮出现故障；

3.2提取行星齿轮箱故障的时域特征

取f_pj(t)区间(k为自然数)内的信号f_pj(k,t)，设g_pj(k,t)＝f_pj(0,t)-f_pj(k,t)；若行星轮j发生故障，则g_pj(k,t)在某一区间(t₁,t₂)内的能量水平有效值便会偏高，(t₁,t₂)区间在g_pj(k,t)中的位置反映故障在行星轮j上出现的位置，(t₁,t₂)区间的长度反映行星轮j故障的范围，(t₁,t₂)区间内g_pj(k,t)的形式反映行星轮j故障的类型，(t₁,t₂)区间内g_pj(k,t)有效值的大小反映行星轮j故障的剧烈程度；

取f_s(t)区间内的信号f_s(k,t)，设g_s(k,t)＝f_s(0,t)-f_s(k,t)；若太阳轮发生故障，则g_s(k,t)在某一区间(t₁,t₂)内的能量水平(有效值)便会偏高，(t₁,t₂)区间在g_s(k,t)中的位置反映故障在太阳轮上出现的位置，(t₁,t₂)区间的长度反映太阳轮故障的范围，(t₁,t₂)区间内g_s(k,t)的形式反映太阳轮故障的类型，(t₁,t₂)区间内g_s(k,t)有效值的大小反映太阳轮故障的剧烈程度。

2.根据权利要求1所述的行星齿轮箱故障信息获取方法，其特征在于，步骤一具体包括以下步骤：

1.1、确定内齿圈上所需连续检测齿的数量n：设在行星齿轮箱中，行星轮齿数、太阳轮齿数、内齿圈齿数分别为Z_p、Z_s、Z_r；行星轮数量为N；rem(w,v)表示w与v相除的余数；i为正整数；令其中a、c为整数，b、d为真分数；H＝bZ_p；K＝dZ_s；(若rem(b·2π·i,2π)＝0，则anglep(i)＝2π；若rem(b·2π·i,2π)≠0，则anglep(i)＝rem(b·2π·i,2π))；(若rem(d·2π·i,2π)＝0，则angles(i)＝2π；若rem(d·2π·i,2π)≠0，则angles(i)＝rem(d·2π·i,2π))；

分以下四种情况讨论：

(1)当b＝0且d≠0时，则n为Z_p和K中的最大值；

(2)当b≠0且d＝0时，则n为Z_s和H中的最大值；

(3)当b＝0且d＝0时，则n为Z_p和Z_s中的最大值；

(4)当b≠0且d≠0时，设n_max(i)为n_p(i)和n_s(i)中的最大值，当i＝i_s时，n_max(i)最小，则n＝n_max(i_s)；

1.2、安装光纤光栅阵列

选择在一根光纤上刻写有n段光栅的光纤光栅阵列，在每个检测齿的齿根部位粘贴一段光纤光栅。

3.根据权利要求2所述的行星齿轮箱故障信息获取方法，其特征在于，所述步骤二具体包括以下步骤：

每次行星轮与所有检测齿完成一次啮合时，光纤光栅阵列检测到一组齿根应变信号，称为一个齿根应变周期；一个齿根应变周期的持续时间为T₁，相邻两个齿根应变周期的时间间隔为T₂，每个齿根应变周期的起始端标记为STA，距离终止端向前的时间间隔为t_e处标记为END，t_e为相邻两个齿根应变信号重叠部分的时间长度，在以下的构建过程中，需要对齿根应变周期进行截取，截取信号的起始端标记为STAJ，STAJ与STA重合，距离终止端向前的时间间隔为t_e处标记为ENDJ，齿根应变周期编号为p，选定任一组齿根应变周期为构建序列的起点，从该起点开始，p值依次为1，2，3……；

2.1，构建反映行星轮与检测齿直接啮合的齿根应变序列

设所构建的序列针对编号为j(j＝1,2,3......N)的行星轮，若rem(p,N)≠0，则j＝rem(p,N)，若rem(p,N)＝0，则j＝N，按照下述方法，共构建N组反映不同行星轮和检测齿直接啮合的齿根应变序列；

(1)对于齿根应变信号获取方法第一步中的第(1)种情况

若n＝Z_p，将时间间隔为NT₂的后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端；

若n＝K，首先截取每个齿根应变周期中从STA端开始Z_p个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为NT₂的后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端；

(2)对于齿根应变信号获取方法第一步中的第(2)种情况

若n＝H，将时间间隔为NT₂的后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端；

若n＝Z_s，首先截取每个齿根应变周期中从STA端开始H个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为NT₂的后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端；

(3)对于齿根应变信号获取方法第一步中的第(3)种情况

若n＝Z_p，将时间间隔为NT₂的后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端；

若n＝Z_s，首先截取每个齿根应变周期中从STA端开始Z_p个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为NT₂的后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端；

(4)对于齿根应变信号获取方法第一步中的第(4)种情况

若n＝n_p(i_s)，将时间间隔为i_sNT₂的后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端；

若n＝n_s(i_s)，首先截取每个齿根应变周期中从STA端开始n_p(i_s)个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为i_sNT₂的后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端；

2.2，构建反映太阳轮与检测齿间接啮合的齿根应变序列

(1)对于齿根应变信号获取方法第一步中的第(1)种情况

若n＝Z_p，首先截取每个齿根应变周期中从STA端开始K个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为NT₂的后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端；

若n＝K，将时间间隔为NT₂的后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端；

(2)对于齿根应变信号获取方法第一步中的第(2)种情况

若n＝H，首先截取每个齿根应变周期中从STA端开始Z_s个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为NT₂的后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端；

若n＝Z_s，将时间间隔为NT₂的后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端；

(3)对于齿根应变信号获取方法第一步中的第(3)种情况

若n＝Z_p，首先截取每个齿根应变周期中从STA端开始Z_s个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为NT₂的后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端；

若n＝Z_s，将时间间隔为NT₂的后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端；

(4)对于齿根应变信号获取方法第一步中的第(4)种情况

若n＝n_p(i_s)，首先截取一个齿根应变周期中从STA端开始n_s(i_s)个检测齿的齿根应变信号，然后将时间间隔为i_sNT₂的后一个截取信号的STAJ端平移至前一个截取信号的ENDJ端；

若n＝n_s(i_s)，将时间间隔为i_sNT₂的后一个齿根应变周期的STA端平移至前一个齿根应变周期的END端。