CN105841792B - 基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法，包括：S1，在齿轮端面安装双轴加速度传感器，通过该加速度传感器采集齿轮X轴和Y轴振动加速度信号值，并将所得信号经过线性相位滤波器进行滤波；S2，对滤波后信号进行群延迟修正，获取低频转速信号数据和高频振动加速度信号数据；S3，通过希尔伯特变换得到该加速度传感器的瞬时角位置信号，进而合成得到齿轮压力角方向上振动加速度信号。获取的信号直接反映了齿轮激励源的振动与冲击情况，且不受传递路径的影响，对早期故障更加敏感，为齿轮故障的预示与诊断提供了新的途径。

Description

基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法

技术领域

本发明涉及机械传动信号分析领域，尤其涉及一种基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法。

背景技术

齿轮传动由于其传动平稳，传动比精确，效率高，使用的功率、速度和尺寸范围大等优点，广泛应用于风力发电、航空、船舶、冶金、石化、矿山和起重运输等领域的机械结构中。然而，由于齿轮箱通常工作在低速重载的恶劣环境下，其内部齿轮的磨损和疲劳裂纹等故障时有发生，由此可能引发连锁反应，导致整个传动系统的停机，造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。因此，监测齿轮箱状态，正确识别齿轮箱的早期故障具有重要的意义。

目前，针对齿轮箱的振动监测方法大都是在齿轮箱壳体或轴承座上布置加速度传感器。由于故障齿轮啮合冲击经界面传递过程中能量衰减，在这些位置上拾取的故障振动特征信号微弱。现有技术不能适应齿轮啮合传动特点，跟踪故障激励源，故无法真实地反映齿轮箱的故障信息。所以亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种 基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法，包括：

S1，在齿轮端面安装双轴加速度传感器，通过该加速度传感器采集齿轮X轴和Y轴振动加速度信号值，并将所得信号经过线性相位滤波器进行滤波；

S2，对滤波后信号进行群延迟修正，获取低频转速信号数据和高频振动加速度信号数据；

S3，通过希尔伯特变换得到该加速度传感器的瞬时角位置信号，进而合成得到齿轮压力角方向上振动加速度信号。

所述的基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法，优选的，所述S1包括：

加速度传感器X轴方向所感知的振动加速度用a_x表示，Y轴方向所感知的振动加速度用a_y表示；从重力竖直向下方向沿齿轮转动方向指向加速度传感器Y轴测量正向的夹角用θ表示，此角度表示齿轮所处角位置；齿轮啮合压力角为α；则a_x与a_y沿啮合压力角方向上的投影加速度分量分别为：

a_xα＝-a_x·cos(α+θ)，

a_yα＝a_y·sin(α+θ)，

被测齿轮沿压力角方向的振动加速度a_α为：

a_α＝a_xα+a_yα＝a_y·sin(α+θ)-a_x·cos(α+θ)，

对某个齿轮而言，压力角α为一常数值，齿轮角位置θ随齿轮转动而周期性变化；由于重力沿加速度传感器测量方向上的分力随齿轮转动而发生变化，故加速度传感器获得的信号包含低频正弦信号与高频振动加速度信号两部分，低频正弦信号的频率即为转频，

通过对加速度传感器所获取的信号中的低频成分进行分离与处理可计算出齿轮的实时角位置θ，进而计算出沿啮合压力角方向的振动加速度信号，

从微型加速度传感器X轴方向与Y轴方向采集的离散数字信号分别用数组s_x与s_y表示，信号长度为m个采样点，上标T表示向量/矩阵转置：

s_x＝[s_x(0) s_x(1) ... s_x(m)]^T，

s_y＝[s_y(0) s_y(1) ... s_y(m)]^T，

将所得信号s_x通过线性相位高通滤波器，滤波器抽头权系数用数组w_xH表示，滤波器阶数为N，滤波器群延迟为τ_xH个采样点：

w_xH＝[w_xH(0) w_xH(1) ... w_xH(N)]^T。

滤波后的信号用s_xH表示，即原始信号与滤波器抽头权数组的卷积运算结果：

s_y分别通过线性相位低通滤波器和线性相位高通滤波器，滤波器抽头权系数分别用数组w_yL和w_yH表示，滤波器阶数为N，滤波器群延迟分别为τ_yL和τ_yH个采样点：

w_yL＝[w_yL(0) w_yL(1) ... w_yL(N)]^T，

w_yH＝[w_yH(0) w_yH(1) ... w_yH(N)]^T，

滤波后的信号分别用s_yL和s_yH表示，即原始信号与滤波器抽头权数组的卷积运算结果：

所述的基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法，优选的，所述S1中加速度值的采集过程还包括：

当被测齿轮为斜齿轮时，由于啮合力包含沿齿轮轴向的分力F_a，故获取沿压力角方向的齿轮局部振动信号需要采用三轴微型加速度传感器；

通过该加速度传感器采集齿轮X轴、Y轴和Z轴振动加速度信号值，经过线性相位滤波器滤波，对滤波器群延迟的采样点进行数据采样。

所述的基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法，优选的，所述S1中加速度值的采集过程还包括：

传感器X轴测量方向为齿轮切向，Y轴测量方向为齿轮径向，Z轴测量方向为齿轮轴向，其感知的加速度分别为a_x，a_y，a_z；齿轮螺旋角为β，法面压力角为α_n；从重力竖直向下方向沿齿轮转动方向指向加速度传感器Y轴测量正向的夹角用θ表示；则被测齿轮沿压力角方向的振动加速度a_α为：

所述的基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法，优选的，所述S2包括：

由于滤波器对信号相位的延迟作用，滤波后的信号存在不同长度的群延迟，为同步滤波后的信号，以便后续合成计算，需要对信号进行群延迟修正， 即分别将s_xH，s_yL和s_yH三组信号从时域上向前移动τ_xH，τ_yL和τ_yH个采样点，修正后的信号分别为X轴高频振动加速度信号，低频转速信号与Y轴高频振动加速度信号，分别用s_xA，s_R和s_yA表示：

s_xA＝[s_xH(τ_xH) s_xH(τ_xH+1) ... s_xH(m)]^T，

s_R＝[s_L(τ_L) s_L(τ_L+1) ... s_L(m)]^T，

s_yA＝[s_yH(τ_yH) s_yH(τ_yH+1) ... s_yH(m)]^T。

所述的基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法，优选的，所述S3包括：

对低频转速信号进行希尔伯特变换得到复数解析信号，再对复解析信号求幅角提取转速信号的瞬时相位，即传感器的瞬时角位置，用s_P表示：

s_P＝Arg(Hilbert(s_R))，

则投影合成的沿齿轮啮合压力角方向的振动加速度s_α由下式计算：

s_α＝s_xA×sin(s_P+α)-s_yA×cos(s_P+α)，

其中乘号×表示向量外积，加号+表示向量中每一标量元素均与同一标量相加。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

通过在齿轮端面安装微型多向加速度传感器，将传感器各测量方向所感知的加速度数值实时投影到压力角方向，其投影数值的加和即为齿轮传动过程中沿压力角方向的啮合局部冲击。齿轮传动靠轮齿啮合力传递扭矩，而啮合力总是沿压力角方向，故所获取的信号直接反映了齿轮激励源的振动与冲击情况， 且不受传递路径的影响，对早期故障更加敏感，为齿轮故障的预示与诊断提供了新的途径。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明双轴加速度传感器安装示意图；

图2是本发明齿轮啮合压力角度示意图；

图3是本发明采集频率信号示意图；

图4是本发明振动信号获取方法示意图；

图5是本发明三轴加速度传感器安装示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位 构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本专利针对齿轮箱传动过程齿轮受力特点，提出一种沿齿轮压力角方向的齿轮局域振动信号的获取方法。通过在齿轮端面安装微型多向加速度传感器，将传感器各测量方向所感知的加速度数值实时投影到压力角方向，其投影数值的加和即为齿轮传动过程中沿压力角方向的啮合局部冲击。齿轮传动靠轮齿啮合力传递扭矩，而啮合力总是沿压力角方向，故所获取的信号直接反映了齿轮激励源的振动与冲击情况，且不受传递路径的影响，对早期故障更加敏感，为齿轮故障的预示与诊断提供了新的途径。

直齿轮布置方式如图1所示，在齿轮端面布置双轴微型加速度传感器，传感器X轴测量方向为齿轮切向，Y轴测量方向为齿轮径向。齿轮运转过程中，轮齿受到的啮合力沿齿轮压力角方向，传感器的两个测量方向所在平面即齿轮端面与齿轮压力角方向平行，啮合力沿两个测量方向的投影分力可被微型传感器所感知并采集。

如图2所示，加速度传感器X轴方向所感知的振动加速度用a_x表示，Y轴方向所感知的振动加速度用a_y表示。从(重力)竖直向下方向沿齿轮转动方向指向加速度传感器Y轴测量正向的夹角用θ表示，此角度表示齿轮所处角位置。齿轮啮合压力角为α。则a_x与a_y沿啮合压力角方向上的投影加速度分量为：

a_xα＝-a_x·cos(α+θ)

a_yα＝a_y·sin(α+θ)

被测齿轮沿压力角方向的振动加速度a_α为：

a_α＝a_xα+a_yα＝a_y·sin(α+θ)-a_x·cos(α+θ)

对某个齿轮而言，压力角α为一常数值，齿轮角位置θ随齿轮转动而周期性变化。由于重力沿加速度传感器测量方向上的分力随齿轮转动而发生变化，故加速度传感器获得的信号包含低频正弦信号与高频振动加速度信号两部分，如图3所示，低频正弦信号的频率即为转频。

通过对加速度传感器所获取的信号中的低频成分进行分离与处理可计算出齿轮的实时角位置θ，进而计算出沿啮合压力角方向的振动加速度信号，计算流程如下所示：

从微型加速度传感器X轴方向与Y轴方向采集的离散数字信号分别用数组s_x与s_y表示，信号长度为m个采样点：

s_x＝[s_x(0) s_x(1) ... s_x(m)]^T

s_y＝[s_y(0) s_y(1) ... s_y(m)]^T

将所得信号s_x通过线性相位高通滤波器，滤波器抽头权系数用数组w_xH表示，滤波器阶数为N，滤波器群延迟为和τ_xH个采样点：

w_xH＝[w_xH(0) w_xH(1) ... w_xH(N)]^T

滤波后的信号用s_xH表示，即原始信号与滤波器抽头权数组的卷积运算结果：

s_y分别通过线性相位低通滤波器和线性相位高通滤波器，滤波器抽头权系数分别用数组w_yL和w_yH表示，滤波器阶数为N，滤波器群延迟分别为τ_yL和τ_yH个采样点：

w_yL＝[w_yL(0) w_yL(1) ... w_yL(N)]^T

w_yH＝[w_yH(0) w_yH(1) ... w_yH(N)]^T

滤波后的信号分别用s_yL和s_yH表示，即原始信号与滤波器抽头权数组的卷积运算结果：

由于滤波器对信号相位的延迟作用，滤波后的信号存在不同长度的群延迟，为同步滤波后的信号，以便后续合成计算，需要对信号进行群延迟修正，即分别将s_xH，s_yL和s_yH三组信号从时域上向前移动τ_xH，τ_yL和τ_yH个采样点，修正后的信号分别为X轴高频振动加速度信号，低频转速信号与Y轴高频振动加速度信号，分别用s_xA，s_R和s_yA表示：

s_xA＝[s_xH(τ_xH) s_xH(τ_xH+1) ... s_xH(m)]^T

s_R＝[s_L(τ_L) s_L(τ_L+1) ... s_L(m)]^T

s_yA＝[s_yH(τ_yH) s_yH(τ_yH+1) ... s_yH(m)]^T

对低频转速信号进行希尔伯特变换得到复数解析信号，再对复解析信号求 幅角提取转速信号的瞬时相位，即传感器的瞬时角位置，用s_P表示：

s_P＝Arg(Hilbert(s_R))

则投影合成的沿齿轮啮合压力角方向的振动加速度s_α由下式计算：

s_α＝s_xA×sin(s_P+α)-s_yA×cos(s_P+α)

其中乘号×表示向量外积，加号+表示向量中每一标量元素均与同一标量相加。

以上计算流程如图4所示，最终获得沿压力角方向的齿轮局部振动信号。

当被测齿轮为斜齿轮时，由于啮合力包含沿齿轮轴向的分力F_a，故获取沿压力角方向的齿轮局部振动信号需要采用三轴微型加速度传感器，如图5所示。

传感器X轴测量方向为齿轮切向，Y轴测量方向为齿轮径向，Z轴测量方向为齿轮轴向，其感知的加速度分别为a_x，a_y，a_z。齿轮螺旋角为β，法面压力角为α_n。从(重力)竖直向下方向沿齿轮转动方向指向加速度传感器Y轴测量正向的夹角用θ表示。则被测齿轮沿压力角方向的振动加速度a_α为：

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理 解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法，其特征在于，包括：

S1，在齿轮端面安装双轴加速度传感器，通过该加速度传感器采集齿轮X轴和Y轴振动加速度信号值，并将所得信号经过线性相位滤波器进行滤波；

S2，对滤波后信号进行群延迟修正，获取低频转速信号数据和高频振动加速度信号数据；

S3，对步骤S2获取的低频转速信号数据通过希尔伯特变换得到该加速度传感器的瞬时角位置信号，进而合成得到齿轮压力角方向上振动加速度信号。

2.根据权利要求1所述的基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法，其特征在于，所述S1包括：

加速度传感器X轴方向所感知的振动加速度用a_x表示，Y轴方向所感知的振动加速度用a_y表示；从重力竖直向下方向沿齿轮转动方向指向加速度传感器Y轴测量正向的夹角用θ表示，此角度表示齿轮所处角位置；齿轮啮合压力角为α；则a_x与a_y沿啮合压力角方向上的投影加速度分量分别为：

a_xα＝-a_x·cos(α+θ)，

a_yα＝a_y·sin(α+θ)，

被测齿轮沿压力角方向的振动加速度a_α为：

a_α＝a_xα+a_yα＝a_y·sin(α+θ)-a_x·cos(α+θ)，

对某个齿轮而言，压力角α为一常数值，齿轮角位置θ随齿轮转动而周期性变化；由于重力沿加速度传感器测量方向上的分力随齿轮转动而发生变化，故加速度传感器获得的信号包含低频正弦信号与高频振动加速度信号两部分，低频正弦信号的频率即为转频，

通过对加速度传感器所获取的信号中的低频成分进行分离与处理可计算出齿轮的实时角位置θ，进而计算出沿啮合压力角方向的振动加速度信号，

从微型加速度传感器X轴方向与Y轴方向采集的离散数字信号分别用数组s_x与s_y表示，信号长度为m个采样点，上标T表示向量/矩阵转置：

s_x＝[s_x(0) s_x(1) ... s_x(m)]^T，

s_y＝[s_y(0) s_y(1) ... s_y(m)]^T，

将所得信号s_x通过线性相位高通滤波器，滤波器抽头权系数用数组w_xH表示，滤波器阶数为N，滤波器群延迟为τ_xH个采样点：

w_xH＝[w_xH(0) w_xH(1) ... w_xH(N)]^T，

滤波后的信号用s_xH表示，即原始信号与滤波器抽头权数组的卷积运算结果：

s_y分别通过线性相位低通滤波器和线性相位高通滤波器，滤波器抽头权系数分别用数组w_yL和w_yH表示，滤波器阶数为N，滤波器群延迟分别为τ_yL和τ_yH个采样点：

w_yL＝[w_yL(0) w_yL(1) ... w_yL(N)]^T，

w_yH＝[w_yH(0) w_yH(1) ... w_yH(N)]^T，

滤波后的信号分别用s_yL和s_yH表示，即原始信号与滤波器抽头权数组的卷积运算结果：

3.根据权利要求1所述的基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法，其特征在于，所述S1中加速度值的采集过程还包括：

当被测齿轮为斜齿轮时，由于啮合力包含沿齿轮轴向的分力F_a，故获取沿压力角方向的齿轮局部振动信号需要采用三轴微型加速度传感器；

通过该加速度传感器采集齿轮X轴、Y轴和Z轴振动加速度信号值，经过线性相位滤波器滤波，对滤波器群延迟的采样点进行数据采样。

4.根据权利要求3所述的基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法，其特征在于，所述S1中加速度值的采集过程还包括：

传感器X轴测量方向为齿轮切向，Y轴测量方向为齿轮径向，Z轴测量方向为齿轮轴向，其感知的加速度分别为a_x，a_y，a_z；齿轮螺旋角为β，法面压力角为α_n；从重力竖直向下方向沿齿轮转动方向指向加速度传感器Y轴测量正向的夹角用θ表示；则被测齿轮沿压力角方向的振动加速度a_α为：

5.根据权利要求1所述的基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法，其特征在于，所述S2包括：

由于滤波器对信号相位的延迟作用，滤波后的信号存在不同长度的群延迟，为同步滤波后的信号，以便后续合成计算，需要对信号进行群延迟修正，即分别将s_xH，s_yL和s_yH三组信号从时域上向前移动τ_xH，τ_yL和τ_yH个采样点，修正后的信号分别为X轴高频振动加速度信号，低频转速信号与Y轴高频振动加速度信号，分别用s_xA，s_R和s_yA表示：

s_xA＝[s_xH(τ_xH) s_xH(τ_xH+1) ... s_xH(m)]^T，

s_R＝[s_L(τ_L) s_L(τ_L+1) ... s_L(m)]^T，

s_yA＝[s_yH(τ_yH) s_yH(τ_yH+1) ...s_yH(m)]^T。

6.根据权利要求1所述的基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法，其特征在于，所述S3包括：

对低频转速信号进行希尔伯特变换得到复数解析信号，再对复解析信号求幅角提取转速信号的瞬时相位，即传感器的瞬时角位置，用s_P表示：

s_P＝Arg(Hilbert(s_R))，

则投影合成的沿齿轮啮合压力角方向的振动加速度s_α由下式计算：

s_α＝s_xA×sin(s_P+α)-s_yA×cos(s_P+α)，

其中乘号×表示向量外积，加号+表示向量中每一标量元素均与同一标量相加。