CN109682597A - 一种齿轮箱振动信号处理和分析方法 - Google Patents

一种齿轮箱振动信号处理和分析方法 Download PDF

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Abstract

一种齿轮箱振动信号处理和分析方法，包括：同步采集参考轴转速信号、参考轴振动信号和非参考轴振动信号；由参考轴转速信号识别转速脉冲沿，计算每两个脉冲之间的瞬时转速，同时对脉冲沿时间序列进行插值计算，得到等角度采样时间序列；对参考轴振动信号进行抗混滤波，再由等角度采样时间序列对参考轴振动信号进行插值采样，得到参考轴等角度振动信号；由参考轴脉冲沿时间序列得到非参考轴虚拟的脉冲沿时间序列，经过瞬时转速计算、等角度采样时间序列计算、数字抗混叠滤波和数字重采样，得到非参考轴振动信号的等角度波形。本发明非常适合齿轮箱内部中间轴、行星轮轴和太阳轮轴振动信号的分析、故障特征提取和诊断，以及任何多轴系转动机械系统。

Description

一种齿轮箱振动信号处理和分析方法
技术领域
本发明属于齿轮箱振动信号分析和故障诊断领域，具体涉及一种基于齿轮箱内部不可见的转轴进行角域等角度采样和故障分析的方法。
背景技术
齿轮箱是一种重要的传动设备，具有结构紧凑，变扭矩，变转速，效率高等特点，广泛应用于航空、电力、船舶、矿山、汽车等领域。对于定轴齿轮箱，所有齿轮的几何轴线位置是固定的，结构比较简单，行星齿轮箱轴系结构复杂，行星轮、太阳轮、内齿圈多点啮合，啮合位置不断变动，行星轮沿自身轮轴做自转，同时又跟随行星架绕太阳轮轴做公转，振动信号传递路径长。
阶比分析是转动设备振动信号分析和故障诊断的一种非常有效分析方法。精确的阶比分析需要同时在转轴上安装键相传感器和振动传感器，同步采集键相脉冲信号和振动信号，采用计算阶比跟踪技术（Computed Order Tracking）将采集的等时间间隔振动信号转换为等角度角域信号，然后应用FFT得到振动信号阶比谱，进而根据各种故障的阶比谱特征进行分析诊断。
对于定轴齿轮箱或者行星齿轮箱，转速传感器只能安装在齿轮箱的输入或者输出轴上，无法跟踪内部的中间轴、行星轮轴、太阳轮轴，对其进行阶比跟踪采样，虽然可以根据这些转轴与输入或者输出轴的转速比，得到相应的阶比频谱，但是无法得到准确的等角度采样波形数据，因而也无法应用时域同步平均技术等一些非常有效的信号分析方法，对行星轮振动、太阳轮轴振动信号进行分析和故障诊断。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种齿轮箱振动信号处理和分析方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种齿轮箱振动信号处理和分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、使用多通道高速同步采集卡，同步采集参考轴转速信号、参考轴振动信号和非参考轴振动信号；
步骤二、由参考轴转速信号识别转速脉冲沿，自动计算每一个脉冲沿到达的时间，计算每两个脉冲之间的瞬时转速，同时对脉冲沿时间序列进行插值计算，得到等角度采样时间序列，即相对于参考轴的等角度采样序列；
步骤三、对参考轴振动信号进行数字抗混叠滤波处理，再由等角度采样时间序列对参考轴振动信号进行插值采样，得到参考轴等角度振动信号；
步骤四、由参考轴脉冲沿时间序列，使用插值滤波器对其进行升采样，再使用抽取滤波器进行降采样，得到非参考轴虚拟的脉冲沿时间序列，经过瞬时转速计算、等角度采样时间序列计算、数字抗混叠滤波和数字重采样，得到非参考轴振动信号的等角度波形。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
所述步骤一中，通过转速测量传感器采集参考轴转速信号，转速测量传感器使用电涡流传感器或者光电传感器；通过加速度传感器测量参考轴振动信号和非参考轴振动信号。
所述步骤二中，首先由给定的阈值对参考轴转速脉冲信号进行阈值检波，识别脉冲信号上升沿或下降沿的脉冲沿时间序列[t0、t1、t2…tn]，然后计算两个脉冲间的时间差dt0=t1-t0，dt1=t2-t1，…，dtn-1=tn-tn-1，计算得到参考轴瞬时转速和瞬时转动频率f；
对脉冲沿时间序列进行插值，插值运算采用级联积分梳状CIC插值滤波器，插值系数选为K，级数选择4级，滤波器的梳状部分的差分延时选1，脉冲沿时间序列插值得到的参考轴振动信号等角度采样时间序列为[x0、x1、x2…xKn-1]。
所述步骤三中，由插值系数K及参考轴瞬时转动频率f，得到参考轴振动信号计算阶比跟踪重采样的采样频率为K*f，根据采样定理确定重采样前的抗混滤波器低通截止频率为K*f/2，采用Kaiser窗FIR低通滤波器对参考轴振动信号进行抗混滤波，删除不需要的高频频率成分，再由等角度采样时间序列[x0、x1、x2…xKn-1]，经线性插值对参考轴振动信号进行插值采样，得到需要的参考轴等角度振动信号。
所述步骤四中，假设参考轴与非参考轴的转速比为N/M，由参考轴脉冲沿时间序列，使用CIC插值滤波器对其进行M倍升采样，再使用CIC抽取滤波器对进行升采样后的序列进行N倍降采样，即可得到非参考轴虚拟的脉冲沿时间序列，再经过非参考轴瞬时转速计算、非参考轴等角度采样时间序列计算、非参考轴振动信号的数字抗混叠滤波和数字重采样，得到非参考轴振动信号的等角度波形。
本发明的有益效果是：该方法非常适合齿轮箱内部中间轴、行星轮轴和太阳轮轴振动信号分析、故障特征提取和诊断，同时也适合任何多轴系转动机械系统的振动信号分析。
附图说明
图1是本发明的流程框图。
图2是齿轮箱结构图。
图3是参考轴转速键相脉冲信号。
图4是中间轴振动原始信号。
图5是转速脉冲沿时间序列。
图6是由中间轴阶比跟踪采样得到的中间轴等角度振动波形。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，首先，使用多通道高速同步采集卡，同步采集参考轴（比如行星齿轮箱的输入轴）转速、参考轴振动和其他非参考轴（如行星轮轴、太阳轮轴、输出轴等）振动信号。该转速测量传感器可以使用电涡流传感器或者光电传感器，对于使用电涡流传感器，参考轴上需要安装测速齿轮盘或者开一个键相槽，振动信号可以采用普通的加速度传感器。
由转速信号识别转速脉冲沿，自动计算每一个脉冲沿到达的时间，计算每两个脉冲之间的瞬时转速，同时对脉冲沿时间序列进行插值计算，得到等角度采样时间序列，该序列是相对于参考轴的等角度采样序列。
首先由给定的阈值对参考轴转速脉冲信号进行阈值检波，识别脉冲信号上升沿（或下降沿）的脉冲沿时间序列[t0、t1、t2…tn]，然后计算两个脉冲间的时间差，dt0=t1-t0，dt1=t2-t1，…，dtn-1=tn-tn-1，计算得到参考轴瞬时转速和瞬时转动频率f。
对脉冲沿时间序列进行插值，插值倍数K根据分析实际需要进行选择，同时考虑到后续FFT计算，可以选择64、128、256、512、1024等。插值运算采用级联积分梳状（CascadeIntegrator Comb）CIC插值滤波器，插值倍数选为K，级数选择4级，滤波器的梳状部分的差分延时选1。脉冲沿时间序列插值得到的参考轴振动信号等角度采样时间序列为[x0、x1、x2…xKn-1]。
CIC滤波器是一种可以实现抽取或者插值的高效滤波器。它主要用于大比例降低或提高采样率，具有实现简单, 处理速度快、占用资源少的特点, 最大的优点是不需要进行乘法运算。
由插值系数K及参考轴瞬时转频为f，得到参考轴振动信号计算阶比跟踪重采样的采样频率为K*f，根据采样定理确定重采样前的抗混滤波器低通截止频率为K*f/2，采用Kaiser窗FIR低通滤波器对参考轴原始振动信号进行抗混滤波，删除不需要的高频频率成分，再由上述等角度采样时间序列为[x0、x1、x2…xKn-1]，经线性插值对参考轴原始振动信号进行插值采样，得到需要的参考轴等角度振动信号。
对于非参考轴原始振动数据处理过程如下：对于行星齿轮箱，或者平行轴齿轮箱，每个转轴上得齿轮齿数是一定的，因此相应的转轴存在缺定的转速比例，并且这个比例是可以采用两个质数（N和M）相除得到。因此，假设参考轴与非参考轴的转速比为N/M，则非参考轴的转速为参考轴的M/N倍。由参考轴脉冲沿时间序列，使用CIC插值滤波器对其进行M倍升采样，再使用CIC抽取滤波器进行升采样后的序列进行N倍降采样，即可得到非参考轴虚拟的脉冲沿时间序列，再重复上面的瞬时转速计算、等角度采样时间序列计算、数字抗混叠滤波和数字重采样，得到非参考轴振动信号的等角度波形。
以某一个二级平行齿轮结构的齿轮箱为例，包含一个输入轴、一个中间轴和一个输出轴，中间轴小齿轮G3和输出轴大齿轮G4组成一对啮合齿轮副，其小齿轮齿数为Z3=27，大齿轮齿数为Z4=102，转速键相传感器安装在输出轴上，即使用输出轴作为参考轴，转动一周产生一个脉冲信号，齿轮箱结构图如图2所示。
测量得到的原始转速脉冲信号与中间轴原始振动信号如图3、图4所示。
由参考轴转速键相脉冲信号，计算得到脉冲沿时间序列为T，T=[0.1303 0.29510.4599 0.6249 0.7897 0.9545 …]，见图5中的星号序列。
由于键相参考轴（输出轴）与非参考轴（中间轴）齿轮的齿数分别为27和102，因此，对上述计算得到的时间序列T，利用CIC插值滤波器进行102倍升采样（M=102）、再利用CIC抽取滤波器进行27倍降采样（N=27），得到虚拟的非参考轴（中间轴）的键相脉冲时间序列X，X=[ 0.04306 0.08666 0.13027 0.17389 0.21750 0.26113 0.30477 0.34841 0.39210.43571 0.47937 0.52302 0.56667 0.61032 0.65396 0.69759 0.74121 0.784830.82845 0.87206 0.91568]，见图5中的三角形序列。
对虚拟的中间轴键相脉冲时间序列进行512倍插值，得到基于中间轴转速的中间轴振动信号等角度采样时间序列，再由该序列进行中间轴原始振动波形的插值重采样，得到了如图6所示的中间轴等角度振动信号。
图6所示的中间轴等角度振动波形存在明显的转频周期的冲击，说明中间轴存在断齿故障。
实施例说明本专利提出的齿轮箱信号分析处理方法具有非常好的效果，既解决了齿轮箱内部转轴振动信号无法进行精确的角域等角度采样问题，有为分析人员提供了准确的诊断和定位齿轮箱故障的工具，具有非常广阔的应用市场和经济价值。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种齿轮箱振动信号处理和分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、使用多通道高速同步采集卡，同步采集参考轴转速信号、参考轴振动信号和非参考轴振动信号；
步骤二、由参考轴转速信号识别转速脉冲沿，自动计算每一个脉冲沿到达的时间，计算每两个脉冲之间的瞬时转速，同时对脉冲沿时间序列进行插值计算，得到等角度采样时间序列，即相对于参考轴的等角度采样序列；
步骤三、对参考轴振动信号进行数字抗混叠滤波处理，再由等角度采样时间序列对参考轴振动信号进行插值采样，得到参考轴等角度振动信号；
步骤四、由参考轴脉冲沿时间序列，使用插值滤波器对其进行升采样，再使用抽取滤波器进行降采样，得到非参考轴虚拟的脉冲沿时间序列，经过瞬时转速计算、等角度采样时间序列计算、数字抗混叠滤波和数字重采样，得到非参考轴振动信号的等角度波形。
2.如权利要求1所述的一种齿轮箱振动信号处理和分析方法，其特征在于：所述步骤一中，通过转速测量传感器采集参考轴转速信号，转速测量传感器使用电涡流传感器或者光电传感器；通过加速度传感器测量参考轴振动信号和非参考轴振动信号。
3.如权利要求1所述的一种齿轮箱振动信号处理和分析方法，其特征在于：所述步骤二中，首先由给定的阈值对参考轴转速脉冲信号进行阈值检波，识别脉冲信号上升沿或下降沿的脉冲沿时间序列[t0、t1、t2…tn]，然后计算两个脉冲间的时间差dt0=t1-t0，dt1=t2-t1，…，dtn-1=tn-tn-1，计算得到参考轴瞬时转速和瞬时转动频率f；
对脉冲沿时间序列进行插值，插值运算采用级联积分梳状CIC插值滤波器，插值系数选为K，级数选择4级，滤波器的梳状部分的差分延时选1，脉冲沿时间序列插值得到的参考轴振动信号等角度采样时间序列为[x0、x1、x2…xKn-1]。
4.如权利要求3所述的一种齿轮箱振动信号处理和分析方法，其特征在于：所述步骤三中，由插值系数K及参考轴瞬时转动频率f，得到参考轴振动信号计算阶比跟踪重采样的采样频率为K*f，根据采样定理确定重采样前的抗混滤波器低通截止频率为K*f/2，采用Kaiser窗FIR低通滤波器对参考轴振动信号进行抗混滤波，删除不需要的高频频率成分，再由等角度采样时间序列[x0、x1、x2…xKn-1]，经线性插值对参考轴振动信号进行插值采样，得到需要的参考轴等角度振动信号。
5.如权利要求4所述的一种齿轮箱振动信号处理和分析方法，其特征在于：所述步骤四中，假设参考轴与非参考轴的转速比为N/M，由参考轴脉冲沿时间序列，使用CIC插值滤波器对其进行M倍升采样，再使用CIC抽取滤波器对进行升采样后的序列进行N倍降采样，即可得到非参考轴虚拟的脉冲沿时间序列，再经过非参考轴瞬时转速计算、非参考轴等角度采样时间序列计算、非参考轴振动信号的数字抗混叠滤波和数字重采样，得到非参考轴振动信号的等角度波形。
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Application publication date: 20190426

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