CN110455528B - 用于行星齿轮损伤诊断的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于行星齿轮损伤诊断的方法和系统，属于行星齿轮损伤诊断的技术领域。用于行星齿轮损伤诊断的方法包括：获取行星齿轮的振动信号和行星齿轮所在的齿轮箱的高速轴的转速信号；对振动信号进行关于预先构建的虚拟轴的整周期同步采样，得到整周期同步采样信号，其中虚拟轴根据齿轮箱的结构和转速信号构建，虚拟轴的旋转速度为行星齿轮相对于的行星架的旋转速度；对整周期同步采样信号进行阶次谱分析以得到用于提取行星齿轮的损伤信息的阶次谱。通过本发明提供的技术方案，不仅有效提高了行星齿轮的故障特征的信噪比，而且提高了行星齿轮部件故障检测的精准度和可测性。
Description
技术领域
本发明涉及用于行星齿轮损伤诊断的技术，具体地涉及用于行星齿轮损伤诊断的方法和系统。
背景技术
在工业应用中，行星齿轮是比较常见的机械设备，但是由于行星齿轮的运行复杂性，行星齿轮系统的故障检测比常规的平行齿轮更为困难。行星系齿轮在工业界常用的传动部件中广泛用于旋转机械的调速，常用的如变速箱，风机齿轮箱等。与平行轴齿轮相比，行星系齿轮具有更平稳、更紧凑、更大的承载力和更高的效率等优点。但是从状态监测的角度来看，具有行星齿轮的变速箱由于其运动学关系复杂，而使得通用的监测系统对齿轮箱内所有部件的跟踪显得无能为力。
常规的故障检测分析方法是以振动响应为基础。在风机故障检测过程中，对行星齿轮系中的行星齿轮损伤的探测是这一方法广泛应用中的难题。这是因为存在以下问题：(1)运行速度低使得损伤特征信息的信噪比低；(2)振动传递路径较远且复杂使得信号在传递过程中损失严重；(3)运动学关系相对复杂使得损伤信息定位难。
发明内容
本发明的目的是提供用于行星齿轮损伤诊断的方法和系统，用于解决更好地分析行星齿轮损伤的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于行星齿轮损伤诊断的方法，所述行星齿轮在齿轮箱内，该方法包括：获取所述行星齿轮的振动信号和所述齿轮箱的高速轴的转速信号；对所述振动信号进行关于预先构建的虚拟轴的整周期同步采样，得到整周期同步采样信号，其中所述虚拟轴根据所述齿轮箱的结构和所述转速信号构建，所述虚拟轴的旋转速度为所述行星齿轮相对于行星架的旋转速度；以及对所述整周期同步采样信号进行阶次谱分析以得到用于提取所述行星齿轮的损伤信息的阶次谱。
优选地，该方法还包括：对所述整周期同步采样信号进行关于所述虚拟轴的同步平均，得到同步平均的周期域信号；以及对所述周期域信号进行阶次谱分析以得到用于提取所述行星齿轮的损伤信息的阶次谱或进行峭度分析以得到用于提取所述行星齿轮的损伤信息的峭度信息。
优选地，该方法还包括：提取所述周期域信号的包络线；以及对所述包络线进行阶次谱分析以得到用于提取所述行星齿轮的损伤信息的阶次谱。
优选地，所述阶次谱分析通过快速傅里叶变换实现。
优选地，对所述振动信号进行关于预先构建的虚拟轴的整周期同步采样，得到整周期同步采样信号包括：对所述振动信号进行等时间步长采样，得到等时间步长采样信号；根据所述转速信号和所述齿轮箱的结构推算得到所述虚拟轴的转动速度；根据所述虚拟轴的转动速度对所述等时间步长采样信号按照所述虚拟轴的转动角度进行离散化，以使得所述振动信号按照所述虚拟轴的转动角度等距分布，从而得到所述虚拟轴的所述整周期同步采样信号。
相应地，本发明还提供了一种用于行星齿轮损伤诊断的系统，所述行星齿轮在齿轮箱内，该系统包括：采集单元，用于获取所述行星齿轮的振动信号和所述齿轮箱的高速轴的转速信号；处理单元，用于对所述振动信号进行关于预先构建的虚拟轴的整周期同步采样，得到整周期同步采样信号，其中所述虚拟轴根据所述齿轮箱的结构和所述转速信号构建，所述虚拟轴的旋转速度为所述行星齿轮相对于行星架的旋转速度；以及分析单元，用于对所述整周期同步采样信号进行阶次谱分析以得到用于提取所述行星齿轮的损伤信息的阶次谱。
优选地，所述处理单元还用于对所述整周期同步采样信号进行关于所述虚拟轴的同步平均，得到同步平均的周期域信号；以及所述分析单元还用于对所述周期域信号进行阶次谱分析以得到用于提取所述行星齿轮的损伤信息的阶次谱或进行峭度分析以得到用于提取所述行星齿轮的损伤信息的峭度信息。
优选地，所述处理单元还用于提取所述周期域信号的包络线；以及所述分析单元还用于对所述包络线进行阶次谱分析以得到用于提取所述行星齿轮的损伤信息的阶次谱。
优选地，所述阶次谱分析通过快速傅里叶变换实现。
优选地，所述处理单元对所述振动信号进行关于预先构建的虚拟轴的整周期同步采样，得到整周期同步采样信号包括：对所述振动信号进行等时间步长采样，得到等时间步长采样信号；根据所述转速信号和所述齿轮箱的结构推算得到所述虚拟轴的转动速度；根据所述虚拟轴的转动速度对所述等时间步长采样信号按照所述虚拟轴的转动角度进行离散化，以使得所述振动信号按照所述虚拟轴的转动角度等距分布，从而得到所述虚拟轴的所述整周期同步采样信号。
通过上述技术方案，本发明通过根据齿轮箱的结构和转速信号构建虚拟轴，并关于虚拟轴进行整周期同步采样和阶次谱分析，不仅有效提高了行星齿轮的故障特征的信噪比，而且提高了行星齿轮部件故障检测的精准度和可测性。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是本发明提供的同步啮合的行星齿轮；
图2是本发明提供的引入虚拟轴的同步啮合的行星齿轮；
图3是本发明提供的用于行星齿轮损伤诊断的方法的流程图；
图4是本发明提供的行星齿轮损伤信号处理流程图；
图5是本发明提供的用于行星齿轮损伤诊断的系统的框图；
图6是本发明提供的具有二级行星齿轮和一级平行齿轮的三级齿轮箱简图；
图7是本发明提供的针对图6所示的三级齿轮的一级行星齿轮的行星齿面剥落的图像；
图8是本发明提供的图7所示的行星齿轮的高速轴的轴速；
图9是本发明提供的与图7所示的行星齿轮对应的同步平均的周期域信号的波形；
图10是本发明提供的与图7所示的行星齿轮对应的同步平均的周期域信号的包络谱的阶次谱；以及
图11是本发明提供的与图7所示的行星齿轮对应的同步平均的周期域信号的阶次谱。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
在介绍本发明的具体实施方式之前，首先结合图1和图2介绍一下本发明的理论基础，图1是本发明提供的同步啮合的行星齿轮，图2是本发明提供的引入虚拟轴的同步啮合的行星齿轮。
在行星齿轮中，如图1所示的行星齿轮的结构，其运动学关系较为复杂。为获得各个轴的旋转频率和齿轮啮合频率之间的关系，使整个行星齿轮做相对于行星架大小相同、方向相反的旋转运动，也就是说，假想将观察者固定在行星架上一起运动，然后观察各部件的运动，如2所示。在这种变换下，齿轮啮合频率与各齿轮的齿数、各轴的旋转频率有如下关系：
fm＝Nrfc＝Np(fp+fc)＝Ns(fs-fc) (1)
其中，fm为齿轮啮合频率，Nr为圈齿齿数，fc为行星架轴转速，Np为行星轮齿数，fp为行星轮轴绝对速度，Ns为太阳轮齿数，fs为太阳轮轴绝对速度。
在本发明中，构建了一个虚拟轴，该虚拟轴在做行星齿轮相对于行星架的相对运动，该虚拟轴的运行速度为：
其中，fPLTr为虚拟轴的运行速度。
因此，行星轮轴绝对速度与行星架轴转速之间的关系为：
fp和fPLTr与fc之间一般不是整数倍的关系。
在构建的虚拟轴下，行星齿轮每旋转一次，其单齿损伤将于内圈齿轮和太阳齿轮各接触一次，所以行星齿轮的单齿损伤频率为：
fpgd＝2(fp+fc)＝2fPLTr (4)
其中，fpgd为行星齿轮的单齿损伤频率。
通过以上分析可以看出，行星齿轮损伤响应与虚拟轴的转动是同步的，而与齿轮箱内任意物理轴的转动不是同步的。
本发明利用虚拟轴的概念，对虚拟轴的振动响应信号进行同步分析，不仅大大提高了行星齿轮故障特征信号的信噪比，而且实现了行星齿轮故障的有效、准确提取。
图3是本发明提供的用于行星齿轮损伤诊断的方法的流程图，其中行星齿轮在齿轮箱内，如图3所示，该方法包括：
步骤301，获取行星齿轮的振动信号和齿轮箱的高速轴的转速信号；
步骤302，对振动信号进行关于预先构建的虚拟轴的整周期同步采样，得到整周期同步采样信号，其中虚拟轴根据齿轮箱的结构和转速信号构建，虚拟轴的旋转速度为行星齿轮相对于行星架的旋转速度；
步骤303，对整周期同步采样信号进行阶次谱分析以得到用于提取行星齿轮的损伤信息的阶次谱。
本领域技术人员应当理解，齿轮箱的结构决定了齿轮箱的高速轴与行星架之间关系，在齿轮箱的结构确定的情况下，齿轮箱的高速轴与行星架的旋转速度(即行星架的轴转速)之间的关系也就确定了，因而可以通过齿轮箱的高速轴的转速可以推算出行星架的旋转速度，从而可以得到构建的虚拟轴的旋转速度的大小和方向，其中，所构建的虚拟轴的旋转速度为行星齿轮相对于行星架的旋转速度(参考公式(2))。这里，齿轮箱的结构例如为具有二级行星齿轮和一级平行齿轮的三级齿轮箱。
其中，对行星齿轮的振动信号的获取和对齿轮箱的高速轴的转速信号的获取是同时进行的。
本发明提供的用于行星齿轮损伤诊断的方法还包括：对整周期同步采样信号进行关于虚拟轴的同步平均，得到同步平均的周期域信号；对周期域信号进行阶次谱分析以得到用于提取所述行星齿轮的损伤信息的阶次谱或进行峭度分析以得到用于提取所述行星齿轮的损伤信息的峭度信息。
其中通过对整周期同步采样信号进行关于虚拟轴的同步平均之后，使得与虚拟轴同步的信号(如，虚拟轴的响应和高阶谐波、行星齿轮啮合频率和谐波)被保留，而与虚拟轴不同步的信号被抑制。其中，由于行星齿轮的齿损将以虚拟轴的转速两倍频的调制形式与虚拟轴同步，所以行星齿轮的齿损响应也会保留。
此外，本发明提供的用于行星齿轮损伤诊断的方法还包括：提取周期域信号的包络线；对包络线进行阶次谱分析以得到用于提取行星齿轮的损伤信息的阶次谱。
应当注意的是，对整周期同步采样信号进行阶次谱分析、对同步平均的周期域信号进行阶次谱分析、对同步平均的周期域信号进行峭度分析、对周期域信号的包络线进行阶次谱分析是几个并列的步骤，通过对不同对象进行阶次谱分析或对同步平均的周期域信号的峭度分析可以用于判断行星齿轮的不同损伤。一般来说，阶次谱分析通过快速傅里叶变换(FFT)实现。
具体来说，以上所描述的对振动信号进行关于预先构建的虚拟轴的整周期同步采样，得到整周期同步采样信号包括：对振动信号进行等时间步长采样，得到等时间步长采样信号；根据转速信号和齿轮箱的结构推算得到虚拟轴的转动速度；根据虚拟轴的转动速度对等时间步长采样信号按照虚拟轴的转动角度进行离散化，以使得振动信号按照虚拟轴的转动角度等距分布，从而得到虚拟轴的整周期同步采样信号。
整周期处理为将非整周期信号转化为整周期信号，本发明中采用现有技术的方案实现这一过程，在本发明中，整周期处理是将非整周期的等转角采样信号转化为整周期的等转角采样信号，这里将整周期的等转角采样数据称为整周期同步采样信号。
图4是本发明提供的行星齿轮损伤信号处理流程图，如图4所示，该流程包括：
步骤401，数据采集，即获取行星齿轮的振动信号和齿轮箱的高速轴的转速信号。
步骤402，对振动信号进行关于虚拟轴的整周期同步采样，得到整周期同步采样信号。
步骤403，对整周期同步采样信号进行关于虚拟轴的同步平均，得到同步平均的周期域信号。
步骤404，提取周期域信号的包络线。
步骤405，阶次谱分析，可分别对步骤402、步骤403、步骤404得到的不同信号分别进行阶次谱分析得到相应的阶次谱，具体来说，针对步骤402得到的整周期同步采样信号进行阶次谱分析，针对步骤403得到的同步平均的周期域信号进行阶次谱分析，针对步骤404得到的周期域信号的包络线进行阶次谱分析。本领域技术人员应当理解，对不同信号进行阶次谱分析可以得到不同的行星齿轮故障信息，即可以分析出行星齿轮的不同故障。
步骤406，对对同步平均的周期域信号进行峭度分析。
步骤407，提取损伤信息，可分别对步骤405和步骤406得到的结果进行损伤信息的提取，本领域技术人员应当理解，对于行星齿轮的损伤信息的提取，存在很多方法，例如但不限于以下几种方法：①在峭度分析得到的峭度中，峭度较大则可能出现较大故障；②在整周期同步采样信号的阶次谱中的啮合频率的二阶虚拟轴旁瓣分析；③在同步平均的周期域信号的阶次谱中的啮合频率的二阶虚拟轴旁瓣分析；④在同步平均的周期域信号的包络线的阶次谱中的二阶虚拟轴阶次和高阶谐波。
图5是本发明提供的用于行星齿轮损伤诊断的系统的框图，行星齿轮在齿轮箱内，如图5所示，该系统包括采集单元501、处理单元502和分析单元503，其中，采集单元501用于获取行星齿轮的振动信号和齿轮箱的高速轴的转速信号；处理单元502用于对振动信号进行关于预先构建的虚拟轴的整周期同步采样，得到整周期同步采样信号，其中虚拟轴根据齿轮箱的结构和转速信号构建，虚拟轴的旋转速度为行星齿轮相对于行星架的旋转速度；分析单元503用于对整周期同步采样信号进行阶次谱分析以得到用于提取行星齿轮的损伤信息的阶次谱。
需要说明的是，本发明提供的用于行星齿轮损伤诊断的系统的具体细节及益处与本发明提供的用于行星齿轮损伤诊断的方法类似，于此不予赘述。
以上介绍了本发明的技术方案及理论基础，下面简单介绍本发明的应用。
图6是本发明提供的具有二级行星齿轮和一级平行齿轮的三级齿轮箱简图，三级齿轮啮合是现今风力发电机多级齿轮啮合中的一个典型设计。图6所示的齿轮箱在额定功率下，输入叶轮速度约为17转/分(RPM)或约0.3赫兹(Hz)，高速轴输出轴速度约为1800RPM或30Hz。
在图6所示的三级齿轮中，在风机传动链上安装了6个加速度传感器和1个速度传感器，如图6所示。其中加速度传感器601安装在一级行星齿轮的圈齿附近(一般安装在风机外壳对应于一级行星齿轮的位置)，主要用于检测一级行星齿轮的振动信号；加速度传感器602安装在二级行星齿轮的圈齿附近(一般安装在风机外壳对应于二级行星齿轮的位置)，主要用于检测二级行星齿轮的振动信号；速度传感器603安装在高速轴的附近(例如，安装在发电机、联轴器上)，用于检测高速轴的转速。
图6中的所有传感器以20kHz的采样率同步采集，模数(A/D)转换为24位，每次采集的时间长度为60秒。
风力发电机齿轮箱的内窥镜年检显示一级行星齿轮的行星齿轮有齿轮面剥落现象，如图7所示，图7是本发明提供的针对图6所示的三级齿轮的一级行星齿轮的行星齿面剥落的图像。
对转速数据进行分析，得到高速轴的轴速在30Hz左右，接近额定功率的转速，图8是本发明提供的图7所示的行星齿轮的高速轴的轴速，这可以通过图6所示的相应的传感器检测到。
图9是本发明提供的与图7所示的行星齿轮(即图6所示的一级行星齿轮)对应的同步平均的周期域信号的波形，从图9中可以看出，虚拟轴每转一周，产生了两组振动冲击响应，符合行星齿轮损伤的特征，即，虚拟轴每转一周，行星齿轮损伤处与圈齿和太阳齿轮各啮合一次。
图10是本发明提供的与图7所示的行星齿轮(即图6所示的一级行星齿轮)对应的同步平均的周期域信号的包络谱的阶次谱。在图10中，虚拟轴的二阶阶次占主导地位，也反映了图9所示的行星齿轮损伤的损伤特征。
图11是本发明提供的与图7所示的行星齿轮(即图6所示的一级行星齿轮)对应的同步平均的周期域信号的阶次谱，如图11所示，在虚拟轴下，一级行星齿轮的啮合频率阶次为39。在图11中可以清晰地看到啮合阶次为39的啮合响应及其谐波(78和117)，此外这些啮合阶次和高阶谐波附近均有2倍虚拟轴速度的阶次的旁瓣，也就是说，一级行星齿轮啮合振动是被虚拟轴速度的2倍所调制。这一现象也符合上述行星齿轮损伤的特征。
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。
Claims (8)
1.一种用于行星齿轮损伤诊断的方法，所述行星齿轮在齿轮箱内，其特征在于，该方法包括：
获取所述行星齿轮的振动信号和所述齿轮箱的高速轴的转速信号；
对所述振动信号进行关于预先构建的虚拟轴的整周期同步采样，得到整周期同步采样信号，其中所述虚拟轴根据所述齿轮箱的结构和所述转速信号构建，所述虚拟轴的旋转速度为所述行星齿轮相对于行星架的旋转速度；以及
对所述整周期同步采样信号进行阶次谱分析以得到用于提取所述行星齿轮的损伤信息的阶次谱，
其中，对所述振动信号进行关于预先构建的虚拟轴的整周期同步采样，得到整周期同步采样信号包括：
对所述振动信号进行等时间步长采样，得到等时间步长采样信号；
根据所述转速信号和所述齿轮箱的结构推算得到所述虚拟轴的转动速度；
根据所述虚拟轴的转动速度对所述等时间步长采样信号按照所述虚拟轴的转动角度进行离散化，以使得所述振动信号按照所述虚拟轴的转动角度等距分布，从而得到所述虚拟轴的所述整周期同步采样信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
对所述整周期同步采样信号进行关于所述虚拟轴的同步平均，得到同步平均的周期域信号；以及
对所述周期域信号进行阶次谱分析以得到用于提取所述行星齿轮的损伤信息的阶次谱或进行峭度分析以得到用于提取所述行星齿轮的损伤信息的峭度信息。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
提取所述周期域信号的包络线；以及
对所述包络线进行阶次谱分析以得到用于提取所述行星齿轮的损伤信息的阶次谱。
4.根据权利要求1-3中任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述阶次谱分析通过快速傅里叶变换实现。
5.一种用于行星齿轮损伤诊断的系统，所述行星齿轮在齿轮箱内，其特征在于，该系统包括：
采集单元，用于获取所述行星齿轮的振动信号和所述齿轮箱的高速轴的转速信号；
处理单元，用于对所述振动信号进行关于预先构建的虚拟轴的整周期同步采样，得到整周期同步采样信号，其中所述虚拟轴根据所述齿轮箱的结构和所述转速信号构建，所述虚拟轴的旋转速度为所述行星齿轮相对于行星架的旋转速度；以及
分析单元，用于对所述整周期同步采样信号进行阶次谱分析以得到用于提取所述行星齿轮的损伤信息的阶次谱，
其中，所述处理单元对所述振动信号进行关于预先构建的虚拟轴的整周期同步采样，得到整周期同步采样信号包括：
对所述振动信号进行等时间步长采样，得到等时间步长采样信号；
根据所述转速信号和所述齿轮箱的结构推算得到所述虚拟轴的转动速度；
根据所述虚拟轴的转动速度对所述等时间步长采样信号按照所述虚拟轴的转动角度进行离散化，以使得所述振动信号按照所述虚拟轴的转动角度等距分布，从而得到所述虚拟轴的所述整周期同步采样信号。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，
所述处理单元还用于对所述整周期同步采样信号进行关于所述虚拟轴的同步平均，得到同步平均的周期域信号；以及
所述分析单元还用于对所述周期域信号进行阶次谱分析以得到用于提取所述行星齿轮的损伤信息的阶次谱或进行峭度分析以得到用于提取所述行星齿轮的损伤信息的峭度信息。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，
所述处理单元还用于提取所述周期域信号的包络线；以及
所述分析单元还用于对所述包络线进行阶次谱分析以得到用于提取所述行星齿轮的损伤信息的阶次谱。
8.根据权利要求5-7中任意一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述阶次谱分析通过快速傅里叶变换实现。
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