CN112595443B - 齿圈载荷分布检测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械传动检测技术领域，具体公开了一种齿圈载荷分布检测系统与方法，该载荷分布检测系统包括设置在齿圈上的应变微型感知单元和加速度微型感知单元，及AD采样模块、数据处理模块和控制模块，AD采样模块分别与应变微型感知单元和加速度微型感知单元连接，控制模块与AD采样模块连接,数据处理模块用于接收控制模块输出的信息并对信号进行模数转换，以及对信息进行预处理，完成特征数据的边缘处理与存储。采用本技术方案，实现对齿圈载荷分布信息的检测，简化结构，提高检测的精度。

Description

齿圈载荷分布检测系统与方法

技术领域

本发明属机械传动检测技术领域，涉及一种齿圈载荷分布检测系统与方法。

背景技术

在行星轮排系运行过程中，存在多维空间动载激励、牵连运动激励和内外齿间隙耦合激励，导致齿圈剧烈振动和系统产生大量噪声。在对轮系的检测和故障诊断的过程中，齿圈作为传动过程中的重要部件，它的动态响应反映了轮系的运作状态，故得到它的动态响应的信息尤为重要。齿圈的啮合动载信号和载荷分布是非常重要的参考信息，对故障诊断分析具有重要意义。通过即时、精确的测量系统得到旋转机械的信号，才能对故障进行特征提取，从而实现精确的故障诊断。

对于精密复杂的行星排系，内部结构紧凑，空间狭小且带有高温润滑油，实现内部关键件动态信号的测量十分困难。现有技术测量系统，传感器现安装在机械传动设备箱体外部，远离故障发生地的齿轮箱体等位置固定、不会旋转的地方，导致其传感器感知的信号发生源多，感知的区域广，同时受传递路径、结构质量、摩擦以及结构之间相互耦合作用的影响，存在的目标源的原始信号成分少、噪声干扰大和环境适应能力差等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种齿圈载荷分布检测系统与方法，实现对齿圈载荷分布信息的检测，提高检测精度。

为了达到上述目的，本发明的基础方案为：一种齿圈载荷分布检测系统，包括若干个应变微型感知单元和若干个加速度微型感知单元，应变微型感知单元设置在齿圈的内外齿齿根，且在齿圈的周向均匀排布，所述加速度微型感知单元均匀设置在齿圈端面；

还包括AD采样模块、控制模块和数据处理模块；

所述AD采样模块分别与应变微型感知单元和加速度微型感知单元的输出端连接，用于采集每个感知单元的数据；

所述控制模块的输入端与AD采样模块的输出端连接，用于接收AD采样模块输出的数据并对数据采集频率、长度、触发形式以及数据存储进行分配；

所述数据处理模块与控制模块的输出端连接，用于接收控制模块输出的信息并对信息进行预处理，以及完成特征数据的边缘处理与存储。

本基础方案的工作原理和有益效果在于：应变微型感知单元和加速度微型感知单元均设置在齿圈上，而不是设置在齿轮箱体的外部，各感知单元能够有针对性地检测对应的齿圈上的信息，感知的信号强度大，减少其他信号的干扰，可靠性高，提高检测的精确度。同时微型感知单元设置在齿圈上，结构更紧凑，更利于安装使用。

AD采样模块接收感知单元检测到的信息，并传输至控制模块内，使用AD采样，引起的干扰较小，采集的信号更稳定，使采集的信号精确度更高。控制模块对控制模块传输的信息进行进一步的处理，数据处理模块实现对检测信号的处理转化，使工作人员得到所需的信息，完成对齿圈载荷分布的检测。

进一步，还包括无线通信模块，所述数据处理模块通过无线通信模块连接有上位机。

数据处理模块处理后的数据，通过无线通信模块传输至上位机，以便工作人员查看。且无线通信模块无需电缆连接，简化结构，利于安装使用。

进一步，所述应变微型感知单元为应变片组，应变片组内的应变片等间距设置。

感应片体积较小，易于安装使用。感应片等距设置，使感应片能够检测各部位的信号，保证信号采集全面。

进一步，所述控制模块与数据处理模块一体集成设置或者独立设置。

制作者根据制造需要，选择控制模块和数据处理模块的设置方式，集成设置时利于一次性安装，安装更简便，独立设置更利于单独拆卸维护。

本发明的技术方案还提供一种用于本发明所述的齿圈载荷分布检测系统的载荷分布检测方法，包括如下步骤：

步骤一、预设一个加速度阈值，间歇性采集齿圈的振动加速度数据，将采集的振动加速度数据与预设的加速度阈值对比，判断齿圈是否处于运行状态；

步骤二、若齿圈处于运行状态，则启动多通道同步数据采集，采集应变数据和振动数据；反之，启动低功率休眠模式；

步骤三、对采集的应变数据和振动数据进行处理，基于映射算法，完成关键特征的边缘处理与存储；

步骤四、输出采集的原始数据和边缘处理特征数据。

在齿圈载荷分布检测系统的基础上，利用载荷分布检测方法，实现对齿圈上的载荷分布的检测。

进一步，所述步骤三的边缘处理方法为：

S1、根据齿圈的材料弹性模量H，计算出测点的应力σ＝H*ε,ε为应变量；

S2、取所有测点的加速度均值按时间t顺序记为信号a(t)，通过对加速度信号a(t)积分获得齿圈转速v(t)；

S3、通过齿圈转速v(t)、输入轴转速v₀(t)以及传动比i，获得齿圈内单齿啮合周期数组VT＝(Vt₁,Vt₂,...,Vt_k)和脉冲长度数组N＝(m₁,m₂,...,m_k)，其中Vt_p表示第p次齿圈单齿啮合时间，m_p表示第p次单齿啮合时的采样长度，p＝1，2，……,k，k为正整数；

S4、通过行星轮系动力学，判断啮合力齿面方向，筛选齿根应变有效脉冲矩阵δ'_E-i-j＝(δ_E-i-j-1(m₁),δ_E-i-j-2(m₂),...,δ_E-i-j-k(m_k))，其中δ_E-i-j-p(m_p)表示外齿第i个测点组中第j个测点第p次齿圈单齿啮合时的脉冲信号；其中E表示外齿测点，内齿测点用大写字母I表示；i表示测点周向序号，i＝1,2,3,4；j表示测点的齿宽方向序号，j＝1,2,3；m₁,m₂,…,m_k表示该测点的脉冲长度，k表示有效脉冲个数；具体筛选齿根应变有效脉冲矩阵是根据采集到的齿圈内单齿啮合周期数组提取出所测轮齿在啮合状态时候的信号。

S5：通过加速度传感器得到的转速，插值v(t)重采样得到同一长度的有效脉冲数组δ_E-i-j＝(δ_E-i-j-1(n),δ_E-i-j-2(n),...,δ_E-i-j-k(n))，n为单个冲击信号的长度；

S6：更换测点，重复S4和S5，得到所有外齿测点的有效脉冲矩阵δ_E；

S7：利用步骤S1-S6的测试方法，获得所有内齿测点的有效脉冲矩阵δ_I；

S8：根据下述计算公式，分别计算得到外齿齿宽均载系数K_E-i、浮动冲击均载系数K_E'、内齿齿宽均载系数K_I-i和行星轮间均载系数K_I'，其中

根据采集的加速度信号和应变，结合动态映射算法，得到载荷分布的相关数据，为行星排系的故障诊断分析提供丰富的动态参考信息。

本发明还提供一种齿圈，包括齿圈本体以及上述的齿圈载荷分布检测系统，齿圈载荷分布检测系统封装在齿轮箱内，所述齿圈载荷分布检测系统利用本发明所述的载荷分布检测方法进行载荷分布检测。

齿圈上自带检测系统，实现其自身运动信息的智能检测。

进一步，所述齿圈的端面上固定设有电路板，电路板设为圆环形，所述AD采样模块、数据处理模块和控制模块均集成设置在电路板上。

电路板设计成圆环状，直接将其安装在齿圈上，以最小程度破坏齿圈的机械性能，缩小电路板的体积，使其更利于安装。各模块集成设置在电路板上，实现各模块的集中搬运和安装，避免单个安装而增加时间和人力的耗费。

附图说明

图1是本发明中齿圈载荷分布检测系统的流程结构示意图；

图2是本发明中齿圈的齿圈上设置的振动加速度传感器的结构示意图；

图3是本发明中齿圈的齿圈上设置的应变片的结构示意图。

说明书附图中的附图标记包括：振动加速度传感器1、应变片2。

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。

如图1所示，本发明公开了一种齿圈载荷分布检测系统，包括若干个应变微型感知单元和若干个加速度微型感知单元，应变微型感知单元优选用应变片组，应变片组内的应变片2等间距设置。本实施方案中优选用四个应变片组，应变片组均匀排布在齿圈的周向，应变片组内设有三个应变片2。加速度微型感知单元优选用振动加速度传感器1，本实施方案中优选四个振动加速度传感器1。如图3所示，应变片3均匀设置在齿圈的内外齿齿根的周向，如图2所示，振动加速度传感器1均匀设置在齿圈的端面。

齿圈载荷分布检测系统还包括AD采样模块、数据处理模块和控制模块，AD采样模块分别与应变微型感知单元和加速度微型感知单元的输出端电性连接，用于采集每个感知单元的数据。控制模块的输入端与AD采样模块的输出端电性连接，用于接收AD采样模块输出的数据的信号并对数据采集频率、长度、触发形式以及数据存储进行分配。数据处理模块与控制模块的输出端电性连接，用于接收控制模块输出的信息，实现对各路信号的放大、降噪、滤波和电桥等预处理，并完成特征数据的边缘处理与存储。

本实施方案的一种优选方式中，齿圈载荷分布检测系统还包括无线通信模块，数据处理模块通过无线通信模块连接有上位机。基于无线通讯协议，数据处理模块通过局域增强天线完成同无线通信模块中的中继模块之间的通讯，实现封闭箱体内部信息的透传。

在本发明的一种优选实施方式中，控制模块与数据处理模块可以集合一体设置，也可以分为独立的控制模块和数据处理模块，当分为集成一体设置为数据处理控制模块时，数据处理控制模块与AD采样模块的输出端电性连接，数据处理控制模块用于接收AD采样模块输出的信息，对信息进行模数转换并对信息进行预处理，完成特征数据的边缘处理与存储。

本实施方案的一种优选方式中，齿圈载荷分布检测系统还包括供电模块，供电模块分别与数据处理模块、控制模块和AD采样模块的供电端连接，用于供电。

本发明还提供一种齿圈，包括齿圈本体以及本发明的齿圈载荷分布检测系统，齿圈载荷分布检测系统封装在齿轮箱内。齿圈上自带检测系统，实现其自身运动信息的智能检测。齿圈的端面上固定设有电路板，电路板设为圆环形，AD采样模块、数据处理模块和控制模块均集成设置在电路板上。电路板设计成圆环状，直接将其安装在齿圈上，以最小程度破坏齿圈的机械性能，缩小电路板的体积，使其更利于安装。各模块集成设置在电路板上，实现各模块的集中搬运和安装，避免单个安装而增加时间和人力的耗费。

本发明还提供一种用于本发明的齿圈载荷分布检测系统的载荷分布检测方法，包括如下步骤：

步骤一、预设一个加速度阈值，间歇性采集齿圈的振动加速度数据，将采集的振动加速度数据与预设的加速度阈值对比，判断齿圈是否处于运行状态；

步骤二、若齿圈处于运行状态，则启动多通道同步数据采集，采集应变数据和振动数据；反之，启动低功率休眠模式；针对安装后电路必须密封，空间狭小导致可供电电池有限，采集频率高导致功耗高、安装时间长导致采集无效数据而降低电路能量有效利用率，设计出智能识别行星轮系运行状态方案，运行时启动数据采集模式，停机时启动低功耗休眠模式。

步骤三、对采集的应变数据和振动数据进行处理，基于映射算法，完成关键特征的边缘处理与存储；

步骤四、输出采集的原始数据和边缘处理特征数据。

本实施方案的一种优选方式中，步骤三的边缘处理方法为：

S1、根据齿圈的材料弹性模量H，计算出测点的应力σ＝H*ε,ε为应变量；

S2、取所有测点的加速度均值按时间t顺序记为信号a(t)，通过对加速度信号a(t)积分获得齿圈转速v(t)；

S3、通过齿圈转速v(t)、输入轴转速v₀(t)以及传动比i，获得齿圈内外单齿啮合数组VT＝(Vt₁,Vt₂,...,Vt_k)和脉冲长度数组N＝(m₁,m₂,...,m_k)，其中Vt_p表示第p次齿圈单齿啮合时间，m_p表示第p次单齿啮合时的采样长度，p＝1，2，……,k，k为正整数；

S4、通过行星轮系动力学，判断啮合力齿面方向，筛选齿根应变有效脉冲矩阵δ'_E-i-j＝(δ_E-i-j-1(m₁),δ_E-i-j-2(m₂),...,δ_E-i-j-k(m_k))，其中δ_E-i-j-p(m_p)表示外齿第i个测点组中第j个测点第p次齿圈单齿啮合时的脉冲信号；其中E表示外齿测点，内齿测点用大写字母I表示；i表示测点周向序号，i＝1,2,3,4；j表示测点的齿宽方向序号，j＝1,2,3；m₁,m₂,…,m_k表示该测点的脉冲长度，k表示有效脉冲个数；

S5：通过加速度传感器得到的转速，插值v(t)重采样得到具有同一长度的有效脉冲数组δ_E-i-j＝(δ_E-i-j-1(n),δ_E-i-j-2(n),...,δ_E-i-j-k(n))，n为单个冲击信号的长度；

S6：更换测点，重复S4和S5，得到所有外齿测点的有效脉冲矩阵δ_E；

S7：利用步骤S1-S6的测试方法，获得所有内齿测点的有效脉冲矩阵δ_I；

S8：根据下述计算公式，分别计算得到外齿齿宽均载系数K_E-i、浮动冲击均载系数K_E'、内齿齿宽均载系数K_I-i和行星轮间均载系数K_I'，其中

根据采集的加速度信号和应变，结合动态映射算法，得到载荷分布的相关数据，为行星排系的故障诊断分析提供丰富的动态参考信息。

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)

1.一种齿圈载荷分布检测系统，其特征在于，包括若干个应变微型感知单元和若干个加速度微型感知单元，应变微型感知单元设置在齿圈的内外齿齿根，且在齿圈的周向均匀排布，所述加速度微型感知单元均匀设置在齿圈端面；

还包括AD采样模块、控制模块和数据处理模块；

所述AD采样模块分别与应变微型感知单元和加速度微型感知单元的输出端连接，用于采集每个感知单元的数据；

所述控制模块的输入端与AD采样模块的输出端连接，用于接收AD采样模块输出的数据并对数据采集频率、长度、触发形式以及数据存储进行分配；

所述数据处理模块与控制模块的输出端连接，用于接收控制模块输出的信息并对信息进行预处理，以及完成特征数据的边缘处理与存储；

所述齿圈载荷分布检测系统的载荷分布检测方法包括如下步骤：

步骤一、预设一个加速度阈值，间歇性采集齿圈的振动加速度数据，将采集的振动加速度数据与预设的加速度阈值对比，判断齿圈是否处于运行状态；

步骤二、若齿圈处于运行状态，则启动多通道同步数据采集，采集应变数据和振动数据；反之，启动低功率休眠模式；

步骤三、对采集的应变数据和振动数据进行处理，基于映射算法，完成关键特征的边缘处理与存储；边缘处理方法为：

S1、根据齿圈的材料弹性模量H，计算出测点的应力σ＝H*ε,ε为应变量；

S2、取所有测点的加速度均值按时间t顺序记为信号a(t)，通过对加速度信号a(t)积分获得齿圈转速v(t)；

S3、通过齿圈转速v(t)、输入轴转速v₀(t)以及传动比i，获得齿圈内外单齿啮合周期数组VT＝(Vt₁,Vt₂,...,Vt_k)和脉冲长度数组N＝(m₁,m₂,...,m_k)，其中Vt_p表示第p次齿圈单齿啮合时间，m_p表示第p次单齿啮合时的采样长度，p＝1，2，……,k，k为正整数；

S4、通过行星轮系动力学，判断啮合力齿面方向，筛选齿根应变有效脉冲信号矩阵δ'_E-i-j＝(δ_E-i-j-1(m₁),δ_E-i-j-2(m₂),...,δ_E-i-j-k(m_k))，其中δ_E-i-j-p(m_p)表示外齿第i个测点组中第j个测点第p次齿圈单齿啮合时的脉冲信号；其中E表示外齿测点，内齿测点用大写字母I表示；i表示测点周向序号，i＝1,2,3,4；j表示测点的齿宽方向序号，j＝1,2,3；m₁,m₂,…,m_k表示该测点的脉冲长度，k表示有效脉冲个数；

S5：通过加速度传感器得到的转速，插值v(t)重采样得到具有同一长度有效脉冲信号构成的有效脉冲数组δ_E-i-j＝(δ_E-i-j-1(n),δ_E-i-j-2(n),...,δ_E-i-j-k(n))，n为单个冲击信号的长度；

S6：更换测点，重复S4和S5，得到所有外齿测点的有效脉冲矩阵δ_E；

S7：利用步骤S1-S6的测试方法，获得所有内齿测点的有效脉冲矩阵δ_I；

S8：根据下述计算公式，分别计算得到外齿齿宽均载系数K_E-i、浮动冲击均载系数K_E'、内齿齿宽均载系数K_I-i和行星轮间均载系数K_I'，其中

步骤四、输出采集的原始数据和边缘处理特征数据。

2.如权利要求1所述的齿圈载荷分布检测系统，其特征在于，还包括无线通信模块，所述数据处理模块通过无线通信模块连接有上位机。

3.如权利要求1所述的齿圈载荷分布检测系统，其特征在于，所述应变微型感知单元为应变片组，应变片组内的应变片等间距设置。

4.如权利要求1所述的齿圈载荷分布检测系统，其特征在于，所述控制模块与数据处理模块一体集成设置或者独立设置。

5.一种齿圈，其特征在于，包括齿圈本体以及权利要求1-4之一所述的齿圈载荷分布检测系统，齿圈载荷分布检测系统封装在齿轮箱内。

6.如权利要求5所述的齿圈，其特征在于，所述齿圈的端面上固定设有电路板，电路板设为圆环形，所述AD采样模块、数据处理模块和控制模块均集成设置在电路板上。

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