CN112611557B - 齿轮动态检测方法与动态检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械传动检测技术领域，具体公开了一种齿轮动态检测方法与动态检测系统，该齿轮动态检测系统包括加速度传感模块，该加速度传感模块设于齿轮端面；还包括数据处理模块、控制模块和接收模块；数据处理模块与加速度传感模块的输出端连接，用于接收并处理加速度传感模块采集的信号；控制模块与数据处理模块的输出端连接，用于对信号进行模数转换；接收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，完成特征数据的边缘处理与存储。采用本技术方案，实现对齿轮运作信息的检测，简化结构，提高检测的精度。

Description

齿轮动态检测方法与动态检测系统

技术领域

本发明属机械传动检测技术领域，涉及一种齿轮动态检测方法与动态检测系统。

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，在对轮系的检测和故障诊断的过程中，齿轮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，故得到动态响应的信息尤为重要。

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，实现齿轮啮合动载力和测试载荷分布检测十分困难。目前针对齿轮的振动测量与故障诊断，国内外学者进行了大量的研究工作，基于单个旋转齿轮的信号作为研究对象，普遍存在两种问题:

1.现有技术测量系统，比如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，存在原始信号成分少、噪声干扰大和环境适应能力差等缺点。

2.一般的齿轮故障提取的信号只考虑到啮合冲击带来的故障影响而未考虑啮合冲击对齿轮运转过程中带来的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种齿轮动态检测方法与动态检测系统，实现对齿轮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：一种齿轮动态检测系统，包括加速度传感模块，所述加速度传感模块设于齿轮端面；

还包括数据处理模块、控制模块和接收模块；

所述数据处理模块与加速度传感模块的输出端连接，用于接收并处理加速度传感模块采集的信号；

所述控制模块与数据处理模块的输出端连接，用于对信号进行模数转换；

所述接收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，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：加速度传感模块均设置在齿轮上，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轮上的信息，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轮上，结构更紧凑，更利于安装使用。

数据处理模块接收感知单元检测到的信息，并对信息进行处理，以便更利于后续使用。控制模块对数据处理单元传输的信息进行进一步的处理，并将信息传送给接收模块，接收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，完成对齿轮状态信息的检测。

进一步，还包括时钟模块和存储模块，时钟模块与存储模块均与控制模块连接，分别用于提供时钟和存储采集的信号。

时钟模块为控制模块提供精确的时钟信息，更利于控制模块的运行。存储模块用于存储各路传感模块采集的信号，以便随时取用。

进一步，还包括无线通信模块，还包括无线通信模块，所述接收模块通过无线通信模块与控制模块连接。

接收模块通过无线通信模块接收控制模块传输的数据，无需电缆电线连接，简化结构，利于安装使用。

本发明还提供一种用于上述齿轮动态检测系统的检测方法，包括如下步骤：

在加速度传感模块内设置3个加速度传感器，3个加速度传感器均匀设置在齿轮的端面上，加速度传感器依次间隔90°；

根据采集的加速度信息，基于传动特征多信息反演算法，获得扭振冲击、啮合冲击和转速的数值作为故障信息，用于后期齿轮故障诊断。

在齿轮上设置3个加速度传感器，结构简单，同时保证检测的数据能够完成后续的处理过程而得出所需的数据信息。根据检测的信息计算得出扭振冲击、啮合冲击和转速的数值，全面考虑齿轮上的运作参数对运转过程带来的影响。

进一步，获得扭振冲击数值的方法为：

设置第一加速度传感器、第二加速度传感器和第三加速度传感器；

第一加速度传感器在灵敏度方向所测得的振动加速度用a₁表示，第一加速度传感器的灵敏度方向与齿轮水平线间的夹角为θ，平动加速度a_p与传感器灵敏度方向之间的夹角为α，振动加速度a₁为平动加速度a_p以及传感器自身重力加速度在灵敏度方向的投影和扭振加速度a_θ之和，即：

a₁＝a_p cosα+g sinθ+a_θ

第二加速度传感器测得的切向加速度用a₂表示，平动加速度a_p与第一加速度传感器灵敏度方向之间的夹角为90°-α，则

a₂＝a_p cos(90°-α)+g cosθ+a_θ

第三加速度传感器的灵敏方向与第一加速度传感器灵敏方向相反，其加速度用a₃表示，平动加速度a_p与传感器灵敏度方向之间的夹角为α，振动加速度a₃等于平动加速度a_p在灵敏度方向的投影和扭振加速度a_θ相加，即：

a₃＝a_θ-a_p cosα-g sinθ

由三个加速度传感器得到的三个方程即可得到扭振加速度a_θ和平动加速度a_p，其中a₁、a₂、g和a₃是测得的加速度即已知量，未知量为a_p、a_θ、θ和α。其中θ可由信号中低频成分中通过希尔伯特变换获取齿轮的瞬时角位置θ，则：

获得齿轮啮合时的平动加速度a_p以及扭振加速度a_θ。

该方法的计算步骤简单，易于操作，实现将采集数据的快速处理转化为所需的信息。

进一步，获得啮合冲击数值的方法为：

设置被测齿轮的啮合线与水平方向的夹角为γ，被测齿轮沿啮合线方向的振动加速度为：

a_α＝a_x+a_y

＝[a_p·cos(α+θ)+a_θ·cosθ]·cosγ-[a_p·sin(α+θ)+a_θ·sinθ]·sinγ

θ＝angle[Hilbert(S_R)]·180°/π；

根据第一加速度传感器和第三加速度传感器呈180°，第一加速度传感器和第二加速度传感器呈90°，获取齿轮的转速信号、扭振信号a_θ和平动信号a_p；

最后计算分量和即为啮合冲击信号a_α。

齿轮啮合时沿啮合线方向的冲击是造成齿轮故障的主要原因，根据第一加速度传感器和第二加速度传感器测得的数据，可以获得沿啮合线方向的加速度，即振动冲击。

本发明还提供一种齿轮，包括齿轮本体以及本发明所述的齿轮动态检测系统，齿轮动态检测系统封装在齿轮箱内，所述齿轮动态检测系统利用本发明所述的方法进行状态检测。

齿轮上自带检测系统，实现其自身运动信息的智能检测。

进一步，所述齿轮的端面上固定设有电路板，所述数据处理模块和控制模块均集成设置在电路板上。

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是本发明中齿轮动态检测系统的流程结构示意图；

图2是本发明中齿轮的结构示意图；

图3是本发明中齿轮的动态检测方法的原理图。

说明书附图中的附图标记包括：加速度传感器1、齿轮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轮动态检测系统，包括加速度传感模块。加速度传感模块优选用三个加速度传感器1(如单轴加速度传感器等)。如图2所示，加速度传感器1设置在齿轮2的端面上。

齿轮动态检测系统还包括数据处理模块、控制模块和接收模块，数据处理模块与加速度传感模块的输出端电性连接，用于接收并处理加速度传感模块采集的信号，实现对各路信号的放大、降噪、滤波等处理。控制模块与数据处理模块的输出端电性连接，用于对信号进行模数转换。控制模块上还连接有时钟模块和存储模块，分别用于提供时钟和存储采集的信号。接收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，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，齿轮动态检测系统还包括无线通信模块，接收模块通过无线通信模块与控制模块连接。

本实施方案的一种优选方式中，齿轮动态检测系统还包括供电模块，供电模块分别与数据处理模块和控制模块的供电端连接，用于供电。

本发明还提供一种齿轮，包括齿轮本体以及本发明所述的齿轮动态检测系统，齿轮动态检测系统封装在齿轮箱内，齿轮动态检测系统利用本发明如下所示的方法进行状态检测。齿轮2的端面上固定安装(焊接或粘接等)设有电路板(图中未显示)，数据处理模块和控制模块均集成设置在电路板上。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上述齿轮动态检测系统的检测方法，包括如下步骤：

如图2和3所示，在加速度传感模块内设置3个加速度传感器1，3个加速度传感器1均匀设置在齿轮2的端面上，加速度传感器1依次间隔90°；

根据采集的加速度信息，基于传动特征多信息反演算法，获得扭振冲击、啮合冲击和转速的数值作为故障信息，输出并在显示器显示，用于后期齿轮故障诊断。

通过在齿轮端面分别布置三个呈90°放置的加速度传感器1，加速度传感器1的灵敏度方向都沿着齿轮转动的方向，即切线方向，齿轮2在灵敏度方向测得的信号可以看成齿轮2自身受到的平动加速度a_p以及轮齿间啮合产生的扭振加速度a_θ在切线方向叠加得到。通过该方法，实现对扭振和啮合冲击的测量和分析。

本实施方案的一种优选方式中，获得扭振冲击数值的方法为：

设置第一加速度传感器、第二加速度传感器和第三加速度传感器；

第一加速度传感器在灵敏度方向所测得的振动加速度用a₁表示，第一加速度传感器的灵敏度方向与齿轮2水平线间的夹角为θ，平动加速度a_p与传感器灵敏度方向之间的夹角为α，振动加速度a₁为平动加速度a_p以及传感器自身重力加速度在灵敏度方向的投影和扭振加速度a_θ之和，即：

a₁＝a_p cosα+g sinθ+a_θ

第二加速度传感器测得的切向加速度用a₂表示，平动加速度a_p与第一加速度传感器灵敏度方向之间的夹角为90°-α，则

a₂＝a_p cos(90°-α)+g cosθ+a_θ

第三加速度传感器的灵敏方向与第一加速度传感器灵敏方向相反，其加速度用a₃表示，平动加速度a_p与传感器灵敏度方向之间的夹角为α，振动加速度a₃等于平动加速度a_p在灵敏度方向的投影和扭振加速度a_θ相加，即：

a₃＝a_θ-a_p cosα-g sinθ

由三个加速度传感器得到的三个方程即可得到扭振加速度a_θ和平动加速度a_p，其中a₁、a₂、g和a₃是测得的加速度即已知量，未知量为a_p、a_θ、θ和α。其中θ可由信号中低频成分中通过希尔伯特变换获取齿轮的瞬时角位置θ，则：

获得齿轮2啮合时的平动加速度a_p以及扭振加速度a_θ。

本实施方案的一种优选方式中，获得啮合冲击数值的方法为：

设置被测齿轮2的啮合线与水平方向的夹角为γ，被测齿轮2沿啮合线方向的振动加速度为：

a_α＝a_x+a_y

＝[a_p·cos(α+θ)+a_θ·cosθ]·cosγ-[a_p·sin(α+θ)+a_θ·sinθ]·sinγ

θ＝angle[Hilbert(S_R)]·180°/π；

根据第一加速度传感器和第三加速度传感器呈180°，第一加速度传感器和第二加速度传感器呈90°，获取齿轮2的转速信号、扭振信号a_θ和平动信号a_p；

最后计算分量和即为啮合冲击信号a_α。

齿轮2啮合时沿啮合线方向的冲击是造成齿轮2故障的主要原因，根据第一加速度传感器和第二加速度传感器测得的数据，可以获得沿啮合线方向的加速度，即振动冲击。

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)

1.一种齿轮动态检测系统，其特征在于，包括加速度传感模块，所述加速度传感模块设于齿轮端面；

还包括数据处理模块、控制模块和接收模块；

所述数据处理模块与加速度传感模块的输出端连接，用于接收并处理加速度传感模块采集的信号；

所述控制模块与数据处理模块的输出端连接，用于对信号进行模数转换；

所述接收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，完成特征数据的边缘处理与存储；

所述齿轮动态检测系统的检测方法，包括如下步骤：

在加速度传感模块内设置3个加速度传感器，3个加速度传感器均匀设置在齿轮的端面上，加速度传感器依次间隔90°；

根据采集的加速度信息，获得扭振冲击、啮合冲击和转速的数值作为故障信息，用于后期齿轮故障诊断；

获得扭振冲击数值的方法为：

设置第一加速度传感器、第二加速度传感器和第三加速度传感器；

第一加速度传感器在灵敏度方向所测得的振动加速度用a₁表示，第一加速度传感器的灵敏度方向与齿轮水平线间的夹角为θ，平动加速度a_p与传感器灵敏度方向之间的夹角为α，振动加速度a₁为平动加速度a_p以及传感器自身重力加速度在灵敏度方向的投影和扭振加速度a_θ之和，即：

a₁＝a_pcosα+g sinθ+a_θ

第二加速度传感器测得的切向加速度用a₂表示，平动加速度a_p与第一加速度传感器灵敏度方向之间的夹角为90°-α，则

a₂＝a_pcos(90°-α)+g cosθ+a_θ

第三加速度传感器的灵敏方向与第一加速度传感器灵敏方向相反，其加速度用a₃表示，平动加速度a_p与传感器灵敏度方向之间的夹角为α，振动加速度a₃等于平动加速度a_p在灵敏度方向的投影和扭振加速度a_θ相加，即：

a₃＝a_θ-a_pcosα-g sinθ

由三个加速度传感器得到的三个方程即可得到扭振加速度a_θ和平动加速度a_p，其中a₁、a₂、g和a₃是测得的加速度即已知量，未知量为a_p、a_θ、θ和α；其中θ可由信号中低频成分中通过希尔伯特变换获取齿轮的瞬时角位置θ，则：

获得齿轮啮合时的平动加速度a_p以及扭振加速度a_θ。

2.如权利要求1所述的齿轮动态检测系统，其特征在于，还包括时钟模块和存储模块，时钟模块与存储模块均与控制模块连接，分别用于提供时钟和存储采集的信号。

3.如权利要求1所述的齿轮动态检测系统，其特征在于，还包括无线通信模块，所述接收模块通过无线通信模块与控制模块连接。

4.如权利要求1所述的齿轮动态检测系统，其特征在于，获得啮合冲击数值的方法为：

设置被测齿轮的啮合线与水平方向的夹角为γ，被测齿轮沿啮合线方向的振动加速度为：

a_a＝a_x+a_y＝[a_p·cos(α+θ)+a_θ·cosθ]·cosγ-[a_p·sin(α+θ)+a_θ·sinθ]·sinγ

θ＝angle[Hilbert(S_R)]·180°/π；

根据第一加速度传感器和第三加速度传感器呈180°，第一加速度传感器和第二加速度传感器呈90°，获取齿轮的转速信号、扭振信号a_θ和平动信号a_p；

最后计算分量和即为啮合冲击信号a_a。

5.一种齿轮，其特征在于，包括齿轮本体以及权利要求1-4之一所述的齿轮动态检测系统，齿轮动态检测系统封装在齿轮箱内，所述齿轮动态检测系统利用齿轮动态检测系统所述的方法进行故障信息检测。

6.如权利要求5所述的齿轮，其特征在于，所述齿轮的端面上固定设有电路板，所述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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