CN113340631B - 一种扭振测试装置及信号分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种扭振测试装置及信号分析方法，交流伺服电动机依次经左弹性联轴器、传动轴、等分齿轮、中间弹性联轴器、转速转矩传感器和右弹性联轴器后与电涡流制动器连接，传动轴和等分齿轮上设置有扭振采集装置，扭振采集装置与工控机连接，转速转矩传感器和电涡流制动器分别经扭振控制装置与工控机连接。本发明测试装置结构简单、价格低廉、操作方便，扭振信号处理算法能够更加精确的提取出扭振瞬时频率并得到更加精确的扭振幅值。
Description
技术领域
本发明属于扭振测试技术领域，具体涉及一种扭振测试装置及信号分析方法。
背景技术
扭振是各种旋转机械(包括诸如柴、汽油发动机、发电机、航空发动机、坦克装甲车等)轴系普遍存在的主要振动形式之一，其可能会引起旋转机械在运行过程中产生剧烈的振动及刺耳的噪声，甚至使得整个轴系发生断裂，危害及破坏性极大。
目前国内外扭振实验台的现状：多数方案是采用国外进口的特制扭振电动机、专用的变频器及复杂的控制软件来实现扭振信号的模拟，但价格极其昂贵，很难得到广泛应用。
在文献学习中发现在扭振信号处理过程中，大多学者往往都是采用传统的信号处理方法经过一系列的步骤转化得到扭振的瞬时角速度，而后经过积分环节将其转化为角位移，此过程需要多个操作步骤，费时费力且处理过程中往往降噪效果稍差，引入较大的误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种扭振测试装置及信号分析方法，用于精确模拟真实环境下的旋转机械扭振产生情况；能够提取出高精度扭振瞬时频率，价格低廉、模拟精度高，且负载可调。
本发明采用以下技术方案：
一种扭振测试装置，包括交流伺服电动机，交流伺服电动机依次经左弹性联轴器、传动轴、等分齿轮、中间弹性联轴器、转速转矩传感器和右弹性联轴器后与电涡流制动器连接，传动轴和等分齿轮上设置有扭振采集装置，扭振采集装置与工控机连接，转速转矩传感器和电涡流制动器分别经扭振控制装置与工控机连接。
具体的，扭振采集装置包括电涡流位移传感器和增量式编码器，电涡流位移传感器设置在等分齿轮上，增量式编码器设置在传动轴上，电涡流位移传感器和增量式编码器分别经多功能数据采集板与工控机连接。
进一步的，电涡流位移传感器包括两个。
更进一步的，两个电涡流位移传感器沿180°对称设置在等分齿轮的两侧，等分齿轮的齿数为60～100齿。
进一步的，增量式编码器将采集到的信号经过下式转化为角域信号，采用线性插值法将角域信号重构成时间间隔相等的时域信号，具体为：
其中，t为时间向量，Tm为转过第m齿所用的时间，nm为经过第m齿计数器计数值，fc为高频时钟脉冲的频率，ω为角速度向量，m为等分齿轮齿数。
更进一步的，扭振控制装置包括程控加载控制器和转矩转速功率采集仪，转速转矩传感器经转矩转速功率采集仪与工控机连接；电涡流制动器经程控加载控制器与工控机连接。
本发明的另一技术方案是，一种扭振测试信号分析方法，利用扭振测试装置，包括以下步骤：
S1、工控机控制交流伺服电动机经左弹性联轴器驱动传动轴按设定转速运转，实现旋转机械实际运行过程中的转速模拟；
S2、在步骤S1转速模拟情况下，工控机通过PLC调节扭振控制装置改变电涡流制动器的输出负载，实现对实际机械运转过程中不同工况下负载的精确模拟；
S3、在步骤S2不同工况下负载的精确模拟情况下，工控机通过扭振采集装置采集扭振信号；
S4、采用改进的同步压缩变换对步骤S3获得的扭振信号进行处理，结合Viterbi算法提取扭振瞬时频率，经快速傅里叶变换进行阶次分析得到扭振幅值。
具体的，步骤S3中，扭振采集装置包括增量式编码器和两个电涡流位移传感器，两个电涡流位移传感器按180°对称布置在等分齿轮上，增量式编码器设置在传动轴上。
具体的，步骤S4中，改进的同步压缩变换具体为：
将原始信号进行Hilbert变换，并将变换后的信号与原始信号进行相加得到解析信号，对解析信号进行频移处理；将包含有效频率分量的被关注频带[fm,fM]经高频平移处理后进行局部细化压缩处理，得到经高频平移后解析信号对应于时延因子b和尺度因子ak的理论瞬时频率值。
进一步的，扭振瞬时频率ωs(a,b)具体为：
其中，i为虚数，Ws(a,b)为原始信号s(t)的连续小波变换，为时移因子求偏导。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种扭振测试装置，采用简单的机械传动装置来实现扭振信号的产生及控制，通过程控加载控制器控制电涡流制动器的负载大小以及方向即可模拟实际工况下扭振情况，而不需要采购国外定制的扭振电机，节约成本并可进行推广使用。
进一步的，电涡流制动器是可以模拟0～100Nm的实际工况，并且通过PLC输出相关指令控制程控加载控制器使其输出一定变化规律的励磁电流，从而实现模拟负载以一定的规律进行变化；等分齿轮是依照所模拟的真实对象自行设计的，可以依照模拟对象的不同而进行相关尺寸变化，增量式编码器的安装可以根据实际测试需求安装在传动轴的任意位置上，使得测量的数据更加准确且合理。
进一步的，两个电涡流传感器正对等分齿轮的齿进行安装，能够有效消除弯曲振动对测试结果的影响。
进一步的，由于在测试过程中信号往往会夹杂着弯曲振动，两个电涡流传感器对称180°分布，能够有效消除弯曲振动对测试结果的影响。
进一步的，增量式编码器安装在传动轴上进行扭振信号的采集，将增量式编码器得到的信号与电涡流传感器采集到的信号输入到多功能数据采集卡中，通过USB线与工控机连接，通过工控机中的上位机软件进行比较分析，确保采集到的信号更加准确。
进一步的，程控加载控制器为电涡流制动器提供励磁电流以此来改变电涡流制动器的输出扭矩大小，从而达到实现模拟负载的变化的目的；转矩转速功率采集仪可以测量转速转矩传感器的转矩、转速和功率并将数据传至上位机软件用以更好的显示当前传动系统的运行状态，使得模拟负载更具可视化。
一种扭振测试信号分析方法，先将原始信号进行Hilbert变换以防止在频移过程中出现负数，并将变换后的信号与原始信号进行相加得到解析信号，对解析信号进行频移处理；将信号的瞬时频率往更高频率处平移，从而获得连续小波变换高频处优异的时间分辨率，实现信号瞬时频率快变高频分量的准确刻画，然后进行局部细化压缩变换，将包含频移后有效分量的关注频带进行高精度细化，使信号的瞬时能量在进行能量重排时能够压缩到更加准确的瞬时频率位置，从而获得高的频率分辨率和优异的时频能聚特性。
进一步的，两个电涡流传感器正对等分齿轮的齿进行安装，能够有效消除弯曲振动对测试结果的影响，由于在测试过程中信号往往会夹杂着弯曲振动，两个电涡流传感器对称180°分布，能够有效消除弯曲振动对测试结果的影响。
进一步的，同步压缩变换是一种时频分析方法，具有良好的时频聚集性，能够有效提取出振动信号的瞬时转频，通过采用改进的同步压缩变换能够准确的提取出扭振信号的瞬时频率，而后经快速傅里叶变换进行阶次分析得到扭振幅值。
综上所述，本发明提供了一种结构简单、价格低廉、操作方便的扭振实验台搭建方法，同时还提出了一种扭振信号处理算法，采用该算法能够更加精确的提取出扭振瞬时频率并得到更加精确的扭振幅值。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的负载可调的扭振测试装置的总体组成关系图；
图2为本发明的负载可调的扭振测试装置结构示意图；
图3为本发明用于获得扭振信号而特别设计的等分齿轮示意图；
图4为本发明用于验证所用算法的模拟仿真波形图；
图5为本发明用于验证所用算法时传统同步压缩变换得到的时频分布图；
图6为本发明用于验证所用算法时改进同步压缩变换得到的时频分布图；
图7为本发明用于验证所用算法时采用Viterbi算法提取的瞬时频率与模拟信号理论瞬时频率对比图；
图8为本发明用于验证所用算法的模拟仿真信号频谱图；
图9为本发明用于验证所用算法的模拟仿真信号阶次谱图。
其中：1.交流伺服电动机；2.左弹性联轴器；3.传动轴；4.等分齿轮；5.电涡流位移传感器；6.增量式编码器；7.中间弹性联轴器；8.转速转矩传感器；9.右弹性联轴器；10.电涡流制动器；11.程控加载控制器；12.转矩转速功率采集仪；13.工控机；14.多功能数据采集板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种扭振测试装置及信号分析方法，采用电涡流制动器改变自身输出负载以模拟不同环境下旋转机械的扭振情况。采用电涡流传感器测量安装在旋转轴上的等分齿轮齿的振动情况，得到包含扭振信号的脉冲信号；另外为了验证测试的合理性，同时在旋转轴上安装增量式编码器获取旋转轴的扭振信号，两者测量结果进行对比保证采集信号的准确性。本发明首次引入了一种改进的同步压缩变换算法并结合Viterbi算法提取扭振信号的瞬时频率，相比采用传统的信号处理方法简单便捷、精度高、使用方便。
请参阅图1和图2，本发明一种扭振测试装置，包括机械传动装置、扭振控制装置和扭振采集装置，机械传动装置，用于分别将交流伺服电动机端的动力以及电涡流制动器端的负载传递到整个实验台，使得整个实验台运行，以模拟实际旋转机械运行过程中的不同工况。扭振控制装置，用于控制试验台产生特定的扭振分量，以模拟实际工况下的扭振情况。扭振采集装置，用于采集等分齿轮处以及传动轴处的扭振数据用于后续的分析，验证所提算法的有效性。
机械传动装置包括交流伺服电动机1、左弹性联轴器2、传动轴3、等分齿轮4、中间弹性联轴器7、转速转矩传感器8、右弹性联轴器9和电涡流制动器10，交流伺服电动机1通过左弹性联轴器2与传动轴3的一端连接，传动轴3的另一端通过等分齿轮4与中间弹性联轴器7的一端连接，结合配套的电动机控制系统使等分齿轮4转动，中间弹性联轴器7的另一端经转速转矩传感器8和右弹性联轴器9与电涡流制动器10连接，转速转矩传感器8和电涡流制动器10分别经扭振控制装置与工控机13连接，等分齿轮4上设置有扭振采集装置，扭振采集装置与工控机13连接，电涡流制动器10通过PLC调节程控加载控制器11施加变化载荷，通过右弹性联轴器9、转速转矩传感器8及中间弹性联轴器7将负载传至等分齿轮4处。
请参阅图3，等分齿轮4的齿设计成直齿且齿数为60～100齿，有效降低传感器在采集数据过程中的噪声，防止扭振信号淹没于噪声中而无法分辨。
扭振控制装置包括程控加载控制器11和转矩转速功率采集仪12，转速转矩传感器8经转矩转速功率采集仪12与工控机13连接；电涡流制动器10经程控加载控制器11与工控机13连接，程控加载控制器11为电涡流制动器10提供励磁电流以此来改变电涡流制动器10的输出扭矩大小，从而达到实现模拟负载的变化的目的；转矩转速功率采集仪12可以测量转速转矩传感器8的转矩、转速和功率并将数据传至上位机软件用以更好的显示当前传动系统的状态，使得模拟负载更具可视化。
扭振采集装置包括增量式编码器6、多功能数据采集板14和两个电涡流位移传感器5，增量式编码器6和两个电涡流位移传感器5分别经多功能数据采集板14与工控机13连接。
两个电涡流位移传感器5分别对称180°安装在等分齿轮4的两侧，由于在测试过程中信号往往会夹杂着弯曲振动，故而采用此种安装方法能够有效消除弯曲振动对测试结果的影响；增量式编码器6安装在传动轴3上进行扭振信号的采集，将采集到的信号经过下式转化为角域信号，由于角域信号在时间上是不均匀的，采用线性插值的方法将其重构成时间间隔相等的时域信号。
其中，t为时间向量，Tm为转过第m齿所用的时间，nm为经过第m齿计数器计数值，fc为高频时钟脉冲的频率，ω为角速度向量，m为等分齿轮齿数。
最后将增量式编码器6得到的信号与电涡流位移传感器5采集到的信号输入到多功能数据采集板14中，通过USB线与工控机13连接，通过工控机13中的上位机软件进行比较。
本发明一种扭振信号分析方法，包括以下步骤：
S1、工控机控制交流伺服电动机经左弹性联轴器驱动传动轴按设定转速运转，实现旋转机械实际运行过程中的转速模拟；
S2、在步骤S1转速模拟情况下，工控机通过PLC调节扭振控制装置改变电涡流制动器的输出负载，实现对实际机械运转过程中不同工况下负载的精确模拟；
S3、在步骤S2不同工况下负载的精确模拟情况下，工控机通过扭振采集装置采集扭振信号；
S4、采用同步压缩变换对步骤S3获得的扭振信号进行处理，结合Viterbi算法提取扭振瞬时频率，而后经快速傅里叶变换进行阶次分析，得到更加精确的扭振幅值。
改进的同步压缩变换具体为：
1)高频平移处理
将原始信号进行Hilbert变换以防止在频移过程中出现负数，并将变换后的信号与原始信号进行相加得到解析信号，对解析信号进行频移处理：
sa(t)＝s(t)+iH[s(t)]
其中，sa(t)为解析信号，s(t)为原始信号，H[s(t)]为信号s(t)的希尔伯特变换，s*(t)为频移后的信号，f0为频移量，t为时间。
2)局部细化重排操作
假设包含有效频率分量的被关注频带经第一步高频平移处理后，其频带范围变为[fm,fM]。仅对关注的频带[fm,fM]进行局部细化压缩处理，以减小数据处理的运算量和所需的存储空间。针对关注频带[fm,fM]，其频率尺度细化同步压缩时频分布的离散频率序列定义为：
其中，l＝0,1,…,na，na为选定频带范围内总的细化频带数目；na值和频带范围大小共同决定最终细化同步压缩的频率分辨率。
角频率形式写为：
细化同步压缩变换的离散形式为：
其中：为经第一步高频平移后解析信号的连续小波变换；/>是局部细化重排压缩变换时频分布的离散频率序列，/>ω*(ak,b)为根据Plancherel定理计算所得，经高频平移后解析信号对应于时延因子b和尺度因子ak的理论瞬时频率值。
扭振瞬时频率ωs(a,b)如下：
其中，i为虚数，Ws(a,b)为原始信号s(t)的连续小波变换，为时移因子求偏导。
信号s(t)进行连续小波变换：
其中，ψ是选取的母小波，a是小波变换的尺度因子，b是小波变换的时移因子。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了验证算法的对于扭振信号的准确性，采用模拟信号进行模拟仿真，并与传统的同步压缩变换算法进行对比分析。
假设模拟仿真信号为：
y(t)＝sin(0.5×2πft+φ(t))+sin(1.5×2πft+φ(t))+sin(2×2πft+φ(t))+sin(2.5×2πft+φ(t))+N1(t)
其中，φ(t)＝0.3sin(20πt)噪声采用信噪比(SNR)为3dB的高斯白噪声。
经过计算可得理论瞬时频率分别为：
f1＝0.5f+3cos(20πt)
f2＝1.5f+3cos(20πt)
f3＝2f+3cos(20πt)
f4＝2.5f+3cos(20πt)
请参阅图4、图5和图6，为采用传统同步压缩变换和改进同步压缩变换算法得到的仿真信号波形及时频分布图，从图5的时频分布可以得知直接采用传统同步压缩变换存在严重的瞬时频率混叠现象；而采用改进的同步压缩变换算法得到的时频分布图中看出能够准确提取出仿真信号的每个分量，并相比传统同步压缩变换能量聚集性得到很大提升，为其的35.7倍。
图7所示为采用Viterbi算法从改进的同步压缩变换时频分布图中提取的仿真信号的瞬时频率及理论瞬时频率的对比，从图中可以看出经过改进的同步压缩变换算法处理含噪声的扭振信号得到的瞬时频率与理论瞬时频率之间的误差仅有1.0728％，具有很强的抗噪声干扰能力。
请参阅图8和图9，图9所示为对瞬时频率进行快速傅里叶变换得到的阶次谱图，从阶次谱图中可以看出，经过所提算法得到的阶次分别对应原始信号幅值图中的4个主幅值，并且阶次谱图中的幅值与理论幅值之间误差最大为0.85％，而图8所示为直接对原始信号进行快速傅里叶变换得到的频谱图，从频谱图中可看出实际幅值与理论幅值之间误差最大为8.19％，相比之下所提算法精度更高。
综上所述，本发明一种扭振测试装置及信号分析方法，采用简单的机械传动装置来实现扭振信号的产生及控制，通过程控加载控制器控制电涡流制动器的负载大小以及方向即可模拟实际工况下扭振情况，而不需要采购国外定制的扭振电机，节约成本并可进行推广使用。同时提供了一种扭振处理算法，通过采用同步压缩变换算法实现对扭振信号瞬时频率的精确提取，而后经快速傅里叶变换进行阶次分析得到扭振幅值，相比未经处理直接进行快速傅里叶变换得到的频谱精度更高。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种扭振测试装置，其特征在于，包括交流伺服电动机(1)，交流伺服电动机(1)依次经左弹性联轴器(2)、传动轴(3)、等分齿轮(4)、中间弹性联轴器(7)、转速转矩传感器(8)和右弹性联轴器(9)后与电涡流制动器(10)连接，传动轴(3)和等分齿轮(4)上设置有扭振采集装置，扭振采集装置与工控机(13)连接，转速转矩传感器(8)和电涡流制动器(10)分别经扭振控制装置与工控机(13)连接；
扭振采集装置包括电涡流位移传感器(5)和增量式编码器(6)，电涡流位移传感器(5)设置在等分齿轮(4)上，增量式编码器(6)设置在传动轴(3)上，电涡流位移传感器(5)和增量式编码器(6)分别经多功能数据采集板(14)与工控机(13)连接；
增量式编码器(6)将采集到的信号经过下式转化为角域信号，采用线性插值法将角域信号重构成时间间隔相等的时域信号，具体为：
其中，t为时间向量，Tm为转过第m齿所用的时间，nm为经过第m齿计数器计数值，fc为高频时钟脉冲的频率，ω为角速度向量，m为等分齿轮齿数。
2.根据权利要求1所述的扭振测试装置，其特征在于，电涡流位移传感器(5)包括两个。
3.根据权利要求2所述的扭振测试装置，其特征在于，两个电涡流位移传感器(5)沿180°对称设置在等分齿轮(4)的两侧，等分齿轮(4)的齿数为60～100齿。
4.根据权利要求1所述的扭振测试装置，其特征在于，扭振控制装置包括程控加载控制器(11)和转矩转速功率采集仪(12)，转速转矩传感器(8)经转矩转速功率采集仪(12)与工控机(13)连接；电涡流制动器(10)经程控加载控制器(11)与工控机(13)连接。
5.一种扭振测试信号分析方法，其特征在于，利用权利要求1所述的扭振测试装置，包括以下步骤：
S1、工控机控制交流伺服电动机经左弹性联轴器驱动传动轴按设定转速运转，实现旋转机械实际运行过程中的转速模拟；
S2、在步骤S1转速模拟情况下，工控机通过PLC调节扭振控制装置改变电涡流制动器的输出负载，实现对实际机械运转过程中不同工况下负载的精确模拟；
S3、在步骤S2不同工况下负载的精确模拟情况下，工控机通过扭振采集装置采集扭振信号；
S4、采用改进的同步压缩变换对步骤S3获得的扭振信号进行处理，结合Viterbi算法提取扭振瞬时频率，经快速傅里叶变换进行阶次分析得到扭振幅值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S3中，扭振采集装置包括增量式编码器和两个电涡流位移传感器，两个电涡流位移传感器按180°对称布置在等分齿轮上，增量式编码器设置在传动轴上。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S4中，改进的同步压缩变换具体为：
将原始信号进行Hilbert变换，并将变换后的信号与原始信号进行相加得到解析信号，对解析信号进行频移处理；将包含有效频率分量的被关注频带[fm,fM]经高频平移处理后进行局部细化压缩处理，得到经高频平移后解析信号对应于时延因子b和尺度因子ak的理论瞬时频率值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，扭振瞬时频率ωs(a,b)具体为：
其中，i为虚数，Ws(a,b)为原始信号s(t)的连续小波变换，为时移因子求偏导。
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