CN113343481A - 一种行星轮系振动仿真信号生成方法、装置、设备和介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑啮合冲击的行星轮系振动仿真信号生成方法、装置、设备和介质，通过势能法及相位差计算生成行星轮系各啮合副的时变啮合刚度，从时变啮合刚度激励产生啮合振动信号的角度出发，由因到果，通过对时变啮合刚度零相移低通滤波生成谐波信号，峰值滤波生成啮合冲击信号。将生成的各啮合副信号对应叠加，并添加路径调制函数，得到传感器采集到的各行星轮的啮合振动信号。将各行星轮啮合振动信号叠加，添加一定噪声，从而得到整个行星轮系振动的仿真信号。本发明完全符合啮合振动信号产生的物理过程，具有物理意义。

Description

一种行星轮系振动仿真信号生成方法、装置、设备和介质

技术领域

本发明属于行星齿轮箱故障诊断技术领域，具体涉及一种考虑啮合冲击的行星轮系振动仿真信号生成方法、装置、设备和介质。

背景技术

行星轮系具有重量轻、体积小、承载能力高、结构紧凑、以及传动效率高等优点，在航空航天、冶金开采以及风力发电机组等大型机械设备中得到广泛应用。由于工作环境恶劣，行星轮系易发生局部故障。当某轮齿出现局部故障时，由于局部承载能力的降低，将会使得故障进一步发展，诱发其它轮齿出现故障；故障发展严重时，将造成设备停机，产生经济损失。

分析振动信号特征实现行星轮系故障诊断是目前最成熟的技术方法，得到了广泛的应用。相比于定轴轮系，行星轮系中啮合副众多，各啮合副的振动信号相互耦合叠加，并且因行星架的旋转引入了路径调制作用，使得整个轮系的振动信号极为复杂，难以识别早期故障特征信号；而且，现有的研究普遍认为行星轮系啮合振动信号为啮合频率及其倍频的谐波信号，无法解释实际信号中的啮合冲击现象。要针对性地研究行之有效的行星轮系故障诊断方法，必须清楚行星轮系啮合振动信号形式，构建行星轮系啮合振动仿真信号，实现有的放矢。传统的方法通过构造函数表达式生成振动仿真信号，不仅繁琐而且没有物理意义，有必要研究具有物理意义的行星轮系振动仿真信号生成方法。

发明内容

本发明提供了一种考虑啮合冲击的行星轮系振动仿真信号生成方法、装置、设备和介质，契合行星轮系啮合振动信号的产生过程。

为达到上述目的，本发明所述一种考虑啮合冲击的行星轮系振动仿真信号生成方法，包括以下步骤：

S1、根据行星轮系各齿轮参数，通过势能法计算各啮合副的理论时变啮合刚度及相位差，生成各啮合副的时变啮合刚度曲线；

S2、对各啮合刚度曲线进行零相移低通滤波，生成各啮合副的受迫振动信号；对各啮合刚度曲线进行峰值滤波，生成各啮合副的冲击振动信号；

S3、将受迫振动信号、冲击振动信号叠加，得到各行星轮的啮合振动信号；

S4、分析各行星轮不同传递路径对信号的影响，生成各行星轮的路径传递函数；

S5、利用路径传递函数调制啮合振动信号，生成各行星轮啮合振动信号；

S6、将各行星轮啮合振动信号进行叠加，生成整个行星轮系的啮合振动仿真信号。

进一步的，所述的S1中，各啮合副相位差及时变啮合刚度的计算过程为：

根据各行星轮的空间位置，分别计算第i个行星轮与内齿圈内啮合时的初相位θ_ri，

其中，Z_r为内齿圈齿数；N_p为行星轮个数；θ_r1为第一个行星轮与内齿圈啮合时的初相位；

计算第i个行星轮与太阳轮外啮合时的初相位θ_si，

其中，Z_s为太阳轮齿数；N_p为行星轮个数；θ_s1为第一个行星轮与太阳轮啮合时的初相位；

同一个行星轮的内外啮合副产生的两个啮合振动之间的相位差θ_rs，

θ_rs＝θ_ri-θ_si

其中，θ_ri为第i个行星轮内啮合副的初相位；θ_si为第i个行星轮外啮合副的初相位；

k_rpi＝k_rp1(t-θ_ri)

k_spi＝k_sp1(t-θ_si)

其中，k_rpi为第i个行星轮内啮合副的啮合刚度，k_spi为第i个行星轮外啮合副的啮合刚度，k_rp1为第1个行星轮内啮合副的啮合刚度；k_sp1为第1个行星轮外啮合副的啮合刚度；θ_ri为第i个行星轮内啮合副的初相位；θ_si为第i个行星轮外啮合副的初相位。

进一步的，所述S2中，进行零相移低通滤波时，截止频率根据期望得到的谐波信号的阶数设置。

进一步的，所述S2中，进行峰值滤波时峰值滤波的中心频率根据期望得到的啮合冲击信号的固有频率设置；峰值滤波的品质因子根据期望得到的啮合冲击信号的阻尼比设置。

进一步的，所述S4中，所述的路径传递函数，只考虑时变传递路径影响。

进一步的，所述S4中，所述的路径传递函数为

其中，a₁为第一个行星轮内啮合副的路径传递函数；N_p为行星轮个数。

进一步的，所述S6中，在进行各行星轮啮合振动信号进行叠加时，添加白噪声。

一种行星轮系振动仿真信号生成装置，包括：

采集模块，用于采集行星轮系各齿轮参数，并将行星轮系各齿轮参数传递至处理模块；

处理模块，用于根据行星轮系各齿轮参数生成行星轮系振动仿真信号。

一种计算机设备，包括电连接的存储器和处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现上述的信号生成方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的信号生成方法的步骤。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明的行星轮系振动仿真信号生成方法，考虑了实际行星齿轮箱振动信号中的啮合冲击现象，所建立的仿真信号更符合实际。从时变啮合刚度激励产生啮合振动信号的角度出发，由因到果，通过对时变啮合刚度零相移低通滤波生成谐波信号，峰值滤波生成啮合冲击信号两种振动信号的生成过程完全符合啮合振动机理。将生成的各啮合副信号对应叠加，并添加路径调制函数，得到传感器采集到的各行星轮的啮合振动信号。本发明还可以生成行星轮系局部故障状态的振动仿真信号，只需相应改变期望仿真故障的啮合副的时变啮合刚度曲线，即可得到局部故障状态的行星轮系啮合振动仿真信号。

相比于传统的构造函数表达式生成仿真信号的方法，本发明不仅计算效率高，生成过程直观，还具有物理意义，得到的仿真信号既能反映行星轮系啮合振动信号的调制特性，又蕴含着丰富的冲击成分，与实际情况相符。

进一步的，将各行星轮啮合振动信号叠加，添加白噪声，从而得到更接近传感器测量到的整个行星轮系振动的仿真信号。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是各啮合副的时变啮合刚度曲线；

图3a是第1个行星轮的内啮合副谐波信号；

图3b是第1个行星轮的外啮合副谐波信号；

图4a是第1个行星轮的峰值滤波过程波形图；

图4b是第1个行星轮的内外啮合副啮合冲击信号；

图5是第1个行星轮的路径调制函数图；

图6是第1个行星轮的啮合振动信号图；

图7a是第2个行星轮的啮合振动信号图；

图7b是第3个行星轮的啮合振动信号图；

图8是行星轮系啮合振动仿真信号图；

图9a是仿真信号低频区频谱；

图9b是仿真信号高频区频谱；

图10为本发明提供的仿真信号生成装置的模块结构示意图；

图11为本发明提供的计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

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”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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。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。

行星轮系中各啮合副产生的振动信号由受迫振动和啮合冲击振动组成，受迫振动表现为以啮合频率为基频的谐波函数，因周期性的刚度激励而产生；啮合冲击振动表现为单边衰减信号，因周期性的刚度突变而产生。根据行星轮系啮合振动信号的产生过程，本发明利用势能法及各啮合副的相位差得到各啮合副的时变啮合刚度。利用零相移低通滤波、峰值滤波得到单个行星轮的啮合振动信号。叠加各行星轮的啮合振动信号，添加一定分贝的白噪声，生成行星轮系啮合振动信号。该方法完全契合行星轮系啮合振动信号的产生过程，具有物理意义。

实施例1

参照图1，一种考虑啮合冲击的行星轮系振动仿真信号生成方法，包括以下具体的步骤：

步骤1、根据行星轮系各齿轮参数，通过势能法计算各啮合副的理论时变啮合刚度及相位差，生成各啮合副的时变啮合刚度曲线，星轮系各齿轮包括齿轮齿数、模数及齿宽，具体计算过程如下：

根据各行星轮的空间位置，分别计算第i个行星轮与内齿圈内啮合时的初相位θ_ri，

其中，Z_r为太阳轮的内齿圈齿数；N_p为行星轮个数；θ_r1为第一个行星轮与内齿圈啮合时的初相位。

计算第i个行星轮与太阳轮外啮合时的初相位θ_si，

其中，Z_s为太阳轮齿数；N_p为行星轮个数；θ_s1为第一个行星轮与太阳轮啮合时的初相位。

同一个行星轮的内外啮合副产生的两个啮合振动之间存在着相位差θ_rs，

θ_rs＝θ_ri-θ_si；

第i个行星轮内啮合副的啮合刚度为：k_rpi＝k_rp1(t-θ_ri)；

第i个行星轮外啮合副的啮合刚度为：k_spi＝k_sp1(t-θ_si)；

其中，k_rpi为第i个行星轮内啮合副的啮合刚度，k_spi为第i个行星轮外啮合副的啮合刚度，k_rp1为第1个行星轮内啮合副的啮合刚度；k_sp1为第1个行星轮外啮合副的啮合刚度；θ_ri为第i个行星轮内啮合副的初相位；θ_si为第i个行星轮外啮合副的初相位。

步骤2、对步骤1得到的各啮合刚度曲线进行零相移低通滤波，生成各啮合副的受迫振动信号，其中，低通滤波器的截止频率根据期望得到的受迫振动信号的阶数设置。

如期望得到的仿真信号中包含3倍啮合频率的谐波信号，则截止频率设置为3.5倍的啮合频率。

步骤3、对步骤1得到的各啮合刚度曲线进行峰值滤波，生成各啮合副的冲击振动信号，峰值滤波器的中心频率根据期望得到的啮合冲击振动信号的固有频率设置，如期望得到2KHz固有频率的冲击振动信号，将中心频率设置为2KHz即可。品质因子根据冲击振动信号的阻尼比设置，品质因子越大，所生成冲击振动信号的阻尼比也越大。

步骤4、将步骤2和步骤3得到的各啮合副受迫振动信号、冲击振动信号对应叠加，得到各行星轮的啮合振动信号；

步骤5、分析各行星轮不同传递路径对信号的影响，生成各行星轮的路径传递函数。由于时不变传递路径经过轴承，振动信号能量衰减达90％，故不考虑时不变路径的影响，只考虑时变传递路径的影响。同一个行星轮内外啮合副的路径传递函数形式相同，只是外啮合副的路径传递函数需考虑界面衰减系数的影响，幅值更小。

时变路径传递函数为改进的汉宁窗形式，第i个行星轮参与的路径传递函数为：

其中，a₁为第一个行星轮内啮合副的路径传递函数；N_p为行星轮个数。

步骤6、利用步骤5得到的路径传递函数调制步骤4的啮合振动信号，生成模拟传感器采集到的各行星轮啮合振动信号；实际传感器采集到的就是这种表现形式的信号，等于一步步生成的是实际传感器采集到信号的模拟。

步骤7、将步骤6的传感器采集到的各行星轮啮合振动信号进行叠加，添加一定分贝的白噪声，生成整个行星轮系的啮合振动仿真信号。添加白噪声的目的是符合实际情况，因为实际传感器采集到的信号中不可避免存在着噪声。分贝根据所需仿真信号的需求来自行确定，可以不添加噪声，即生成纯净的仿真信号，也可以添加强噪声，在强噪声背景下验证某些行星轮系振动信号处理算法的有效性。

实施例2

本发明提供的仿真信号生成装置，如图10所示，包括采集模块和处理模块。

其中，采集模块，用于采集行星轮系各齿轮参数，并将行星轮系各齿轮参数传递至处理模块；处理模块，用于根据行星轮系各齿轮参数生成行星轮系振动仿真信号。

实施例3

本发明提供的一种计算机设备，如图11所示，包括电连接的存储器和处理器，其中，存储器上存储有可在处理器上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现上述的仿真信号生成方法的步骤。例如图1所示的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。

所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。

所述仿真信号生成装置/终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述仿真信号生成装置/终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。

所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述仿真信号生成装置/终端设备的各种功能。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

具体实例

以表1所示的行星轮系参数为例，根据本发明所述方法生成仿真信号：

表1

参照图2，根据势能法及相位差计算得到各啮合副的时变啮合刚度曲线。

参照图3a和图3b，为第1个行星轮在一个行星架旋转周期内的内外啮合副谐波信号波形图。零相移低通滤波生成各内外啮合副的谐波信号，滤波截止频率根据期望得到的谐波信号阶数设置。

参照图4a和图4b，为第1个行星轮单啮合周期产生的内外啮合副啮合冲击信号波形图。峰值滤波生成各内外啮合副的啮合冲击信号，滤波中心频率根据期望得到的冲击信号固有频率设置，品质因子根据期望得到的冲击信号阻尼比设置。

参照图5，为第1个行星轮的路径调制函数a₁(t)＝0.2+cos(2π×1/80×t+0)。

参照图6，用图5所示的路径函数调制第1个行星轮的啮合振动信号，得到传感器采集到的1号行星轮的啮合振动信号。

参照图7a和图7b，为传感器采集到的2号、3号行星轮的啮合振动信号。

参照图8，将传感器采集到的3个行星轮的啮合振动信号叠加，并添加一定的白噪声，生成整个行星轮系的啮合振动信号。

参照图9a和图9b，对生成的行星轮系啮合振动仿真信号进行分析得到频谱分布。，三个行星轮振动信号叠加后，啮合频率处谱线即80Hz谱线幅值抵消为0，在Z_r-mod(Z_r,N_p)和Z_r-[N_p-mod(Z_r,N_p)]谱线处即78Hz和81Hz谱线幅值增强，符合行星轮系的调制特性；高频区出现了以2800Hz为中心的固有频带，表明仿真信号中存在着固有振动，能够反映实际信号所蕴含的冲击特性。

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 (10)

1.一种行星轮系振动仿真信号生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据行星轮系各齿轮参数，通过势能法计算各啮合副的理论时变啮合刚度及相位差，生成各啮合副的时变啮合刚度曲线；

S2、对各啮合刚度曲线进行零相移低通滤波，生成各啮合副的受迫振动信号；对各啮合刚度曲线进行峰值滤波，生成各啮合副的冲击振动信号；

S3、将受迫振动信号、冲击振动信号叠加，得到各行星轮的啮合振动信号；

S4、分析各行星轮不同传递路径对信号的影响，生成各行星轮的路径传递函数；

S5、利用路径传递函数调制啮合振动信号，生成各行星轮啮合振动信号；

S6、将各行星轮啮合振动信号进行叠加，生成整个行星轮系的啮合振动仿真信号。

2.根据权利要求1所述的一种行星轮系振动仿真信号生成方法，其特征在于，所述的S1中，各啮合副相位差及时变啮合刚度的计算过程为：

根据各行星轮的空间位置，分别计算第i个行星轮与内齿圈内啮合时的初相位θ_ri，

其中，Z_r为内齿圈齿数；N_p为行星轮个数；θ_r1为第一个行星轮与内齿圈啮合时的初相位；

计算第i个行星轮与太阳轮外啮合时的初相位θ_si，

其中，Z_s为太阳轮齿数；N_p为行星轮个数；θ_s1为第一个行星轮与太阳轮啮合时的初相位；

同一个行星轮的内外啮合副产生的两个啮合振动之间的相位差θ_rs，

θ_rs＝θ_ri-θ_si

其中，θ_ri为第i个行星轮内啮合副的初相位；θ_si为第i个行星轮外啮合副的初相位；

k_rpi＝k_rp1(t-θ_ri)

k_spi＝k_sp1(t-θ_si)

其中，k_rpi为第i个行星轮内啮合副的啮合刚度，k_spi为第i个行星轮外啮合副的啮合刚度，k_rp1为第1个行星轮内啮合副的啮合刚度；k_sp1为第1个行星轮外啮合副的啮合刚度；θ_ri为第i个行星轮内啮合副的初相位；θ_si为第i个行星轮外啮合副的初相位。

3.根据权利要求1所述的一种行星轮系振动仿真信号生成方法，其特征在于，所述S2中，进行零相移低通滤波时，截止频率根据期望得到的谐波信号的阶数设置。

4.根据权利要求1所述的一种行星轮系振动仿真信号生成方法，其特征在于，所述S2中，进行峰值滤波时峰值滤波的中心频率根据期望得到的啮合冲击信号的固有频率设置；峰值滤波的品质因子根据期望得到的啮合冲击信号的阻尼比设置。

5.根据权利要求1所述的一种行星轮系振动仿真信号生成方法，其特征在于，所述S4中，所述的路径传递函数，只考虑时变传递路径影响。

6.根据权利要求1所述的一种行星轮系振动仿真信号生成方法，其特征在于，所述S4中，所述的路径传递函数为

其中，a₁为第一个行星轮内啮合副的路径传递函数；N_p为行星轮个数。

7.根据权利要求1所述的一种行星轮系振动仿真信号生成方法，其特征在于，所述S6中，在进行各行星轮啮合振动信号进行叠加时，添加白噪声。

8.一种行星轮系振动仿真信号生成装置，其特征在于，包括：

采集模块，用于采集行星轮系各齿轮参数，并将行星轮系各齿轮参数传递至处理模块；

处理模块，用于根据行星轮系各齿轮参数生成行星轮系振动仿真信号。

9.一种计算机设备，其特征在于，包括电连接的存储器和处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现权利要求1-7中任意一项所述的方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的方法的步骤。

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