CN115165345A - 一种基于改进振动分离的非互质齿比行星轮故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于改进振动分离的非互质齿比行星轮故障检测方法，包括步骤：(1)同步采集行星齿轮箱振动信号和转速脉冲信号，根据转速脉冲信号实现对振动信号的标记和多齿啮合数据段的提取，(2)根据一定的映射重构方法，对提取的数据段进行映射和重构，(3)对重构的数据向量进行时域同步平均处理获得被时变路径调制的振动向量，(4)构建时变传递函数，利用时变传递函数对时变路径调制的振动向量进行补偿，获得最终振动分离向量，得出故障检测结论。本发明能够有效实现对非互质比行星轮系的故障检测和故障定位，只需利用单个振动传感器，操作简便、经济实用，具有较强的应用价值。

Description

一种基于改进振动分离的非互质齿比行星轮故障检测方法

技术领域

本发明涉及旋转机械健康检测和故障诊断技术领域。

背景技术

行星齿轮箱系统具有结构紧凑、承载能力强和减速比高等优点，因此在工业、民用和军用等领域得到广泛应用，例如矿用机械、数控机床、风力涡轮机、船用齿轮箱、汽车变速箱、直升机等。在使用过程中，由于较高的工作负载、严苛的工作环境和不可避免的疲劳，齿轮会逐渐产生故障。如果齿轮故障不能及早检测出来，齿轮的健康状态会逐步恶化，甚至造成严重的经济损失和重大灾难。

齿轮箱振动信号中蕴含着丰富的设备健康状态信息，信号特征与复杂设备中的零部件运行状态有对应关系，行星齿轮箱上采集的振动信号非常复杂：首先，行星轮在围绕太阳轮公转时也会做自转运动，安装在箱体表面的振动传感器与齿轮啮合副之间的传递路径是随时间变化的；此外，多个行星轮会同时跟内齿圈以及太阳轮啮合，多个啮合副的振动信号相互耦合；行星齿轮箱的内部构造非常复杂，振动信号传递可以有多个不同路径。时变传递路径、多齿轮副的啮合耦合以及复杂的内部机械结构，让振动信号受到了复杂的幅值和相位调制。因此，很多在平行轴齿轮箱应用的故障特征提取方法无法在行星齿轮箱上直接使用。

对此，现有技术中有一些解决方案，例如，在中国专利文献CN103940607A和CN108362492A所公开的技术内容当中，利用单个振动传感器进行振动分离时，诊断的行星齿轮箱的齿圈齿数和行星轮齿数必须是互质齿比，不然无法完整提取出单个行星轮完整的啮合信号，面对非互质齿比的行星齿轮箱，无法有效进行故障诊断。

此外，现有的振动分离技术，只能应用在互质齿比的行星齿轮箱上，无法对非互质的行星齿轮箱的行星轮啮合信号进行完整的提取。因为行星轮齿数和齿圈齿数非互质齿比的情况下，行星轮是只有固定几个齿与内齿圈的某个齿进行啮合，固定在内齿圈外侧的单个振动传感器就无法提取所有行星轮齿的啮合信号。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对背景技术中存在的问题，提供一种基于改进振动分离的非互质齿比行星轮故障检测方法，对单个振动传感器采集的振动信号进行处理，通过构建时变传递方程的方法消除幅值调制的影响，实施振动分离技术获得单个行星轮的啮合信号，实现对非互质齿比的行星齿轮箱的轮进行故障检测和故障定位。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种基于改进振动分离的非互质齿比行星轮故障检测方法，其主要步骤包括：

(1)同步采集行星齿轮箱振动信号和转速脉冲信号，根据转速脉冲信号实现对振动信号的标记和多齿啮合数据段的提取。

(2)根据一定的映射重构方法，将提取的数据段组合成新的数据向量。

(3)对重构的数据向量进行时域同步平均处理获得被时变路径调制的振动向量。

(4)构建时变传递函数，利用时变传递函数对时变路径调制的振动向量进行补偿，获得最终的振动分离向量。

进一步地，所述步骤(1)包含的具体流程为：

(1.1)同步采集振动信号和编码器脉冲信号，即采集卡在采样过程中对振动传感器和编码器采用相同的采样率。

(1.2)利用编码器脉冲信号对振动信号进行标记，即行星架每旋转一周，就将振动数据划分为一个数据块。

(1.3)对数据块里面多齿啮合数据段的提取。在一个数据块里，每个行星轮依次通过传感器下方。可以在一个数据块中可以提取出一个数据段，表示行星齿轮齿与内齿圈在啮合点之前和之后的啮合振动信息。数据段的长度可以用下式确定：

γ_sec＝floor(M_t*γ₀)，

式中，M_t代表一个数据段中要提取啮合齿数，γ₀代表单个齿的啮合长度，要提取啮合齿数M_t通过下式计算：

其中n_rest,p代表达到啮合齿序重复情况下行星架最小旋转圈数，由下式计算得到：

LCM(*)代表计算最小公倍数的运算符号，Z_p和Z_r分别代表行星轮齿数和齿圈齿数。

单齿啮合的长度γ₀通过下式计算：

式中，f_s代表采样频率，f_c代表行星架转频，Z_r是内齿圈齿数。

将n_rest,p*T_c时间内的最大峰峰值作为第一个数据段的中心位置，计算第一个数据段中心位置在数据块内的位置，其余数据段的中心位置也可以从其余数据块中提取出来。

进一步地，所述步骤(2)的具体流程为：

将提取出的数据段，按照下式映射重构，组合成新的数据向量：

P_n,p＝mod(nN_r,N_g)+1，

式中，P_n,p表示当行星架旋转n圈时，行星轮运行到传感器下方与内齿圈啮合的齿序号，n＝0,1,2...,n＝0代表初始时刻，mod是取余操作。

进一步地，所述步骤(3)的具体流程为：

在序列矩阵中，每个数据段代表M_t个行星轮齿啮合数据，对完整的行星轮啮合数据进行时域平均的处理，消除非平稳非周期性信号干扰。

进一步地，所述步骤(4)的具体流程为：

(4.1)同步采集健康的行星齿轮箱和编码器脉冲信号；

(4.2)利用编码器脉冲信号对健康行星齿轮箱振动信号划分成数据块，从数据块中提取相应的数据段，将数据段按照前述方法构建成组合矩阵，对组合矩阵的进行时域同步平均处理，获得单个健康行星轮的啮合振动信号；

(4.3)利用时变传递方程进行补偿，时变传递方程如下：

式中，α和β共同控制汉明窗的最大最小值和带宽，其中0.5≤α<1且β<0；ω_c是行星架的角速度；

是行星轮的初始相位。当补偿后的信号获得最小的峰度值时，获得参数α值和β值。

(4.4)利用获得的时变传递方程w_i(α,β)对未知信号获得的时域平均信号进行补偿，通过计算补偿后的信号峰度值判断是否有故障，并通过补偿后的时域信号能够定位坏齿的位置。

本发明的有益效果是：通过本发明的方法能够有效实现对非互质比行星轮系的故障检测和故障定位，而且只需利用单个振动传感器，操作简便、经济实用，具有较强的应用价值。

具体来说，首先，本发明利用健康的行星齿轮箱啮合数据对时变传递函数参数进行优化迭代，获得最优参数组合，再利用时变传递函数对多齿振动分离的啮合信号进行路径补偿，消除幅值调制的影响，实现对行星轮的故障检测和故障定位。此外，本发明在不增加振动传感器的情况下，利用单个振动传感器实现对非互质齿比行星轮的局部故障检测和故障定位，拓展了振动分离技术的应用范围，经过实际测量数据验证，该方法现场可操作性强，测量精度高，经济实用性高。

附图说明

图1是本发明的整体流程图。

图2是本发明的步骤(4)的流程图。

图3是本发明的故障齿轮的示意图。

图4是通过本发明的方法进行补偿前的健康行星轮信号图。

图5是通过本发明的方法进行补偿后的健康行星轮信号图。

图6是通过本发明的方法进行补偿后确定故障位置的信号图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细描述，应当指出的是，实施例只是对发明的具体阐述，不应视为对发明的限定，实施例的目的是为了让本领域技术人员更好地理解和再现本发明的技术方案，本发明的保护范围仍应当以权利要求书所限定的范围为准。

如图1所示，本发明提供的一种基于改进振动分离的非互质齿比行星轮故障检测方法，其主要步骤包括：

(1)同步采集行星齿轮箱振动信号和转速脉冲信号，根据转速脉冲信号实现对振动信号的标记和多齿啮合数据段的提取。

所述步骤(1)包含的具体流程为：

(1.1)同步采集振动信号和编码器脉冲信号，即采集卡在采样过程中对振动传感器和编码器采用相同的采样率。

(1.2)利用编码器脉冲信号对振动信号进行标记，即行星架每旋转一周，就将振动数据划分为一个数据块。

(1.3)对数据块里面多齿啮合数据段的提取。在一个数据块里，每个行星轮依次通过传感器下方。可以在一个数据块中可以提取出一个数据段，表示行星齿轮齿与内齿圈在啮合点之前和之后的啮合振动信息。数据段的长度可以用下式确定：

γ_sec＝floor(M_t*γ₀)，

式中，M_t代表一个数据段中要提取啮合齿数，γ₀代表单个齿的啮合长度，要提取啮合齿数M_t通过下式计算：

其中n_rest,p代表达到啮合齿序重复情况下行星架最小旋转圈数，由下式计算得到：

LCM(*)代表计算最小公倍数的运算符号，Z_p和Z_r分别代表行星轮齿数和齿圈齿数。

单齿啮合的长度γ₀通过下式计算：

式中，f_s代表采样频率，f_c代表行星架转频，Z_r是内齿圈齿数。

将n_rest,p*T_c时间内的最大峰峰值作为第一个数据段的中心位置，计算第一个数据段中心位置在数据块内的位置，其余数据段的中心位置也可以从其余数据块中提取出来。

(2)根据一定的映射重构方法，对提取的数据段进行映射和重构。

所述步骤(2)的具体流程为：

将提取出的数据段，按照下式映射重构，组合成新的数据向量：

P_n,p＝mod(nN_r,N_g)+1，

式中，P_n,p表示当行星架旋转n圈时，行星轮运行到传感器下方与内齿圈啮合的齿序号，n＝0,1,2...,n＝0代表初始时刻，mod是取余操作。

(3)对重构的数据向量进行时域同步平均处理获得被时变路径调制的振动向量。

所述步骤(3)的具体流程为：

在序列矩阵中，每个数据段代表M_t个行星轮齿啮合数据，对完整的行星轮啮合数据进行时域平均的处理，消除非平稳非周期性信号干扰。

(4)构建时变传递函数，利用时变传递函数对时变路径调制的振动向量进行补偿，获得最终的振动分离向量。

所述步骤(4)的具体流程为：

(4.1)同步采集健康的行星齿轮箱和编码器脉冲信号；

(4.2)利用编码器脉冲信号对健康行星齿轮箱振动信号划分成数据块，从数据块中提取相应的数据段，将数据段按照前述方法构建成组合矩阵，对组合矩阵的进行时域同步平均处理，获得单个健康行星轮的啮合振动信号；

(4.3)利用时变传递方程进行补偿，时变传递方程如下：

式中，α和β共同控制汉明窗的最大最小值和带宽，其中0.5≤α<1且β<0；ω_c是行星架的角速度；

是行星轮的初始相位。当补偿后的信号获得最小的峰度值时，获得参数α值和β值。

(4.4)利用获得的时变传递方程w_i(α,β)对未知信号获得的时域平均信号进行补偿，通过计算补偿后的信号峰度值判断是否有故障，并通过补偿后的时域信号能够定位坏齿的位置。

下面以实验室内行星齿轮箱实验台的健康检测为例，来说明本发明的具体实施方式。为了模拟故障信号，制造加工了一个缺角故障的齿轮，如图3所示。

步骤1，同步采集行星齿轮箱振动信号和转速脉冲信号，根据转速脉冲信号实现对振动信号的标记和多齿啮合数据段的提取。

步骤1.1：同步采集振动信号和编码器脉冲信号。控制电机输出转速为1200rpm，行星齿轮箱太阳轮转速为1200rpm，行星架作为输出转速为120rpm，编码器安装在行星架输出轴上，利用数据采集卡对振动传感器和编码器进行数据采样，采样频率为256.khz，利用pc端进行存储。另外，需要测量的行星齿轮箱内齿圈齿数Z_r＝108，太阳轮齿数Z_s＝12，行星轮齿数Z_p＝48，轴编码器脉冲速率为50ppr。

步骤1.2：利用编码器脉冲信号对振动信号进行标记。即行星架每旋转一周，就将振动数据划分为一个数据块。也就是编码器每50个脉冲进行一次标记，划分成若干数据块。

步骤1.3：对数据块里面多齿啮合数据段的提取。在一个数据块里，每个行星轮依次通过传感器下方。可以在一个数据块中可以提取出一个数据段，表示行星齿轮齿与内齿圈在啮合点之前和之后的啮合振动信息。

要提取啮合齿数M_t可以计算得

单齿啮合的长度

每一个数据块中需要提取的数据段长度为γ_sec＝floor(M_t*γ₀)＝1424

将n_rest,p*T_c＝4*0.5＝2s时间内的最大峰峰值作为第一个数据段的中心位置，计算第一个数据段中心位置在数据块内的位置，其余数据段的中心位置也可以从其余数据块中提取出来。

步骤2将提取出的数据段，按照下式组合成序列矩阵：

P_n,p＝mod(nN_r,N_g)+1，

所得到的齿啮合顺序可以用表1来表示，通过表1可以看出，每经过4圈行星轮上的齿就会与传感器下方的内齿圈重复啮合。

表1

步骤3在序列矩阵中，每个数据段代表M_t＝12个行星轮齿啮合数据，对完整的行星轮啮合数据进行时域平均的处理，消除非平稳非周期性信号干扰。

步骤4构建时变传递函数，利用时变传递函数对时变路径调制的振动向量进行补偿，获得最终的振动分离向量，得出故障检测结论。

步骤4.1同步采集健康的行星齿轮箱和编码器脉冲信号，具体操作同步骤1

步骤4.2利用编码器脉冲信号对健康行星齿轮箱振动信号划分成数据块，从数据块中提取相应的数据段，将数据段按照前述方法构建成组合矩阵，对组合矩阵的进行时域同步平均处理，获得单个健康行星轮的啮合振动信号，具体操作同步骤2。

步骤4.3利用时变传递方程进行补偿，时变传递方程如下：

式中，β控制汉明窗的最大最小值和带宽β<0；ω_c是行星架的角速度；

是行星轮的初始相位。当补偿后的信号获得最小的峰度值时，获得参数α＝0.55和β＝-1。补偿前健康行星轮信号如图4所示，补偿后的健康行星轮信号如图5所示，从图4和图5的对比可以明显看出，图5明显抑制了幅值调制的影响，能够有效避免错误预警。

步骤4.4利用获得的时变传递方程w_i(0.55,1)对未知信号获得的时域平均信号进行补偿，通过计算补偿后的信号峰度值判断是否有故障，kurtosis(x_u)＝151.2354远大于kurtosis(x_h)＝5.2626，可以判定该行星轮出现故障。如图6所示，补偿后的时域信号能够定位坏齿的位置，在行星轮第7个齿出现明显异常冲击，可以判定该齿出现故障。由此可见本发明能够对非互质齿比的行星轮有效的故障检测和定位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所做的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于改进振动分离的非互质齿比行星轮故障检测方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)同步采集行星齿轮箱振动信号和转速脉冲信号，根据转速脉冲信号对振动信号进行标记标记和对多齿啮合数据段的进行提取；

(2)根据一定的映射重构方法，将提取的数据段组合成新的数据向量；

(3)对重构的数据向量进行时域同步平均处理获得被时变路径调制的振动向量；

(4)构建时变传递函数，利用时变传递函数对时变路径调制的振动向量进行补偿，获得最终的振动分离向量。

2.根据权利要求1所述的一种基于改进振动分离的非互质齿比行星轮故障检测方法，其特征是，所述步骤(1)的具体流程为：

(1.1)同步采集振动信号和编码器脉冲信号；

(1.2)利用编码器脉冲信号对振动信号进行标记；

(1.3)对数据块里面多齿啮合数据段的提取；

数据段的长度根据下式确定：

γ_sec＝floor(M_t*γ₀)，

式中，M_t代表一个数据段中要提取啮合齿数，γ₀代表单个齿的啮合长度，floor(*)是向下取整运算符号。

3.根据权利要求2所述的所述的一种基于改进振动分离的非互质齿比行星轮故障检测方法，其特征是，

所述要提取啮合齿数M_t通过下式计算：

其中n_rest,p代表达到啮合齿序重复情况下行星架最小旋转圈数，由下式计算得到：

LCM(*)代表计算最小公倍数的运算符号，Z_p和Z_r分别代表行星轮齿数和齿圈齿数。

4.根据权利要求2所述的所述的一种基于改进振动分离的非互质齿比行星轮故障检测方法，其特征是，

所述单齿啮合的长度γ₀通过下式计算：

式中，f_s代表采样频率，f_c代表行星架转频，Z_r是内齿圈齿数。

5.根据权利要求1所述的一种基于改进振动分离的非互质齿比行星轮故障检测方法，其特征是，所述步骤(2)的具体流程为：

将提取出的数据段，按照下式映射重构，组合成新的数据向量：

P_n,p＝mod(nN_r,N_g)+1，

式中，P_n,p表示当行星架旋转n圈时，行星轮运行到传感器下方与内齿圈啮合的齿序号，n＝0,1,2...,n＝0表示初始时刻，mod是取余操作。

6.根据权利要求1所述的一种基于改进振动分离的非互质齿比行星轮故障检测方法，其特征是，所述步骤(3)的具体流程为：

在序列矩阵中，每个数据段代表M_t个行星轮齿啮合数据，对完整的行星轮啮合数据进行时域平均的处理，消除非平稳非周期性信号干扰。

7.根据权利要求1所述的一种基于改进振动分离的非互质齿比行星轮故障检测方法，其特征是，所述步骤(4)的具体流程为：

(4.1)同步采集健康的行星齿轮箱和编码器脉冲信号；

(4.2)利用编码器脉冲信号对健康行星齿轮箱振动信号划分成数据块，从数据块中提取相应的数据段，将数据段按照前述方法构建成组合矩阵，对组合矩阵的进行时域同步平均处理，获得单个健康行星轮的啮合振动信号；

(4.3)利用时变传递方程进行补偿，时变传递方程如下：

式中，α和β共同控制汉明窗的最大最小值和带宽，其中0.5≤α<1且β<0；ω_c是行星架的角速度；

是行星轮的初始相位，mod是取余操作；

当补偿后的信号获得最小的峰度值时，获得参数α值和β值。

(4.4)利用获得的时变传递方程w_i(α,β)对未知信号获得的时域平均信号进行补偿，通过计算补偿后的信号峰度值判断是否有故障，并通过补偿后的时域信号能够定位坏齿的位置。

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