CN116415131A - 一种行星齿轮故障特征提取方法及系统 - Google Patents

一种行星齿轮故障特征提取方法及系统 Download PDF

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CN116415131A
CN116415131A CN202211599629.3A CN202211599629A CN116415131A CN 116415131 A CN116415131 A CN 116415131A CN 202211599629 A CN202211599629 A CN 202211599629A CN 116415131 A CN116415131 A CN 116415131A
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planetary gear
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frequency
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隆勇
王星荣
张皓栋
唐藜
练俊君
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Chongqing Chuanyi Automation Co Ltd
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Abstract

本申请提供一种行星齿轮故障特征提取方法及系统，通过对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解，并选取感兴趣分量信号以及对感兴趣分量信号进行包络提取，得到对应的包络信号；提取包络信号的实部与虚部，得到包络实部和包络虚部；根据同步转速脉冲信号计算得到同步时标，并将发生故障的行星齿轮所在轴作为同步平均参考轴，再结合同步时标，对包络实部和包络虚部进行同步平均；并对同步平均后的包络实部和包络虚部进行组合，得到同步平均包络信号；对同步平均包络信号进行快速傅里叶变换，提取目标行星齿轮的弱故障特征。本申请通过将希尔伯特分解和包络同步平均相结合，可以精确提取行星齿轮弱故障特征，从而能够实现对行星齿轮箱故障诊断。

Description

一种行星齿轮故障特征提取方法及系统
技术领域
本申请涉及信号处理技术领域，特别是涉及一种行星齿轮故障特征提取方法及系统。
背景技术
行星齿轮箱传动装置拥有结构紧凑，承载力强和传动比大等优点，广泛应用于汽车、风电、冶金和化工等重点行业。然而由于行星齿轮箱通常运用于低速重载或变速变载等复杂工况中，在制造安装过程中也存在误差，导致行星齿轮断齿和齿面点蚀等故障时有发生。然而行星齿轮一旦发生故障，不仅会导致整个行星传动系统损坏和瘫痪，还可能会导致工厂停产，甚至造成人员伤亡的恶性事故。
与传统平行齿轮箱不同，行星齿轮箱构件较多，一般由行星齿轮、太阳轮、行星架和齿圈组成。行星齿轮箱在运行过程中，行星齿轮在进行自转的同时还绕着太阳轮进行行星运动，导致行星齿轮的啮合位置是时变的，此外多个行星齿轮同时啮合，各啮合运动相互耦合干扰，故传感器拾取的行星齿轮啮合信号存在复杂的调制现象，行星齿轮故障特征信号较微弱，行星齿轮故障特征提取存在较大难度。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种行星齿轮故障特征提取方法及系统，用于解决现有技术中行星齿轮故障特征提取存在较大难度的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种行星齿轮故障特征提取方法，包括以下步骤：
对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解，并从分解后的分量信号中选取感兴趣分量信号；
对所述感兴趣分量信号进行包络提取，得到对应的包络信号；
提取所述包络信号的实部与虚部，得到对应的包络实部和包络虚部；
根据同步转速脉冲信号计算得到同步时标；
将发生故障的行星齿轮所在轴作为同步平均参考轴，并结合所述同步时标，对所述包络实部和所述包络虚部进行同步平均；
对同步平均后的包络实部和包络虚部进行重新组合，得到同步平均包络信号；
对所述同步平均包络信号进行快速傅里叶变换，提取目标行星齿轮的弱故障特征；其中，所述目标行星齿轮包括所述发生故障的行星齿轮。
可选地，所述行星齿轮故障原始信号的采集方式包括：通过压电式加速度传感器获取行星齿轮故障原始信号；
所述同步转速脉冲信号的采集方式包括：利用电涡流传感器同步采集太阳轮输入轴处的转速脉冲信号，作为所述同步转速脉冲信号。
可选地，所述压电式加速度传感器设置于所述行星齿轮的齿圈正上方。
可选地，对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解前，所述方法还包括：设置分量信号个数和滤波器截止频率；其中，所述滤波器截止频率大于所述行星齿轮故障原始信号单分量信号的最小频率。
可选地，对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解前，所述方法还包括：
获取行星齿轮轮齿、太阳轮轮数、轮圈、太阳轮旋转频率、行星齿轮旋转频率和行星架旋转频率；
根据所述行星齿轮轮齿、所述太阳轮轮数、所述轮圈、所述太阳轮旋转频率、所述行星齿轮旋转频率和所述行星架旋转频率，计算行星齿轮故障特征频率，有：
fm＝Nafc＝Np(fp+fc)＝Ns(fs-fc)；
fp1＝fm/Np；
式中，Np表示行星齿轮轮齿；
Ns表示太阳轮轮数；
Na表示轮圈；
fm表示行星齿轮啮合频率；
fs表示太阳轮旋转频率；
fp表示行星齿轮旋转频率；
fc表示行星架旋转频率；
fp1表示行星齿轮故障特征频率。
本申请还提供一种行星齿轮故障特征提取系统，所述系统包括有：
分解模块，用于对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解，并从分解后的分量信号中选取感兴趣分量信号；
包络提取模块，用于对所述感兴趣分量信号进行包络提取，得到对应的包络信号；以及，提取所述包络信号的实部与虚部，得到对应的包络实部和包络虚部；
同步时标计算模块，用于根据同步转速脉冲信号计算得到同步时标；
同步平均模块，用于将发生故障的行星齿轮所在轴作为同步平均参考轴，并结合所述同步时标，对所述包络实部和所述包络虚部进行同步平均；
组合模块，用于对同步平均后的包络实部和包络虚部进行重新组合，得到同步平均包络信号；
故障特征提取模块，用于对所述同步平均包络信号进行快速傅里叶变换，提取目标行星齿轮的弱故障特征；其中，所述目标行星齿轮包括所述发生故障的行星齿轮。
可选地，所述行星齿轮故障原始信号的采集方式包括：通过压电式加速度传感器获取行星齿轮故障原始信号；
所述同步转速脉冲信号的采集方式包括：利用电涡流传感器同步采集太阳轮输入轴处的转速脉冲信号，作为所述同步转速脉冲信号。
可选地，所述压电式加速度传感器设置于所述行星齿轮的齿圈正上方。
可选地，所述系统还包括：参数设置模块，用于在对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解前，设置分量信号个数和滤波器截止频率；其中，所述滤波器截止频率大于所述行星齿轮故障原始信号单分量信号的最小频率。
可选地，对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解前，所述系统还包括：
获取行星齿轮轮齿、太阳轮轮数、轮圈、太阳轮旋转频率、行星齿轮旋转频率和行星架旋转频率；
根据所述行星齿轮轮齿、所述太阳轮轮数、所述轮圈、所述太阳轮旋转频率、所述行星齿轮旋转频率和所述行星架旋转频率，计算行星齿轮故障特征频率，有：
fm＝Nafc＝Np(fp+fc)＝Ns(fs-fc)；
fp1＝fm/Np；
式中，Np表示行星齿轮轮齿；
Ns表示太阳轮轮数；
Na表示轮圈；
fm表示行星齿轮啮合频率；
fs表示太阳轮旋转频率；
fp表示行星齿轮旋转频率；
fc表示行星架旋转频率；
fp1表示行星齿轮故障特征频率。
如上所述，本申请提供一种行星齿轮故障特征提取方法及系统，具有以下有益效果：本申请通过对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解，并从分解后的分量信号中选取感兴趣分量信号；再对所述感兴趣分量信号进行包络提取，得到对应的包络信号；以及提取所述包络信号的实部与虚部，得到对应的包络实部和包络虚部；再根据同步转速脉冲信号计算得到同步时标；以及将发生故障的行星齿轮所在轴作为同步平均参考轴，并结合所述同步时标，对所述包络实部和所述包络虚部进行同步平均；同时对同步平均后的包络实部和包络虚部进行重新组合，得到同步平均包络信号；最后对所述同步平均包络信号进行快速傅里叶变换，提取目标行星齿轮的弱故障特征；其中，所述目标行星齿轮包括所述发生故障的行星齿轮。由此可知，本申请通过将希尔伯特分解和包络同步平均相结合，可以精确提取行星齿轮弱故障特征；同时，行星齿轮故障特征频率在包络平均谱中清晰可见，从而能够实现对行星齿轮箱故障诊断。所以，本申请通过提取行星齿轮弱故障特征，可以实现行星齿轮箱故障诊断，从而能够解决目前行星齿轮故障特征提取存在较大的问题。
附图说明
图1为本申请中一实施例提供的行星齿轮故障特征提取方法的流程示意图；
图2为本申请中一实施例提供的行星齿轮故障原始信号示意图；
图3为本申请中一实施例提供的同步转速脉冲信号示意图；
图4为本申请中一实施例提供的对感兴趣信号进行希尔伯特分解后的分量信号示意图；
图5为本申请中一实施例提供的包络信号示意图；
图6为本申请中一实施例提供的同步平均包络信号示意图；
图7为本申请中一实施例提供的行星齿轮故障特征提取系统的硬件结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，遂图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1所示，本实施例提供一种行星齿轮故障特征提取方法，包括以下步骤：
对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解，并从分解后的分量信号中选取感兴趣分量信号；
对所述感兴趣分量信号进行包络提取，得到对应的包络信号；
提取所述包络信号的实部与虚部，得到对应的包络实部和包络虚部；
根据同步转速脉冲信号计算得到同步时标；
将发生故障的行星齿轮所在轴作为同步平均参考轴，并结合所述同步时标，对所述包络实部和所述包络虚部进行同步平均；
对同步平均后的包络实部和包络虚部进行重新组合，得到同步平均包络信号；
对所述同步平均包络信号进行快速傅里叶变换，提取目标行星齿轮的弱故障特征；其中，所述目标行星齿轮包括所述发生故障的行星齿轮。
由此可知，本实施例通过将希尔伯特分解和包络同步平均相结合，可以精确提取行星齿轮弱故障特征；同时，行星齿轮故障特征频率在包络平均谱中清晰可见，从而能够实现对行星齿轮箱故障诊断。所以，本实施例通过提取行星齿轮弱故障特征，可以实现行星齿轮箱故障诊断，从而能够解决目前行星齿轮故障特征提取存在较大的问题。
在一示例性实施例中，所述行星齿轮故障原始信号的采集方式包括：通过压电式加速度传感器获取行星齿轮故障原始信号。其中，所述压电式加速度传感器设置于所述行星齿轮的齿圈正上方。所述同步转速脉冲信号的采集方式包括：利用电涡流传感器同步采集太阳轮输入轴处的转速脉冲信号，作为所述同步转速脉冲信号。
在一示例性实施例中，对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解前，所述方法还包括：设置分量信号个数和滤波器截止频率；其中，所述滤波器截止频率大于所述行星齿轮故障原始信号单分量信号的最小频率。作为示例，具体地，本实施例在进行希尔伯特分解前，可以预先设置两个参数，分别为分解分量个数M和滤波器截止频率。其中，分解分量个数M可根据原始信号包含的单分量信号个数设置，而滤波器截止频率在满足大于原始信号中单分量信号的最小频率前提下，设置越小越好。
在一示例性实施例中，对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解前，所述方法还包括：
获取行星齿轮轮齿、太阳轮轮数、轮圈、太阳轮旋转频率、行星齿轮旋转频率和行星架旋转频率；
根据所述行星齿轮轮齿、所述太阳轮轮数、所述轮圈、所述太阳轮旋转频率、所述行星齿轮旋转频率和所述行星架旋转频率，计算行星齿轮啮合频率，有：
fm＝Nafc＝Np(fp+fc)＝Ns(fs-fc)；
再根据所述行星齿轮啮合频率和行星齿轮轮齿计算行星齿轮故障特征频率，有：
fp1＝fm/Np；
式中，Np表示行星齿轮轮齿；
Ns表示太阳轮轮数；
Na表示轮圈；
fm表示行星齿轮啮合频率；
fs表示太阳轮旋转频率；
fp表示行星齿轮旋转频率；
fc表示行星架旋转频率；
fp1表示行星齿轮故障特征频率。
在一具体实施例中，该实施例还提供一种行星齿轮故障特征提取方法，包括以下步骤：
S1，首先利用希尔伯特分解技术将原始信号分解为M个单分量信号，选取分解结果中的第一组单分量信号作为感兴趣的分量行后续分析。其中，在进行希尔伯特分解前，本实施例可以预先设置两个参数，分别为分解分量个数M和滤波器截止频率，其中分解分量个数M可根据原始信号包含的单分量信号个数设置，而滤波器截止频率在满足大于原始信号中单分量信号的最小频率前提下，设置越小越好。
S2，对感兴趣分量信号进行包络提取，并分别提取包络信号的实部与虚部；
S3，将故障行星齿轮所在轴作为同步平均的参考轴，根据同步转速脉冲信号，计算得到同步时标；
S4，结合同步时标，分别将感兴趣分量信号的实部与虚部进行同步平均，最后将平均后的实部与虚部重新组合后再进行FFT运算，提取行星齿轮弱故障特征，同时通过观察包络平均谱中的行星齿轮故障特征频率，实现行星齿轮故障诊断。
由此可知，本实施例通过将希尔伯特分解和包络同步平均相结合，可以精确提取行星齿轮弱故障特征；同时，行星齿轮故障特征频率在包络平均谱中清晰可见，从而能够实现对行星齿轮箱故障诊断。所以，本实施例通过提取行星齿轮弱故障特征，可以实现行星齿轮箱故障诊断，从而能够解决目前行星齿轮故障特征提取存在较大的问题。
在另一具体实施例中，该实施例还提供一种针对行星齿轮箱中的行星齿轮故障特征提取方法，其中，该行星齿轮箱由三个行星齿轮(齿数Np为20)，一个太阳轮(齿数Ns为28)、一个齿圈(齿数Na为71)和行星架组成，行星齿轮箱输入转速设置为1000r/min；且采用电火花加工技术预制了行星齿轮故障，通过压电式加速度传感器可以采集行星齿轮故障原始信号；利用电涡流传感器可以同步采集太阳轮输入轴处的转速脉冲信号作为同步转速脉冲信号。其中，对于该行星齿轮箱中的行星齿轮故障，本实施例提供了一种行星齿轮故障特征提取方法，包括以下步骤：
步骤1，由于信号到传感器的传递路径越短，所拾取的原始信号信噪比越高，因此将压电式加速度传感器置于齿圈正上方拾取行星齿轮故障原始信号，电涡流传感器安装在太阳轮输入轴处同步采集转速脉冲信号，采用NI9234采集卡进行高速采样，采样频率设置为51.2kHz。所采集的行星齿轮故障原始振动信号如图2所示，同步转速脉冲信号如图3所示。
根据所述行星齿轮轮齿、所述太阳轮轮数、所述轮圈、所述太阳轮旋转频率、所述行星齿轮旋转频率和所述行星架旋转频率，计算行星齿轮啮合频率，有：
fm＝Nafc＝Np(fp+fc)＝Ns(fs-fc)；
再根据所述行星齿轮啮合频率和行星齿轮轮齿计算行星齿轮故障特征频率，有：
fp1＝fm/Np；
式中，Np表示行星齿轮轮齿；Ns表示太阳轮轮数；Na表示轮圈；fm表示行星齿轮啮合频率；fs表示太阳轮旋转频率；fp表示行星齿轮旋转频率；fc表示行星架旋转频率；fp1表示行星齿轮故障特征频率。
由上式以及行星齿轮箱参数可计算出行星齿轮箱的特征频率，见下表1所示。
表1行星齿轮箱特征频率
行星齿轮箱啮合阶次fm 334.4Hz
行星架旋转频率fc 4.7
行星轮故障阶次fp1 16.7Hz
步骤2，利用希尔伯特分解技术将原始信号分解为M个单分量信号，分解结果如图4所示。由图4可知，第一组单分量信号幅值最大，包含行星齿轮故障信息较丰富，故选择第一组单分量信号作为感兴趣分量信号进行后续分析。
步骤3，对感兴趣分量信号进行希尔伯特变换获得包络信号，并分别提取包络信号的实部与虚部。对包络信号进行FFT变换获得包络谱，感兴趣分量信号包络谱如图5所示。由图5可知，包络谱中行星架旋转频率fc(4.7Hz)幅值较高，还存在较多的干扰频率且幅值较高，而行星齿轮故障特征频率fp1(16.7Hz)幅值较低，基本被淹没在噪声之中，行星齿轮故障特征不明显。
步骤4，根据行星齿轮传动特性，将太阳轮同步转速脉冲信号转换为行星齿轮同步转速脉冲信号，再以行星齿轮所在轴作为参考轴，通过计算获得用于同步平均的时标信号。
步骤5，根据时标信号，分别对感兴趣分量信号的实部和虚部进行同步平均提取行星齿轮弱故障特征，再将实部信号和虚部信号重新组合获得同步平均后的包络信号，最终利用FFT变换获得感兴趣分量信号的包络平均谱如图6所示。图6中虽然行星架旋转频率fc(4.7Hz)幅值较高，可能与信号相互耦合有关，但其他干扰频率能量明显减弱、幅值较低，并可清晰的观察到行星齿轮故障特征频率fp1(16.7Hz)，及其二倍谐频2fp1和三倍谐频3fp1。通过对行星齿轮故障实验的分析，验证了此发明对行星齿轮弱故障特征提取的有效性。
由此可知，本实施例通过将希尔伯特分解和包络同步平均相结合，可以精确提取行星齿轮弱故障特征；同时，行星齿轮故障特征频率在包络平均谱中清晰可见，从而能够实现对行星齿轮箱故障诊断。所以，本实施例通过提取行星齿轮弱故障特征，可以实现行星齿轮箱故障诊断，从而能够解决目前行星齿轮故障特征提取存在较大的问题。
综上所述，本申请提供一种行星齿轮故障特征提取方法，通过对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解，并从分解后的分量信号中选取感兴趣分量信号；再对所述感兴趣分量信号进行包络提取，得到对应的包络信号；以及提取所述包络信号的实部与虚部，得到对应的包络实部和包络虚部；再根据同步转速脉冲信号计算得到同步时标；以及将发生故障的行星齿轮所在轴作为同步平均参考轴，并结合所述同步时标，对所述包络实部和所述包络虚部进行同步平均；同时对同步平均后的包络实部和包络虚部进行重新组合，得到同步平均包络信号；最后对所述同步平均包络信号进行快速傅里叶变换，提取目标行星齿轮的弱故障特征；其中，所述目标行星齿轮包括所述发生故障的行星齿轮。由此可知，本方法通过将希尔伯特分解和包络同步平均相结合，可以精确提取行星齿轮弱故障特征；同时，行星齿轮故障特征频率在包络平均谱中清晰可见，从而能够实现对行星齿轮箱故障诊断。所以，本方法通过提取行星齿轮弱故障特征，可以实现行星齿轮箱故障诊断，从而能够解决目前行星齿轮故障特征提取存在较大的问题。
在本申请另一实施例中，该实施例还提供一种行星齿轮故障特征提取系统，包括有：
分解模块，用于对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解，并从分解后的分量信号中选取感兴趣分量信号；
包络提取模块，用于对所述感兴趣分量信号进行包络提取，得到对应的包络信号；以及，提取所述包络信号的实部与虚部，得到对应的包络实部和包络虚部；
同步时标计算模块，用于根据同步转速脉冲信号计算得到同步时标；
同步平均模块，用于将发生故障的行星齿轮所在轴作为同步平均参考轴，并结合所述同步时标，对所述包络实部和所述包络虚部进行同步平均；
组合模块，用于对同步平均后的包络实部和包络虚部进行重新组合，得到同步平均包络信号；
故障特征提取模块，用于对所述同步平均包络信号进行快速傅里叶变换，提取目标行星齿轮的弱故障特征；其中，所述目标行星齿轮包括所述发生故障的行星齿轮。
由此可知，本实施例通过将希尔伯特分解和包络同步平均相结合，可以精确提取行星齿轮弱故障特征；同时，行星齿轮故障特征频率在包络平均谱中清晰可见，从而能够实现对行星齿轮箱故障诊断。所以，本实施例通过提取行星齿轮弱故障特征，可以实现行星齿轮箱故障诊断，从而能够解决目前行星齿轮故障特征提取存在较大的问题。
在一示例性实施例中，所述行星齿轮故障原始信号的采集方式包括：通过压电式加速度传感器获取行星齿轮故障原始信号；其中，所述压电式加速度传感器设置于所述行星齿轮的齿圈正上方。所述同步转速脉冲信号的采集方式包括：利用电涡流传感器同步采集太阳轮输入轴处的转速脉冲信号，作为所述同步转速脉冲信号。
在一示例性实施例中，所述系统还包括参数设置模块，用于在对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解前，设置分量信号个数和滤波器截止频率；其中，所述滤波器截止频率大于所述行星齿轮故障原始信号单分量信号的最小频率。作为示例，具体地，本实施例在进行希尔伯特分解前，可以预先设置两个参数，分别为分解分量个数M和滤波器截止频率。其中，分解分量个数M可根据原始信号包含的单分量信号个数设置，而滤波器截止频率在满足大于原始信号中单分量信号的最小频率前提下，设置越小越好。
在一示例性实施例中，对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解前，所述系统还包括：
获取行星齿轮轮齿、太阳轮轮数、轮圈、太阳轮旋转频率、行星齿轮旋转频率和行星架旋转频率；
根据所述行星齿轮轮齿、所述太阳轮轮数、所述轮圈、所述太阳轮旋转频率、所述行星齿轮旋转频率和所述行星架旋转频率，计算行星齿轮啮合频率，有：
fm＝Nafc＝Np(fp+fc)＝Ns(fs-fc)；
再根据所述行星齿轮啮合频率和行星齿轮轮齿计算行星齿轮故障特征频率，有：
fp1＝fm/Np；
式中，Np表示行星齿轮轮齿；
Ns表示太阳轮轮数；
Na表示轮圈；
fm表示行星齿轮啮合频率；
fs表示太阳轮旋转频率；
fp表示行星齿轮旋转频率；
fc表示行星架旋转频率；
fp1表示行星齿轮故障特征频率。
在一具体实施例中，该实施例还提供一种行星齿轮故障特征提取系统，用于执行以下步骤：
首先利用希尔伯特分解技术将原始信号分解为M个单分量信号，选取分解结果中的第一组单分量信号作为感兴趣的分量行后续分析。其中，在进行希尔伯特分解前，本实施例可以预先设置两个参数，分别为分解分量个数M和滤波器截止频率，其中分解分量个数M可根据原始信号包含的单分量信号个数设置，而滤波器截止频率在满足大于原始信号中单分量信号的最小频率前提下，设置越小越好。
对感兴趣分量信号进行包络提取，并分别提取包络信号的实部与虚部；
将故障行星齿轮所在轴作为同步平均的参考轴，根据同步转速脉冲信号，计算得到同步时标；
结合同步时标，分别将感兴趣分量信号的实部与虚部进行同步平均，最后将平均后的实部与虚部重新组合后再进行FFT运算，提取行星齿轮弱故障特征，同时通过观察包络平均谱中的行星齿轮故障特征频率，实现行星齿轮故障诊断。
由此可知，本实施例通过将希尔伯特分解和包络同步平均相结合，可以精确提取行星齿轮弱故障特征；同时，行星齿轮故障特征频率在包络平均谱中清晰可见，从而能够实现对行星齿轮箱故障诊断。所以，本实施例通过提取行星齿轮弱故障特征，可以实现行星齿轮箱故障诊断，从而能够解决目前行星齿轮故障特征提取存在较大的问题。
在另一具体实施例中，该实施例还提供一种针对行星齿轮箱中的行星齿轮故障特征提取系统，其中，该行星齿轮箱由三个行星齿轮(齿数Np为20)，一个太阳轮(齿数Ns为28)、一个齿圈(齿数Na为71)和行星架组成，行星齿轮箱输入转速设置为1000r/min；且采用电火花加工技术预制了行星齿轮故障，通过压电式加速度传感器可以采集行星齿轮故障原始信号；利用电涡流传感器可以同步采集太阳轮输入轴处的转速脉冲信号作为同步转速脉冲信号。其中，对于该行星齿轮箱中的行星齿轮故障，本实施例提供了一种行星齿轮故障特征提取系统，用于执行以下步骤：
步骤1，由于信号到传感器的传递路径越短，所拾取的原始信号信噪比越高，因此将压电式加速度传感器置于齿圈正上方拾取行星齿轮故障原始信号，电涡流传感器安装在太阳轮输入轴处同步采集转速脉冲信号，采用NI9234采集卡进行高速采样，采样频率设置为51.2kHz。所采集的行星齿轮故障原始振动信号如图2所示，同步转速脉冲信号如图3所示。
根据所述行星齿轮轮齿、所述太阳轮轮数、所述轮圈、所述太阳轮旋转频率、所述行星齿轮旋转频率和所述行星架旋转频率，计算行星齿轮啮合频率，有：
fm＝Nafc＝Np(fp+fc)＝Ns(fs-fc)；
再根据所述行星齿轮啮合频率和行星齿轮轮齿计算行星齿轮故障特征频率，有：
fp1＝fm/Np；
式中，Np表示行星齿轮轮齿；Ns表示太阳轮轮数；Na表示轮圈；fm表示行星齿轮啮合频率；fs表示太阳轮旋转频率；fp表示行星齿轮旋转频率；fc表示行星架旋转频率；fp1表示行星齿轮故障特征频率。
由上式以及行星齿轮箱参数可计算出行星齿轮箱的特征频率，见下表2所示。
表2行星齿轮箱特征频率
行星齿轮箱啮合阶次fm 334.4Hz
行星架旋转频率fc 4.7
行星轮故障阶次fp1 16.7Hz
步骤2，利用希尔伯特分解技术将原始信号分解为M个单分量信号，分解结果如图4所示。由图4可知，第一组单分量信号幅值最大，包含行星齿轮故障信息较丰富，故选择第一组单分量信号作为感兴趣分量信号进行后续分析。
步骤3，对感兴趣分量信号进行希尔伯特变换获得包络信号，并分别提取包络信号的实部与虚部。对包络信号进行FFT变换获得包络谱，感兴趣分量信号包络谱如图5所示。由图5可知，包络谱中行星架旋转频率fc(4.7Hz)幅值较高，还存在较多的干扰频率且幅值较高，而行星齿轮故障特征频率fp1(16.7Hz)幅值较低，基本被淹没在噪声之中，行星齿轮故障特征不明显。
步骤4，根据行星齿轮传动特性，将太阳轮同步转速脉冲信号转换为行星齿轮同步转速脉冲信号，再以行星齿轮所在轴作为参考轴，通过计算获得用于同步平均的时标信号。
步骤5，根据时标信号，分别对感兴趣分量信号的实部和虚部进行同步平均提取行星齿轮弱故障特征，再将实部信号和虚部信号重新组合获得同步平均后的包络信号，最终利用FFT变换获得感兴趣分量信号的包络平均谱如图6所示。图6中虽然行星架旋转频率fc(4.7Hz)幅值较高，可能与信号相互耦合有关，但其他干扰频率能量明显减弱、幅值较低，并可清晰的观察到行星齿轮故障特征频率fp1(16.7Hz)，及其二倍谐频2fp1和三倍谐频3fp1。通过对行星齿轮故障实验的分析，验证了此发明对行星齿轮弱故障特征提取的有效性。
由此可知，本实施例通过将希尔伯特分解和包络同步平均相结合，可以精确提取行星齿轮弱故障特征；同时，行星齿轮故障特征频率在包络平均谱中清晰可见，从而能够实现对行星齿轮箱故障诊断。所以，本实施例通过提取行星齿轮弱故障特征，可以实现行星齿轮箱故障诊断，从而能够解决目前行星齿轮故障特征提取存在较大的问题。
综上所述，本申请提供一种行星齿轮故障特征提取系统，通过对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解，并从分解后的分量信号中选取感兴趣分量信号；再对所述感兴趣分量信号进行包络提取，得到对应的包络信号；以及提取所述包络信号的实部与虚部，得到对应的包络实部和包络虚部；再根据同步转速脉冲信号计算得到同步时标；以及将发生故障的行星齿轮所在轴作为同步平均参考轴，并结合所述同步时标，对所述包络实部和所述包络虚部进行同步平均；同时对同步平均后的包络实部和包络虚部进行重新组合，得到同步平均包络信号；最后对所述同步平均包络信号进行快速傅里叶变换，提取目标行星齿轮的弱故障特征；其中，所述目标行星齿轮包括所述发生故障的行星齿轮。由此可知，本系统通过将希尔伯特分解和包络同步平均相结合，可以精确提取行星齿轮弱故障特征；同时，行星齿轮故障特征频率在包络平均谱中清晰可见，从而能够实现对行星齿轮箱故障诊断。所以，本系统通过提取行星齿轮弱故障特征，可以实现行星齿轮箱故障诊断，从而能够解决目前行星齿轮故障特征提取存在较大的问题。
需要说明的是，上述实施例所提供行星齿轮故障特征提取系统与上述实施例所提供的行星齿轮故障特征提取方法属于同一构思，其中各个模块和单元执行操作的具体方式已经在方法实施例中进行了详细描述，此处不再赘述。上述实施例所提供的行星齿轮故障特征提取系统在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能，本处也不对此进行限制。所以，本申请有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。
本说明书中附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本申请可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本申请可实施的范畴。
应当理解的是，尽管在本申请实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。

Claims (10)

1.一种行星齿轮故障特征提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解，并从分解后的分量信号中选取感兴趣分量信号；
对所述感兴趣分量信号进行包络提取，得到对应的包络信号；
提取所述包络信号的实部与虚部，得到对应的包络实部和包络虚部；
根据同步转速脉冲信号计算得到同步时标；
将发生故障的行星齿轮所在轴作为同步平均参考轴，并结合所述同步时标，对所述包络实部和所述包络虚部进行同步平均；
对同步平均后的包络实部和包络虚部进行重新组合，得到同步平均包络信号；
对所述同步平均包络信号进行快速傅里叶变换，提取目标行星齿轮的弱故障特征；其中，所述目标行星齿轮包括所述发生故障的行星齿轮。
2.根据权利要求1所述的行星齿轮故障特征提取方法，其特征在于，所述行星齿轮故障原始信号的采集方式包括：通过压电式加速度传感器获取行星齿轮故障原始信号；
所述同步转速脉冲信号的采集方式包括：利用电涡流传感器同步采集太阳轮输入轴处的转速脉冲信号，作为所述同步转速脉冲信号。
3.根据权利要求2所述的行星齿轮故障特征提取方法，其特征在于，所述压电式加速度传感器设置于所述行星齿轮的齿圈正上方。
4.根据权利要求1所述的行星齿轮故障特征提取方法，其特征在于，对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解前，所述方法还包括：设置分量信号个数和滤波器截止频率；其中，所述滤波器截止频率大于所述行星齿轮故障原始信号单分量信号的最小频率。
5.根据权利要求1所述的行星齿轮故障特征提取方法，其特征在于，对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解前，所述方法还包括：
获取行星齿轮轮齿、太阳轮轮数、轮圈、太阳轮旋转频率、行星齿轮旋转频率和行星架旋转频率；
根据所述行星齿轮轮齿、所述太阳轮轮数、所述轮圈、所述太阳轮旋转频率、所述行星齿轮旋转频率和所述行星架旋转频率，计算行星齿轮故障特征频率，有：
fm＝Nafc＝Np(fp+fc)＝Ns(fs-fc)；
fp1＝fm/Np；
式中，Np表示行星齿轮轮齿；
Ns表示太阳轮轮数；
Na表示轮圈；
fm表示行星齿轮啮合频率；
fs表示太阳轮旋转频率；
fp表示行星齿轮旋转频率；
fc表示行星架旋转频率；
fp1表示行星齿轮故障特征频率。
6.一种行星齿轮故障特征提取系统，其特征在于，所述系统包括有：
分解模块，用于对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解，并从分解后的分量信号中选取感兴趣分量信号；
包络提取模块，用于对所述感兴趣分量信号进行包络提取，得到对应的包络信号；以及，提取所述包络信号的实部与虚部，得到对应的包络实部和包络虚部；
同步时标计算模块，用于根据同步转速脉冲信号计算得到同步时标；
同步平均模块，用于将发生故障的行星齿轮所在轴作为同步平均参考轴，并结合所述同步时标，对所述包络实部和所述包络虚部进行同步平均；
组合模块，用于对同步平均后的包络实部和包络虚部进行重新组合，得到同步平均包络信号；
故障特征提取模块，用于对所述同步平均包络信号进行快速傅里叶变换，提取目标行星齿轮的弱故障特征；其中，所述目标行星齿轮包括所述发生故障的行星齿轮。
7.根据权利要求6所述的行星齿轮故障特征提取系统，其特征在于，所述行星齿轮故障原始信号的采集方式包括：通过压电式加速度传感器获取行星齿轮故障原始信号；
所述同步转速脉冲信号的采集方式包括：利用电涡流传感器同步采集太阳轮输入轴处的转速脉冲信号，作为所述同步转速脉冲信号。
8.根据权利要求7所述的行星齿轮故障特征提取系统，其特征在于，所述压电式加速度传感器设置于所述行星齿轮的齿圈正上方。
9.根据权利要求6所述的行星齿轮故障特征提取系统，其特征在于，所述系统还包括：参数设置模块，用于在对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解前，设置分量信号个数和滤波器截止频率；其中，所述滤波器截止频率大于所述行星齿轮故障原始信号单分量信号的最小频率。
10.根据权利要求6所述的行星齿轮故障特征提取系统，其特征在于，对行星齿轮故障原始信号进行希尔伯特分解前，所述系统还包括：
获取行星齿轮轮齿、太阳轮轮数、轮圈、太阳轮旋转频率、行星齿轮旋转频率和行星架旋转频率；
根据所述行星齿轮轮齿、所述太阳轮轮数、所述轮圈、所述太阳轮旋转频率、所述行星齿轮旋转频率和所述行星架旋转频率，计算行星齿轮故障特征频率，有：
fm＝Nafc＝Np(fp+fc)＝Ns(fs-fc)；
fp1＝fm/Np；
式中，Np表示行星齿轮轮齿；
Ns表示太阳轮轮数；
Na表示轮圈；
fm表示行星齿轮啮合频率；
fs表示太阳轮旋转频率；
fp表示行星齿轮旋转频率；
fc表示行星架旋转频率；
fp1表示行星齿轮故障特征频率。
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