专利名称：一种用于变转速齿轮箱的振动信号时域同步平均方法
技术领域：
本发明属于机械状态监测和故障诊断技术领域，涉及一种振动信号时域同步平均方法，尤其是一种用于变转速齿轮箱的振动信号时域同步平均方法。
背景技术：
作为机械设备中必不可少的变速和传动部件，齿轮箱传动可以实现加速减速、改变传动方向、改变转动力矩、离合以及分 配动力等功能，目前被广泛地应用于金属切削机床、航空工业、军工业、农业机械、运输机械等关键设备中。齿轮箱设备的安全运行关系到整个机组和生产的安全。为了提高设备运行可靠性以及防止事故发生就必须对齿轮箱进行状态监测和故障诊断。齿轮箱故障诊断的核心是对其进行故障特征的提取，它直接关系到故障诊断的准确性和故障预报的可靠性。据相关资料分析认为，目前常用的齿轮监测诊断方法大都是针对恒转速状态进行的，而实际中变转速齿轮箱例如风力发电、机床、汽车、直升机等的齿轮箱均工作在变转速工况下。这就使得常用的齿轮监测诊断方法例如时域平均、频谱分析等在分析变转速齿轮振动信号时失效。因此进行变转速齿轮箱的故障特征提取方法的研究对具有十分重要的意义。常用的时域平均方法可有效消除或衰减复杂周期信号中的随机干扰和噪声信号，提取与转频相关的周期信号，是目前最为有效的齿轮振动信号处理方法，得到了广泛的应用。然而，在变转速情况下由于常规的等时间间隔方式采集到的信号在齿轮一个转动周期内的数据点数不同，违背了时域平均各个周期中采样点数一致的原则，使得时域平均在变转速的条件下难以实现。另外，常规的时域平均是基于时标信号进行分析的，而实际中很多的齿轮箱由于机器本身原因或者现场环境导致无法安装时标信号传感器，同样使时域平均的应用受到限制。为了从变转速齿轮箱复杂振动信号中有效地提取有用的振动信息，本方法将短时傅里叶变换、时频滤波、Hi Ibert变换、等角度重采样技术和时域平均方法有效结合起来，对原始振动信号进行了合理的滤波与重采样，完成变转速信号向恒转速信号的转变，消除了由于变转速带来的频谱的“拖拉”混叠现象，最终通过时域平均有效地降低了振动噪声。通过实验研究结果证实了该方法的准确性，也为变转速齿轮箱振动信号处理提供了方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于变转速齿轮箱的振动信号时域同步平均方法，该方法基于短时傅里叶变换、时频滤波、Hilbert变换、等角度重采样以及时域平均等理论，能够实现对变转速运行齿轮箱原始振动信号的时频滤波、重采样以及时域平均。本发明的目的是通过以下技术方案来解决的这种用于变转速齿轮箱的振动信号时域同步平均方法，包括以下步骤
I)针对等时间间隔采样的原始振动信号，通过对时频图上与转速相关频率曲线的自动搜索获取信号的短时平均转速曲线；2)根据已经得到的短时平均转速曲线，在时频域进行信号滤波得到所选的与转速相关频率分量的时域信号；3)通过对步骤2)中得到的时域信号进行Hilbert变换提取信号展开的相位变化曲线；
4)按照展开的相位变化曲线对原始振动信号进行等角度重采样，得到原始振动信号的等角度重采样信号；5)对等角度重采样原始振动信号进行时域同步平均。上述步骤I)中，在齿轮箱上安装振动传感器，按照等时间间隔采样方法获取其原始振动信号Xo(t)。采用基于短时傅里叶变换的时频域滤波方法，对原始振动信号Xtl (t)进行SFFT变换，得到一个时频图矩阵S ;在时频图上的啮合频率或转动频率等域转速相关的曲线上选择搜索种子基点，并搜索相应频率分量的频率短时平均变化曲线；根据短时平均变化曲线制定时频滤波器的滤波矩阵F，并进行时频滤波得到与转速相关频率分量对应的单频信号X (t);短时傅里叶变换SFFT及其逆变换的表达式依次为STFTx{jJ)= [x(tmn雄 dt(i)
I/*+co 产+COχ(τ)=——STFTx (t, ω)Η{τ - t)eJCDTω⑵
^ ' — CO J-CO、,将滤波后的单频信号x(t)通过Hilbert变换进行重构处理，得到信号y (t)，构造解析函数Z (t),满足z (t) =x(t)+jy(t) = a(t) eji>(t)(3)通过上述步骤依次得到幅值和相位函数随时间的变化表达式a{t) = ^(O2 +XO2(4)Φ( ) = arctan^^-
x{t)(5)对相位函数进行展开，得到展开后的相位变化曲线。将以上相位变化曲线按计算需要相位间隔进行等相位间隔划分，以等分相位与相位变化曲线的对应关系获得与等相位间隔划分对应的时间序列，按照此时间序列对原始振动信号Xtl (t)进行重采样，得到等角度重采样的原始振动信号m(t)。将等角度重采样的原始振动信号m(t)，按固定的周期长度进行时域平均，得到变转速齿轮箱振动的时域波形信号 n(t)。本发明具备以下有益效果本发明基于短时傅里叶变换、时频滤波、Hilbert变换、等角度重采样以及时域平均等理论，通过实验分析表明，通过瞬时转速估计、信号等角度间隔重采样和时域平均，能够有效消除转速波动的影响，实现大范围变速齿轮的无时标信号时域平均。并且本发明的方法不仅实现了变转速齿轮振动信号的无时标时域平均，而且有效地提高了原始信号的信噪比，为齿轮状态监测和故障诊断提供了依据。同时，该方法得到的等角度重采样振动信号也为后续的频谱分析等创造了条件。
图I时频滤波流程图；图2时频滤波过程；图3搜索与转速相关频率分量变化曲线；图4时频滤波矩阵F及滤波效果图；图5时频滤波输出信号图；图6变转速齿轮实验台实物图；图7实验数据时域波形及时频波形图；图8实验数据时频图和时频滤波波形；图9转速相关分量的相位展开曲线图；图10等角度重采样原理图；图11重采样前后振动信号比较图(局部放大)；图12重采样前后原始振动信号频谱对比；图13时域平均后的输入轴齿轮的时域图及幅值谱图；图14时域平均后的中间轴齿轮的时域图及幅值谱图；图15时域平均后的输出轴齿轮的时域图及幅值谱图。
具体实施例方式本发明用于变转速齿轮箱的振动信号时域同步平均方法的步骤概括为1)针对等时间间隔采样的振动信号，通过对时频图上与转速相关频率曲线的自动搜索获取信号的短时平均转速曲线；2)根据已经得到的短时平均转速曲线，在时频域进行信号滤波得到所选的与转速相关频率分量的时域信号；3)通过对步骤2)中得到的时域信号进行Hilbert变换提取信号展开的相位变化曲线；4)按照展开的相位变化曲线对原始振动信号进行等角度重采样，得到原始振动信号的等角度重采样信号；5)对等角度重采样原始振动进行时域同步平均。具体来讲有以下几个步骤A.根据齿轮箱自身对振动信号的分析要求，在齿轮箱特定位置安装振动传感器，按照等时间间隔采样方法获取其原始振动信号Xtl(t)。B.采用基于短时傅里叶变换(SFFT)的时频域滤波方法，对原始信号进行SFFT变换，得到一个时频图矩阵S。在时频图上的某阶啮合频率或转动频率等与转速相关的曲线上选择搜索种子点，并自动搜索相应频率分量的频率短时平均变化曲线。根据短时平均变化曲线设计一个时频滤波器的滤波矩阵F，并进行时频滤波得到与转速相关频率分量对应的单频信号X (t)。短时傅里叶变换SFFT及其逆变换的表达式依次为STFTx (τ, /) = Γχ( )Η* (t -( I )
J—cox(r) = —Γ「STFTx ( ,ω)Η(τ - t)e_dtda( 2 )
2_7Γ J-00C.将滤波后的单频信号x(t)通过Hilbert变换得到信号y(t)，构造解析函数z (t)
z (t) = X (t) +jy (t) = a(t) eji>(t)(3)D.通过步骤3便可依次得到幅值和相位函数随时间的变化表达式
权利要求
1.一种用于变转速齿轮箱的振动信号时域同步平均方法，其特征在于，包括以下步骤 1)针对等时间间隔采样的原始振动信号，通过对时频图上与转速相关频率曲线的自动搜索获取信号的短时平均转速曲线； 2)根据已经得到的短时平均转速曲线，在时频域进行信号滤波得到所选的与转速相关频率分量的时域信号； 3)通过对步骤2)中得到的时域信号进行Hilbert变换提取信号展开的相位变化曲线. 4)按照展开的相位变化曲线对原始振动信号进行等角度重采样，得到原始振动信号的等角度重采样信号； 5)对等角度重采样原始振动信号进行时域同步平均。
2.根据权利要求I所述的用于变转速齿轮箱的振动信号时域同步平均方法，其特征在于，步骤I)中，在齿轮箱上安装振动传感器，按照等时间间隔采样方法获取其原始振动信号 x0(t)。
3.根据权利要求2所述的用于变转速齿轮箱的振动信号时域同步平均方法，其特征在于，采用基于短时傅里叶变换的时频域滤波方法，对原始振动信号Xtl (t)进行SFFT变换，得到一个时频图矩阵S ;在时频图上与转速相关的曲线上选择搜索种子基点，并搜索相应频率分量的频率短时平均变化曲线；根据短时平均变化曲线制定时频滤波器的滤波矩阵F，并进行时频滤波得到与转速相关频率分量对应的单频信号x(t);短时傅里叶变换SFFT及其逆变换的表达式依次为
4.根据权利要求3所述的用于变转速齿轮箱的振动信号时域同步平均方法，其特征在于，将相位变化曲线按计算需要相位间隔进行等相位间隔划分，以等分相位与相位变化曲线的对应关系获得与等相位间隔划分对应的时间序列，按照此时间序列对原始振动信号X0(t)进行重采样，得到等角度重采样的原始振动信号m(t)。
5.根据权利要求4所述的用于变转速齿轮箱的振动信号时域同步平均方法，其特征在于，将等角度重采样的原始振动信号m(t)，按固定的周期长度进行时域平均，得到变转速齿轮箱振动的时域波形信号n(t) 。
全文摘要
本发明公开了一种用于变转速齿轮箱的振动信号时域同步平均方法，包括1)按照常规的等时间间隔方式采集获取变转速齿轮箱的原始振动信号；2)通过短时傅里叶变换和时频滤波方法获取与变化转速相关的单频信号；3)通过Hilbert变换得到其单频信号的展开相位随时间变化曲线；4)对原始的振动信号进行等角度重采样，完成变转速振动信号向恒转速振动信号的转变；5)借助传统的时域平均方法得到平均信号。本发明实现了变转速齿轮振动信号的无时标时域平均，有效地提高了原始信号的信噪比，为齿轮状态监测和故障诊断提供了依据。同时，该方法得到的等角度重采样振动信号也为后续的频谱分析等创造了条件。
文档编号G01M13/02GK102636347SQ20121012307
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月24日 优先权日2012年4月24日
发明者吴婷婷, 张西宁, 徐进杰, 李兵 申请人:西安交通大学