一种齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法与流程

技术特征：

1.一种齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、准平稳调制信号分离：

S1、同步采集变速工况下齿轮箱箱体某测量点时域振动加速度信号和转速信号；

S2、将振动加速度信号进行阶次跟踪处理，获得角域振动加速度信号；

S3、对角域振动加速度信号整周期分段，构造平稳调制字典；

S4、对步骤S3分段后的每段信号进行匹配追踪算法处理，重构信号中的准平稳调制信号；

B、冲击调制信号提取：

S5、计算角域振动加速度信号与准平稳调制信号的差值，得到剩余角域信号，将剩余角域信号转换为剩余时域信号；

S6、从剩余时域信号中识别出齿轮箱的多阶固有频率和阻尼比；

S7、对剩余时域信号进行分段，构造冲击调制字典；利用匹配追踪算法提取信号中的冲击调制成分，对冲击调制成分进行阶次跟踪处理，得到冲击调制信号；

S8、根据得到的准平稳调制信号和冲击调制信号，分析其阶次域特征，以用于故障诊断。

2.根据权利要求1所述的齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法，其特征在于，步骤S1的具体步骤为：

S1-1、建立空间坐标系XYZ，其中X轴正向指向齿轮箱中心轴线输入轴往输出轴方向，Z轴正向竖直向上，Y轴正向由右手定则确定；

S1-2、在所述齿轮箱轴承座表面安装1个单向加速度传感器，测试方向为Z轴，在所述齿轮箱输入轴或输出轴处安装1个转速计，然后分别依次连接传感器、数据采集器和便携式计算机；

S1-3、设置采样频率f_s，同步采集时域振动加速度信号x(t)和转速信号r(t)，单位分别为m/s²和r/min。

3.根据权利要求2所述的齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法，其特征在于，步骤S2的具体步骤为：

S2-1、计算参考轴的角位移曲线θ(t)，采样间隔Δt为采样频率f_s的倒数：

$\mathrm{\θ}\left(t\right)=\frac{\mathrm{\π}}{30}\underset{k=0}{\overset{t}{\Σ}}r\left(k\right)\mathrm{\Δ}t;$

S2-2、确定分析的阶次带宽O_m，设定滤波器的截止频率f_c，对振动加速度信号x(t)进行低通滤波处理；

S2-3、确定角域阶次采样率O_s，以间隔Δθ＝1/O_s生成转角序列θ，对角位移曲线θ(t)三次样条插值，获得对应的重采样时间序列t′；

S2-4、按照时间序列t′对振动加速度信号x(t)进行三次样条插值重采样，从而得到等角度间隔的角域振动加速度信号x(θ)。

4.根据权利要求3所述的齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法，其特征在于，步骤S3的具体步骤为：

S3-1、将角域振动加速度信号x(θ)按a转(a∈N⁺)、重叠率为e,e∈[0,1)进行分段，分段后每段信号记为x_w(θ)，w＝1,2,...,W；

S3-2、对角域振动加速度信号x(θ)作三维阶次谱分析，确定啮合阶次的最高阶次M和调制阶次的单边最高阶次K；

S3-3、根据下式构造余弦原子组成平稳调制字典D_std；

式中，O_i和分别为余弦原子的阶次和相位；O_n为旋转阶次，是齿轮箱中所有轴的旋转阶次的集合；z为齿轮的齿数；m为啮合阶次的高倍阶次，k为调制阶次的单边高倍阶次；M和K的选取要尽可能的覆盖振动响应信号中的最高阶啮合阶次和最高阶调制边带；θ_max为分段信号的长度，为2πa。

5.根据权利要求4所述的齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法，其特征在于，步骤S4的具体步骤为：

S4-1、按照下式计算平稳调制字典D_std中各原子与x_w(θ)的内积值：

$\<x_w^v\left(\mathrm{\θ}\right),d_w^v\left(\mathrm{\θ}\right)\>=\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}{x}_w^v\left(\mathrm{\θ}\right)d_w^v\left(\mathrm{\θ}\right)$

记第v次匹配的内积最大值对应的原子为幅值为其中为第v次匹配中残余信号与原子的内积值，L为每段信号的数据点数，分离出的准平稳调制成分为

当前后两次匹配的剩余项均方根差ε_std满足下式时，停止该段信号的准平稳调制分解：

$|\sqrt{\mathrm{\Σ}{\[x_w^v\left(\mathrm{\θ}\right)\]}^2}-\sqrt{\mathrm{\Σ}{\[x_w^{v-1}\left(\mathrm{\θ}\right)\]}^2}|\≤{\mathrm{\ϵ}}_{std};$

S4-2、重构第w段的平稳调制成分V_w为第w段信号匹配迭代的次数：

$x_{std}^w\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{v=1}{\overset{V_w}{\Σ}}{c}_w^v{d}_w^v\left(\mathrm{\θ}\right);$

S4-3、对信号按下式进行头尾截断处理，以尽可能消除端点效应：

$x_{std}^w\left(\mathrm{\θ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}{x}_{std}^w\[0:1/O_s:(2-e)a/2\],& w=1\\ x_{std}^w\[ea/2:1/O_s:(2-e)a/2\],& 2\≤w\≤W-1\\ x_{std}^w\[ea/2:1/O_s:a\],& w=W\end{array}\right.$

重构准平稳调制信号x_std(θ)：

$x_{std}\left(\mathrm{\θ}\right)=x_{std}^1\left(\mathrm{\θ}\right)+\underset{w=2}{\overset{W}{\Σ}}{x}_{std}^w(\mathrm{\θ}+(2-e)a/2+(w-2\left)\right(1-e\left)a\right)$

剩余角域信号x_R(θ)由下式计算获得：

x_R(θ)＝x(θ)-x_std(θ)。

6.根据权利要求5所述的齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法，其特征在于，步骤S5的具体步骤为：

S5-1、将剩余角域信号x_R(θ)转换为对应的时域信号x_R(t′)；

S5-2、以等角度时间序列t对信号x_R(t′)进行三次样条插值，获得剩余时域信号x_R(t)。

7.根据权利要求6所述的齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法，其特征在于，步骤S6的具体步骤为：

S6-1、截取一段转速变化超过一定值的剩余时域信号x′_R(t)，以转频最小的轴为基准，按每圈分段记每段信号时间长度为T_i′；

S6-2、设固有频率f_d＝[0:Δf_d:f_s/2]、阻尼比ζ＝[0.1:Δζ:0.2]和冲击发生时刻τ＝[0:Δτ:T_i′]，其中Δf_d、Δζ和Δτ分别为固有频率、阻尼比和冲击发生时刻的搜索步长，代入下式构造基函数集合C(t)：

$d_{imp}^j\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\exp \[\frac{-2\mathrm{\π}\mathrm{\ζ}}{\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}}{f}_d(t-\mathrm{\τ})\]cos\[2{\mathrm{\πf}}_d(t-\mathrm{\τ})\],& t\≥\mathrm{\τ}\\ 0& t\<\mathrm{\τ}\end{array}\right.$

S6-3、计算每段信号和集合C(t)中各基函数的相关系数：

${\mathrm{\λ}}_i\left(t\right)=\frac{\<x_R^i\left(t\right),C\left(t\right)\>}{\left|\right|x_R^i\left(t\right)\left|{|}_2\right|\left|C\left(t\right)\right|{|}_2}$

取系数最大值λ_i(t)_max对应的固有频率和阻尼比组合作为识别的齿轮箱的固有频率和阻尼比，记为

8.根据权利要求7所述的齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法，其特征在于，步骤S7的具体步骤为：

S7-1、根据角位移曲线θ(t)，以转频最大的齿轮为基准，按每一圈分段，记每一段信号为x_j(t)，对应的信号时间长度为T_j，对应的起始时刻为t_j，j＝1,2,...,J；

S7-2、针对每一段信号x_j(t)，匹配步长Δτ设定为T_j/2¹⁰，则τ＝[0:Δτ:T_j]，将识别的固有频率和阻尼比两两组合后，与τ代入步骤S6-2中构造冲击响应原子组成冲击调制字典

S7-3、对每段信号x_j(t)进行匹配追踪处理，记每次最匹配原子和系数分别为和对第j段信号的冲击调制成分进行重构：

$x_{imp}^j\left(t\right)=\underset{u=1}{\overset{U_j}{\Σ}}{c}_j^u{d}_j^u\left(t\right)$

其中U_j为第j段信号的匹配迭代次数；

S7-4、将J段信号按下式进行组合，

$x_{imp}\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{x}_j(t+{\mathrm{jt}}_j)$

得到提取的冲击调制成分x_imp(t)；同时记最终剩余项为x_RES(t)；

S7-5、按照时间序列t′对冲击调制成分x_imp(t)进行三次样条插值重采样，从而得到等角度间隔的冲击调制信号x_imp(θ)。

9.根据权利要求8所述的齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法，其特征在于，步骤S8的具体步骤为：

S8-1、任意截取一段准平稳调制信号，对其作快速傅里叶变换，分析其阶次谱特征；

S8-2、任意截取一段冲击调制信号，分析各冲击发生的角度间隔，并对其作快速傅里叶变换，分析其阶次谱特征。

10.根据权利要求3所述的齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法，其特征在于，滤波器的截止频率f_c≥O_mmax[r(t)]/60，角域阶次采样率O_s≥120f_c/max[r(t)]。