一种行星齿轮箱时变振动传递路径下的故障特征包络提取方法与流程

本发明涉及一种行星齿轮箱时变振动传递路径下的故障特征包络提取方法，属于故障诊断技术与信号处理分析
技术领域：
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背景技术：
：行星齿轮箱相对于定轴传动具有传动比大，体积小，工作平稳，承载能力大等优点，其广泛被用于发电、航空、船舶、石化等行业的大型机械传动中。然而，行星齿轮箱通常工作在低速、重载、阵风、等恶劣环境下，导致齿轮易出现脱落、点蚀、裂纹等故障，一旦出现故障将导致整个系统的停滞，造成损失。行星齿轮箱采用行星齿轮传动系统，它远比定轴传动系统复杂，以齿圈固定的行星齿轮传动为例，一个或多个行星齿轮随着行星架绕着太阳轮固定轴线旋转，因此行星轮的转动不仅相对于自身轴线转动，而且绕着太阳轮公转，行星轮在与齿圈啮合的同时还与太阳轮啮合。对于安装在固定齿圈上方的振动传感器，行星轮轮与齿圈啮合产生的振动信号通过齿圈传递到传感器，太阳轮和行星轮啮合产生的振动信号则通过行星轮传递到齿圈再到传感器，这两种啮合副的啮合点与传感器的距离随着行星架的旋转而旋转，因此，对振动监测而言传感器拾取的信号其振动传递路径具有时变性。而且为了受载均匀，通常行星轮的数量不止一个，其振动信号是多个啮合振动的复杂叠加。此外，行星齿轮箱通常工作在恶劣的环境下，导致其运行工况复杂，转速和负荷等工况参数的变化将导致其振动信号具有明显的非平稳性，且对早期故障相对较微弱。技术实现要素：本发明提供了一种行星齿轮箱时变振动传递路径下的故障特征包络提取方法，以用于对行星齿轮箱局部故障进行诊断。针对行星齿轮箱故障诊断存在的问题，结合包络弱特征提取、角域信号避免转速波动、振动分离消除时变振动传递路径影响和同步平均提高信噪比的优势，提出行星齿轮箱时变振动传递路径下的故障特征包络提取方法。本发明的技术方案是：一种行星齿轮箱时变振动传递路径下的故障特征包络提取方法，包括：信号采集步骤：通过加速度传感器对行星齿轮箱原始振动信号和通过电涡流传感器对行星齿轮箱键相脉冲信号进行多通道同步采样；信号处理步骤：首先对原始振动信号进行基于谱峭度的包络提取，获得包络信号，再提取包络信号虚实部；对包络信号虚实部根据计算阶比跟踪技术进行等角度重采样转换为准平稳信号，获得包络虚实部角域信号；分别根据行星轮齿或太阳轮齿与齿圈上距离传感器最近的齿的啮合齿序pn,g，对啮合齿序进行重排得到重排齿序；通过行星齿轮箱键相脉冲信号根据齿轮传动比i得到行星架键相脉冲信号，再根据行星架键相脉冲信号，对行星架每旋转一圈，利用tukey窗函数以五齿宽的窗宽对包络虚实部角域信号进行加窗截取，获取加窗截取信号；对加窗截取信号根据重排齿序重构，得到单个行星轮或太阳轮包络虚实部角域振动分离信号；特征提取步骤：在获取行星轮或太阳轮包络虚实部角域振动分离信号后，分别对其进行同步平均，再将同步平均后的虚实部的角域振动分离信号按照虚实部合成振动分离信号，最后对合成的振动分离信号进行频谱分析获得阶比谱，完成行星齿轮箱的特征提取，同时，通过阶比谱对应的阶次信息对行星齿轮箱局部故障进行诊断。所述信号采集步骤的具体如下：将加速度传感器安装在固定齿圈的箱体上，将电涡流传感器安装在与太阳轮连接的输入轴位置，通过加速度传感器对行星齿轮箱原始振动信号和通过电涡流传感器对行星齿轮箱键相脉冲信号进行多通道同步采样。所述啮合齿序pn,g＝mod(nnr,ng)+1；其中，mod表示求余，n为行星架旋转圈数，nr、ng分别表示齿圈齿数和故障齿轮齿数，g表示行星轮或太阳轮。该方法首先对原始振动信号进行基于谱峭度的包络提取；对包络信号虚实部根据计算阶比跟踪技术进行等角度重采样转换为准平稳信号，避免转速波动的影响；再对包络角域信号进行振动分离，避免振动时变传递路径的影响；最后对振动分离信号进行同步平均，消除噪声和无关周期分量的干扰，获得较高信噪比的振动分离信号，对平均后振动分离信号进行频谱分析，分析故障阶次信息完成行星齿轮箱局部故障的特征提取。本发明的有益效果是：本发明在包络角域振动分离信号的阶比谱中，能够直接观察行星轮和太阳轮的故障特征阶次信息，能够对行星齿轮箱局部故障进行诊断。附图说明图1为本发明的流程图；图2为本发明中行星轮故障原始振动信号；图3为本发明中行星轮故障对应键相脉冲信号；图4为本发明中行星轮故障对应转速曲线；图5为本发明中行星轮故障信号的谱峭度图；图6为本发明中行星轮故障同步平均后振动分离信号；图7为本发明中行星轮同步平均后振动分离信号阶比谱；图8为本发明中太阳轮故障原始振动信号；图9为本发明中太阳轮故障对应键相脉冲信号；图10为本发明中太阳轮故障对应转速曲线；图11为本发明中太阳轮故障信号的谱峭度图；图12为本发明中太阳轮故障同步平均后振动分离信号；图13为本发明中太阳轮同步平均后振动分离信号阶比谱。具体实施方式实施例1：如图1-13所示，一种行星齿轮箱时变振动传递路径下的故障特征包络提取方法，包括：信号采集步骤：通过加速度传感器对行星齿轮箱原始振动信号和通过电涡流传感器对行星齿轮箱键相脉冲信号进行多通道同步采样；信号处理步骤：首先对原始振动信号进行基于谱峭度的包络提取，获得包络信号，再提取包络信号虚实部；对包络信号虚实部根据计算阶比跟踪技术进行等角度重采样转换为准平稳信号，获得包络虚实部角域信号；分别根据行星轮齿或太阳轮齿与齿圈上距离传感器最近的齿的啮合齿序pn,g，对啮合齿序进行重排得到重排齿序；通过行星齿轮箱键相脉冲信号根据齿轮传动比i得到行星架键相脉冲信号，再根据行星架键相脉冲信号，对行星架每旋转一圈，利用tukey窗函数以五齿宽的窗宽对包络虚实部角域信号进行加窗截取，获取加窗截取信号；对加窗截取信号根据重排齿序重构，得到单个行星轮或太阳轮包络虚实部角域振动分离信号；特征提取步骤：在获取行星轮或太阳轮包络虚实部角域振动分离信号后，分别对其进行同步平均，再将同步平均后的虚实部的角域振动分离信号按照虚实部合成振动分离信号，最后对合成的振动分离信号进行频谱分析获得阶比谱，完成行星齿轮箱的特征提取，同时，通过阶比谱对应的阶次信息对行星齿轮箱局部故障进行诊断。所述信号采集步骤的具体如下：将加速度传感器安装在固定齿圈的箱体上，将电涡流传感器安装在与太阳轮连接的输入轴位置，通过加速度传感器对行星齿轮箱原始振动信号和通过电涡流传感器对行星齿轮箱键相脉冲信号进行多通道同步采样。所述啮合齿序pn,g＝mod(nnr,ng)+1；其中，mod表示求余，n为行星架旋转圈数，nr、ng分别表示齿圈齿数和故障齿轮齿数，g表示行星轮或太阳轮。实施例2：如图1-13所示，一种行星齿轮箱时变振动传递路径下的故障特征包络提取方法，包括：信号采集步骤：通过加速度传感器对行星齿轮箱原始振动信号和通过电涡流传感器对行星齿轮箱键相脉冲信号进行多通道同步采样；信号处理步骤：首先对原始振动信号进行基于谱峭度的包络提取，获得包络信号，再提取包络信号虚实部；对包络信号虚实部根据计算阶比跟踪技术进行等角度重采样转换为准平稳信号，获得包络虚实部角域信号；分别根据行星轮齿或太阳轮齿与齿圈上距离传感器最近的齿的啮合齿序pn,g，对啮合齿序进行重排得到重排齿序；通过行星齿轮箱键相脉冲信号根据齿轮传动比i得到行星架键相脉冲信号，再根据行星架键相脉冲信号，对行星架每旋转一圈，利用tukey窗函数以五齿宽的窗宽对包络虚实部角域信号进行加窗截取，获取加窗截取信号；对加窗截取信号根据重排齿序重构，得到单个行星轮或太阳轮包络虚实部角域振动分离信号；特征提取步骤：在获取行星轮或太阳轮包络虚实部角域振动分离信号后，分别对其进行同步平均，再将同步平均后的虚实部的角域振动分离信号按照虚实部合成振动分离信号，最后对合成的振动分离信号进行频谱分析获得阶比谱，完成行星齿轮箱局部故障的特征提取，通过阶比谱对应的故障阶次信息对行星齿轮箱局部故障进行诊断。实施例3：如图1-13所示，齿箱具体参数如下：1)太阳轮齿数28；2)行星轮齿数20；3)齿圈齿数71；4)行星轮个数3；5)在对信号进行高频采样时，输入轴转速为1000r/min；故障类型为：分别对行星轮和太阳轮其中一个轮齿上加工了一个齿根裂纹(其用电火花加工出一个深度为4mm的齿根裂纹故障)；连接太阳轮输入轴的键相脉冲信号采用电涡流传感器拾取；行星齿轮箱故障振动信号采用压电式加速度传感器拾取，其安装在齿圈正上方。应用本发明中的方法对本实例中的行星齿轮箱中行星轮和太阳轮局部故障进行故障诊断的步骤为：step1、将压电式加速度传感器固定在本实施例中的行星齿轮箱上，具体为与齿圈固定连接的箱体正上方，分别获取行星轮故障和太阳轮故障原始振动信号，如图2、8所示，电涡流传感器安装在与太阳轮连接的输入轴位置，获取键相脉冲信号，采集信号的采样频率为51.2khz。采集过程中应避免环境对信号采集的影响，所采集的输入轴键相脉冲信号(如图3、9所示，分别与行星轮故障和太阳轮故障原始振动信号同步采样得到)，采集信号太阳轮转速设置为1000r/min，其转速曲线(如图4、10所示，与键相脉冲信号对应)。表1行星齿轮箱参数齿轮齿数(个)太阳轮ns28行星轮np20齿圈na71行星轮个数n3阶次分析中选用行星架键相脉冲信号作为参考信号，根据行星齿轮箱的传动特点，啮合频率为fm。fm＝nrfc＝np(fp+fc)＝ns(fs-fc)(1)则相对于行星架的啮合阶次为lm：行星轮故障频率为行星轮相对于行星架的转频则行星轮的故障阶次为太阳轮故障频率为太阳轮相对于行星架的转频fsr。fsr＝fs-fc＝fc(nr/ns)(5)则太阳轮的故障阶次为式中，nr、np、ns分别表示齿圈、行星轮、太阳轮齿数，fm为齿轮箱啮合频率，fc为行星架旋转频率，fp为行星轮的绝对旋转频率，fs太阳轮的绝对旋转频率，nc为行星架转速。由上式以及行星齿轮箱参数(见表1)可计算出行星齿轮箱的特征频率(见表2)。表2行星齿轮箱特征阶次step2、分别对行星轮和太阳轮故障信号进行基于谱峭度的包络提取，获得包络信号的虚实部信号，其谱峭度图如图5、11所示。step3、利用阶次跟踪技术对包络信号的虚实部进行等角度重采样。step4、分别根据行星轮和太阳轮齿轮齿数验证与齿圈上固定齿的啮合齿序，对啮合齿序进行重排，如表3、4所示；啮合齿序pn,g＝mod(nnr,ng)+1；mod表示求余，n为行星架旋转圈数，nr、ng分别表示齿圈齿数和故障齿轮齿数，g表示行星轮或太阳轮。表3行星轮啮合齿序n12345678910npx112314516718920n11121314151617181920npx1121341561781910表4太阳轮啮合齿序n12345678910nsx116318520722924n11121314151617181920nsx11261328152174196n2122232425262728nsx218231025122714表中，npx是求出来的行星轮的啮合齿序，nsx是求出来的太阳轮的啮合齿序。step5、根据齿轮传动比i得到行星架键相脉冲信号；i为齿轮传动比；step6、根据行星架每旋转一圈，利用tukey窗函数对虚部和实部的重采样角域信号进行加窗处理，获取加窗截取信号；step7、对step6获得的加窗截取信号根据step4得到的齿序重构单个行星轮或太阳轮虚部和实部角域振动分离信号；step8、对step7获取的虚实部角域振动分离信号进行同步平均；step9、对step8获取的包络信号虚实部的平均后角域振动分离信号按照虚实部进行重构，获得平均后振动分离信号如图6、12所示(分别对应行星轮故障和太阳轮故障)；step8、对step7获取的平均后的包络角域振动分离信号进行fft变换，获得其阶比谱，如图7、13所示(分别对应行星轮故障和太阳轮故障)；通过阶比谱对应的故障阶次信息对行星齿轮箱局部故障进行诊断。由于行星齿轮箱的故障信号随传输路径而不断变化，边带成份非常复杂，但经过振动分离提取后的阶比谱上清晰的显示行星齿轮箱故障特征阶次信息，进行基于谱峭度的包络提取能有效提取早期弱故障特征，经过同步平均，其噪声和其他无关分量被大大削弱，提高信号的信噪比。综合对比可分析出行星齿轮箱的局部故障。上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。当前第1页12