齿轮箱瞬变工况特征分量循频提取方法
【专利摘要】本发明公开了一种齿轮箱瞬变工况特征分量循频提取方法。本发明以原始采样间隔对特征分量频率曲线插值，在多尺度区间内对插值后频率曲线进行拟合确定线性调频基函数，计算各区间内振动信号对该基函数的投影系数，逐尺度搜索投影系数确定线性分段路径，按照该路径将频率呈曲线任意变化的振动信号自适应分段成若干尺度不同的频率近线性变化的信号段；对各段频率曲线进行最小二乘拟合，确定计算FRFT滤波阶次和滤波中心参数，根据该参数对各段信号依次进行FRFT单阶滤波，再顺序连接滤波信号，从而循频提取出频率呈曲线变化的特征分量。本发明方法能自适应地循频提取出特征分量，提取过程能有效剥离其他分量和噪声干扰，对提取后特征分量进行细致分析，能更准确诊断出齿轮箱早期微弱故障。
【专利说明】齿轮箱瞬变工况特征分量循频提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及齿轮箱状态监测与诊断领域，更具体的说，是涉及一种瞬变工况下频 率呈曲线变化的特征分量提取方法。
【背景技术】
[0002] 齿轮箱在工程传动领域被广泛应用，其状态的好坏直接影响机械设备的正常运 转，甚至造成更大的经济损失，采用有效方法对齿轮箱进行状态监测，并及时诊断出早期微 弱故障，对减少经济损失，维持设备高效运行，具有十分重要的现实意义，也是研究的热点 和难点问题。
[0003] 齿轮箱早期故障之所W难W诊断，一是特征微弱，稳态运行时不易暴露；二是在加 速、减速和加减速等瞬变工况下，更容易暴露微弱特征，但此时振动信号频率呈曲线变化， 其他干扰也更强，需要有效的方法将包含故障信息的特征分量从干扰中剥离出来，尽量减 少其他干扰的影响，才更有希望提取到暴露出的早期故障微弱特征。
[0004] 由于瞬变工况下信号频率呈曲线变化，经典滤波器不能处理此类非平稳信号，自 适应滤波器需要输入参考信号进行滤波，基于稀疏信号分解的自适应时变滤波器能有效滤 波，但根据振动信号估计中也频率时计算量过大，需要选择合适的滤波器并设计其参数。基 于分数阶傅里叶变换（Practional Fourier Transform, FRFT)的单阶自适应滤波，计算速 度快，不需要选择和设置复杂滤波器，对多分量线性调频（LFM)信号有很好的滤波效果，对 频率呈曲线变化的信号，需要进行多阶FRFT自适应滤波，即在不同的分数阶域对频率呈曲 线信号进行多次单阶FRFT滤波，就能完成对频率呈曲线变化信号的准确滤波，但需要准确 确定多个分数阶域滤波阶次和滤波中也参数。FRFT滤波原理及存在的问题：
[0005] 1. FRFT滤波原理
[0006] 分数阶傅里叶变换可W解释为信号在时频平面内绕原点旋转一定角度后所构成 的分数阶域上的表示，设两分量LFM信号的时频分布如图1所示，其中一个LFM分量的时频 分布与时间轴的夹角为目，只要分数阶傅里叶变换的旋转角度a与目正交，则该LFM分量 在分数阶傅里叶域上就应该聚集在U。一点上，W分数阶域聚集点U。为中也做窄带滤波，再 进行-a角度旋转，就实现了 LFM分量的单阶FRFT滤波，此时的a为FRFT变换最佳角度， p = 2a/JI为最佳阶次。该过程相当于一个开环的自适应窄带通时频滤波器，其中也频率 跟随LFM信号的瞬时频率做线性变化，实现了对信号的自适应滤波。不需要选择和设置复 杂的滤波器及参数，对多分量LFM信号分离非常有效。
[0007] 实际上，需要处理的信号往往不会是理想的纯线性调频信号，只要瞬时频率值在 时频面上的某一线段（将该线段作为基准轴线）方向上变化缓慢，就可W找到信号相对集 中的分数阶域，就能实现单阶FRFT自适应滤波。
[0008] 图2中两个分量的频率都呈曲线变化，只旋转一个角度的单阶FRFT自适应滤波 失效。多阶FRFT自适应滤波，通过依次旋转多个角度a 1，a 2,…，a 4,在多个分数阶域 Ui，也…，U4上W U。1，11。2,…，11。4为中也滤波，理论上可W分离图2所示信号，但确定合适的 a。a 2,…，a 4和u。1, Uq2,…，Uq4参数疋关键。
[0009] 2.多阶FRFT滤波存在问题
[0010] (1)多阶FRFT滤波要求进行不同阶次的单阶FRFT滤波时，各段信号频率要近似线 性变化，因此，对频率呈曲线任意变化的信号，需要有效的方法能自适应地将信号分成若干 近似线性调频信号段，而且分段数尽量少；
[0011] 似要准确确定各段单阶FRFT滤波的参数如，11。)，只有P。准确，才能保证目标分 量在该阶次的分数阶域上具有最好的聚集性，只有U。准确，才能准确滤波分离目标分量，隔 离其他分量。
[0012] 目前，常用的FRFT滤波参数确定方法是通过搜索振动信号的FRFT幅值谱峰值确 定（P。，U。），如图3所示，根据该参数对图1中的分量能进行有效的滤波。但如图4所示的 信号频率呈曲线变化，信号会在多个分数阶域呈现聚集性，从而在FRFT幅值谱中形成多个 峰值，如图5所示，很难确定哪个峰值是哪段信号聚集形成的，当信号中存在多个频率呈曲 线变化分量时，如图6所示，FRFT幅值谱中峰值会更加复杂，如图7所示，因此难W根据峰 值搜索确定频率呈曲线变化信号的各段信号FRFT滤波阶次和滤波中也。
[0013] 从上述分析可W看出，与传统滤波相比，FRFT滤波具有许多令人青睐的优点，理论 上对频率呈曲线变化分量的滤波提取具有独特的优势。但目前，在曲线自适应分段和FRFT 滤波参数确定上，需要有效、准确的方法才能实现。
【发明内容】
[0014] 本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供一种齿轮箱瞬变工况特征分量循频 提取方法，对任一频率呈曲线变化信号，都能根据特征分量频率曲线变化特征，自适应循频 提取包含故障信息的特征分量，剥离其他分量和噪声干扰，对提取后的信号进行细致分析， 更能准确识别齿轮箱早期微弱故障。
[0015] 本发明为实现上述目的，采用W下技术方案：
[0016] 根据信号点数划分多尺度区间，W原始采样间隔对特征分量频率曲线插值，在多 尺度区间内对插值后频率曲线进行拟合确定线性调频基函数，计算各多尺度区间内振动信 号对该基函数的投影系数，逐尺度搜索投影系数确定线性多尺度分段路径，按照该路径将 频率呈曲线任意变化的振动信号自适应分段成若干尺度不同的频率近线性变化的信号段； 对各段频率曲线进行最小二乘拟合，确定FRFT滤波阶次和滤波中也参数，根据该参数对各 段信号依次进行FRFT单阶滤波，再顺序连接滤波信号，循频提取出频率呈曲线变化的特征 分量；具体步骤如下：
[0017] (1)在齿轮箱与输入轴相邻安装转速传感器，在输出轴轴承座径向壳体上安装振 动传感器，同步采集齿轮箱加速、减速或加减速过程转速脉冲R(t)和振动信号X(t)，采用 频率为Fs，数据长度为N;
[0018] (2)根据转速脉冲信号R(t)，计算特征分量的频率曲线；
[001引 做划分多尺度区间I，I =比N2-j'?化+l)N2-j']，其中j ;为分析尺度系数，j = 0, 1，…，log2N-n ;N为信号采样点数，要求N为2的整数次方，n为尺度调整参数，为了使尺 度不能过小，应该适当调整参数n，k = 1，…，2^'，表示某个尺度系数下区间序号；
[0020] (4) W原始采样间隔At = 1/Fs对特征分量频率曲线数据进行插值，插值后特征 分量频率曲线长度为N;
[00川 妨在某个多尺度区间Ii(i = 1，2,…，Ni，Ni为多尺度区间总数）内的特征分量 频率曲线进行最小二乘拟合，得到频率函数与=a + a、化为频偏和斜率，定义该 频率函数对应线性调频基函数节）=A'aw/-"…其中A'.,，w为归一化系数，使得 I么A//t)|| = 1;多尺度区间li内的振动信号为，计算乂/ W对也的投影系数 A =< 与,w>) >，全部多尺度区间的投影系数集合为目I;
[0022] (6)采用逐尺度搜索方法，从目I内搜索出一条多尺度路径，使得该路径下的投影 系数之和为最大，即
【权利要求】
1. 一种齿轮箱瞬变工况特征分量循频提取方法，其特征是：根据信号点数划分多尺度 区间，以原始采样间隔对特征分量频率曲线插值，在多尺度区间内对插值后频率曲线进行 拟合确定线性调频基函数，计算各多尺度区间内振动信号对该基函数的投影系数，逐尺度 搜索投影系数确定线性多尺度分段路径，按照该路径将频率呈曲线任意变化的振动信号自 适应分段成若干尺度不同的频率近线性变化的信号段；对各段频率曲线进行最小二乘拟 合，确定计算FRFT滤波阶次和滤波中心参数，根据该参数对各段信号依次进行FRFT单阶滤 波，再顺序连接滤波信号，循频提取出频率呈曲线变化的特征分量；具体步骤如下： (1) 在齿轮箱与输入轴相邻安装转速传感器，在输出轴轴承座径向壳体上安装振动传 感器，同步采集齿轮箱加速、减速或加减速过程转速脉冲R(t)和振动信号X(t)，采用频率 为Fs，数据长度为N; (2) 根据转速脉冲信号R(t)，计算特征分量的频率曲线； ⑶划分多尺度区间I，I= [kN2"?（k+l)N2"_]，其中j:为分析尺度系数，j= 0, 1，…，log2N-n;N为信号采样点数，要求N为2的整数次方,n为尺度调整参数,为了使尺 度不能过小，应该适当调整参数n，k= 1，…，表示某个尺度系数下区间序号； (4) 以原始采样间隔At= 1/Fs对特征分量频率曲线数据进行插值，插值后特征分量 频率曲线长度为N; (5) 在某个多尺度区间IiQ= 1，2,…，N1,N1为多尺度区间总数）内的特征分量频 率曲线巧进行最小二乘拟合，得到频率函数G=a+ 2&，a、2b为频偏和斜率，定义该 频率函数对应线性调频基函数Aa+⑴=A#, ，其中为归一化系数，使得 ;|九,6,/>)| = 1;多尺度区间Ii内的振动信号为打⑴，计算\⑴对A,#⑴的投影系数 & =<A⑴，1,/>) >，全部多尺度区间的投影系数集合为31; (6) 采用逐尺度搜索方法，从内搜索出一条多尺度路径，使得该路径下的投影系数
置； (7) 按照搜索出的多尺度路径，对振动信号X(t)进行多尺度分段，分段信号为Xi (t)，i =1，2,…凡，Ns为多尺度路径下尺度区间总数； (8) 根据各个分段内确定投影系数时的拟合频率函数& =a+ 26t，计算
W衫二t/ 2 -aXcos(arctan(2Z〇)X5"，s为离散尺度归一化因子； (9) 根据Xi⑴的滤波参数，"％)，对Xi⑴进行FRFT滤波，滤波后信号V⑴； (10) 顺序连接分段内的滤波后信号Xi' (t)，提取到齿轮箱瞬变工况下频率呈曲线变 化的特征分量。
2. 根据权利要求1所述的齿轮箱瞬变工况特征分量循频提取方法，其特征是：所述转 速传感器为霍尔传感器；振动传感器为压电式加速度传感器。
【文档编号】G01M13/02GK104502099SQ201510026664
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2015年1月20日 优先权日:2015年1月20日
【发明者】梅检民, 肖云魁, 曾锐利, 贾继德, 赵慧敏, 周斌, 沈虹 申请人:中国人民解放军军事交通学院