一种直升机传动系统的振动信号分离方法与流程

本申请涉及但不限于直升机检测技术领域，尤指一种直升机传动系统的振动信号分离方法。

背景技术：

目前，国内外关于直升机传动系统中，行星传动机构中齿圈故障诊断的研究主要集中在谱分析方法、时频分析法、粒子滤波方法等方面，虽然提出了一些新的状态指标，并且针对行星轮系信号特征复杂、相互淹没的特点进行了信号增强检测方法研究。

但是总体来看，这些研究仍然将行星传动机构中的齿圈当做普通的轮齿啮合形式进行分析，并未深入到各个部件，在实际中仍然无法有效解决信号成分相互淹没的问题。

技术实现要素：

本发明的目的：本发明实施例提供一种直升机传动系统的振动信号分离方法，以转速脉冲信号为依据，实现从振动信号中分离重构齿圈的振动特征信号，从而有效的提取出齿圈啮合时冲击产生的振动信号。

本发明的技术方案：

本发明实施例提供一种直升机传动系统的振动信号分离方法，所述传动系统包括齿圈，设置于所述齿圈内、且与所述齿圈啮合转动的多个行星轮，用于支撑所述行星轮的行星轮架，设置于所述齿圈周围的至少一个振动传感器，以及设置于齿圈周围、用于测量行星轮架转动的转速传感器，所述振动信号分离方法包括：

根据所述振动传感器和所述转速传感器的安装位置，获取所述传动系统中行星轮系的位置信息，所述行星轮系的位置信息包括每个振动传感器的位置信息和每个行星轮的位置信息；

根据所述行星轮系的位置信息，对所述齿圈的齿轮啮合时序进行分析，得到每个振动传感器与每个行星轮的啮合顺序；

在所述传动系统的传动过程中对振动数据进行数据点的采样，并对所述行星轮架的每个转动周期内的数据点进行重采样，所述振动数据为行星轮与振动传感器对齐时的振动信号；

对重采样得到的振动数据的数据点进行数据提取，通过提取出每个行星轮与每个振动传感器对齐时对应的振动数据得到四维组合集，所述四维组合集包括振动传感器编号，行星轮编号，行星架循环编号，以及振动数据；

对所述四维组合集进行振动分离向量重构，得到所述齿圈的振动特征信号，所述齿圈的振动特征信号包括每个行星轮与每个振动传感器对齐时的振动信号。

可选地，如上所述的直升机传动系统的振动信号分离方法中，

所述每个振动传感器的位置信息为：

所述每个行星轮的位置信息为：

其中，所述为转速传感器与第j个振动传感器的夹角，所述为转速传感器与第i个行星轮的夹角。

可选地，如上所述的直升机传动系统的振动信号分离方法中，所述根据所述行星轮系的位置信息，对所述齿圈的齿轮啮合时序进行分析，得到每个振动传感器与每个行星轮的啮合顺序，包括：

根据所述行星轮系的位置信息，获取每个行星轮与每个传感器的分离角矩阵为：

其中，所述d中的其中一个分离角为：

所述为第i个行星轮从初始位置转动到第j个振动传感器时，行星轮架的转动角度；

根据所述分离角度矩阵，获取每个振动传感器与每个行星轮的啮合顺序。

可选地，如上所述的直升机传动系统的振动信号分离方法中，所述对所述行星轮架的每个转动周期内的数据点进行重采样，包括：

对所述行星轮架的每个转动周期内的数据点进行重采样，使得所述行星轮架在每次循环周期中采集的数据点数相同，重采样的数据点数为：

其中，nr为所述齿圈的轮齿数量，也为行星轮架在每次循环周期中行星轮与齿圈的啮合周期，所述ntp为齿圈的每个轮齿对应的数据点数。

可选地，如上所述的直升机传动系统的振动信号分离方法中，对重采样得到的振动信号数据点进行数据提取，通过提取出每个行星轮与每个振动传感器对齐时对应的振动信号得到四维组合集，包括：

确定数据点的提取位置，并根据所述提取位置得到振动数据的提取长度；

对每个振动传感器编号，每个行星轮编号和每个行星架循环编号的组合，对应一个振动数据，得到所述四维组合集，所述振动数据的长度为根据所述提取长度提取的。

可选地，如上所述的直升机传动系统的振动信号分离方法中，所述确定数据点的提取位置，并根据所述提取位置得到振动数据的提取长度，包括：

所述提取位置为所采集的数据点的提取索引：

其中，所述δθc为重采样得到的两个相邻数据点之间的间隔，所述提取索引为第i个行星轮与第j个振动传感器对齐时刻的振动数据；

根据所述提取索引确定所述振动传感器所提取的振动数据的中间位置、起始位置和终止位置，得到所述振动数据的提取长度为：

可选地，如上所述的直升机传动系统的振动信号分离方法中，所述对所述四维组合集进行振动分离向量重构，得到所述齿圈的振动特征信号，包括：

对所述四维组合集进行时间同步平均、加窗映射和求和重构，得到所述齿圈的振动特征信号。

可选地，如上所述的直升机传动系统的振动信号分离方法中，对所述四维组合集进行时间同步平均、加窗映射和求和重构，得到所述齿圈的振动特征信号，包括：

所述时间同步平均包括：对行星架在多次循环中每个固定位置提取的振动数据进行平均处理，得到振动传感器所采集到的振动数据的时域同步平均tsa信号集，所述tsa信号集包括多个固定位置对应的tsa信号，所述固定位置为行星轮与传感器的对齐位置；

所述加窗映射包括：对所述tsa信号集中的每个tsa信号分配匹配索引并通过所述匹配索引确定振动数据的数据位置；所述所述振动数据的数据位置为range:

其中，k为行星架的循环次数；

通过所述匹配索引对所述tsa信号进行加窗映射，得到组合保持矩阵，所述组合保持矩阵包括：振动传感器编号，行星轮编号，以及每个振动传感器编号和每个行星轮编号的组合所对应的振动数据；

所述求和重构包括：对组合保持矩阵进行求和，得到振动分离向量重构的结果。

本发明的有益效果：本发明实施例提供一种直升机传动系统的振动信号分离方法，该方法采用传动系统和相应的传感器采集针对信号，并对振动信号进行采集、提取和重构，具体实施方式为：根据振动传感器和转速传感器的安装位置，获取传动系统中行星轮系的位置信息；对齿圈的齿轮啮合时序进行分析，得到振动传感器与行星轮的啮合顺序；对振动数据进行数据点的采样，并对行星轮架的每个转动周期内的数据点进行重采样；对重采样得到的振动数据的数据点进行数据提取，得到四维组合集；对四维组合集进行振动分离向量重构，得到齿圈的振动特征信号。采用本发明实施例提供的直升机传动系统的振动信号分离方法，可以从复杂的行星传动机构的振动信号中，针对多个振动传感器采集的数据，提取出完整的齿圈振动信号，为行星传动机构的齿圈故障诊断奠定基础。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种直升机传动系统的振动信号分离方法的流程图；

图2为传动系统的结构示意图；

图3为振动传感器a1到a5采集的原始振动信号的示意图；

图4为振动传感器a1到a5重采样得到的振动信号的示意图；

图5为在行星架的第二至第五次循环中振动传感器a1数据提取与组合的过程；

图6为振动传感器a1到a5在行星架的一次循环中提取的振动数据；

图7为对行星轮在多次循环中提取的信号进行信号重构的重构信号图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

从上世纪80年代开始，英美等国一直积极发展直升机健康与使用监测系统(简称为：hums)，对齿轮箱、旋翼和发动机等关键部件进行健康监测、故障诊断与预测。marcose.orchard等人使用粒子滤波方法提出一种可以用于在线故障诊断和预测的方法，他们所提出的方法在uh-60直升机行星齿轮上进行故障实验进行验证，结果表明该方法能够成功指出uh-60的异常情况。

但是，上述分析方法仍然将行星传动机构中的齿圈当做普通的轮齿啮合形式进行分析，并未深入到各个部件，在实际中仍然无法有效解决信号成分相互淹没的问题。

本发明实施例提供的直升机传动系统的振动信号分离方法，针对行星传动机构中齿圈故障诊断提出的信号处理方法，目的是以转速脉冲信号为依据，从振动信号中分离重构齿圈的振动特征信号，有效的提取出齿圈啮合时冲击产生的振动信号。

图1为本发明实施例提供的一种直升机传动系统的振动信号分离方法的流程图，图2为传动系统的结构示意图，该传动系统包括：齿圈，设置于齿圈内、且与齿圈啮合转动的多个行星轮pi，用于支撑行星轮的行星轮架(图2中未示出)，设置于齿圈周围的至少一个振动传感器aj，以及设置于齿圈周围、用于测量行星轮架转动的转速传感器opr。

基于传动系统的结构基础，针对该传动系统的振动信号分离方法可以包括如下步骤：

s110，根据振动传感器和转速传感器的安装位置，获取传动系统中行星轮系的位置信息，行星轮系的位置信息包括每个振动传感器的位置信息和每个行星轮的位置信息；

s120，根据行星轮系的位置信息，对齿圈的齿轮啮合时序进行分析，得到每个振动传感器与每个行星轮的啮合顺序；

s130，在传动系统的传动过程中对振动数据进行数据点的采样，并对行星轮架的每个转动周期内的数据点进行重采样，振动数据为行星轮与振动传感器对齐时的振动信号；

s140，对重采样得到的振动数据的数据点进行数据提取，通过提取出每个行星轮与每个振动传感器对齐时对应的振动数据得到四维组合集，该四维组合集包括振动传感器编号，行星轮编号，行星架循环编号，以及振动数据；

s150，对四维组合集进行振动分离向量重构，得到齿圈的振动特征信号，齿圈的振动特征信号包括每个行星轮与每个振动传感器对齐时的振动信号。

本发明实施例提供振动信号分离方法，主要是针对齿圈振动信号的分离，的目的是在原始振动信号中提取出齿圈的动态行为。齿圈振动信号分离的基本前提是，当行星轮pi与振动传感器aj对齐时，振动传感器aj获取的振动信号由行星轮pi对应的行星轮-齿圈啮合副所主导。由于行星轮围绕太阳轮公转运动，引起行星轮pi啮合区振动信号在振动传感器aj中周期性强弱变化，当行星轮pi与振动传感器aj对齐时，两者距离最近，振动信号由于传递路径引起的衰减最小。

由于振动传感器aj固定安装在齿圈上，每个振动传感器aj只能有效感知到安装位置附近的轮齿啮合产生的振动信号。采用多个振动传感器布置在齿圈外围，每个振动传感器感知一定数量齿圈轮齿的信号，然后从每个振动传感器aj中提取相对应的轮齿的信号，剔除远离振动传感器aj的轮齿啮合振动信号，重构出整个齿圈轮齿的振动信号，有效的实现了齿圈振动信号的分离。

振动信号分离方法的主要思想是求解在行星架的第n次循环中，行星轮pi与齿圈上安装的振动传感器aj的对准时间和对齐时参与啮合的齿圈轮齿编号，根据对准时间在振动传感器aj信号进行振动信号提取，然后以参与啮合的齿圈轮齿编号为依据，使用提取出的数据重构齿圈的振动信号。

采用本发明实施例提供的直升机传动系统的振动信号分离方法，可以从复杂的行星传动机构的振动信号中，针对多个振动传感器采集的数据，提取出完整的齿圈振动信号，为行星传动机构的齿圈故障诊断奠定基础。

本发明实施例的具体实现方式为：

1，参数设置，目的为了得到上述s110中的位置信息；

振动信号分离技术的参数主要包含两类：位置参数与结构参数，其中位置参数是指初始时刻行星轮相对于转速传感器的角位置以及齿圈上振动传感器安装处相对转速传感器的角位置，结构参数是指传动机构中行星轮的个数和齿数，以及齿圈的齿数。

位置参数确定必须在一定的坐标系下进行，如图2所示。定义齿圈和行星轮的齿数分别为nr和np。行星架上有np个行星轮，沿着齿圈共安装na个加速度计传感器，转速传感器opr安装在齿圈的外侧，位置为图2中opr(once-per-revolution)所示。从转速传感器开始，将行星轮按顺时针方向依次编号为pi，(i＝1,2…np)，振动传感器逆时针依次编号为aj，(j＝1,2…na)。定义转速传感器opr和振动传感器aj的夹角为转速传感器opr和行星轮pi的夹角为则行星轮系的位置参数可用向量θa与θp表示。

根据上述参数设定可以得到：

每个振动传感器的位置信息为：

每个行星轮的位置信息为：

其中，为转速传感器与第j个振动传感器的夹角，为转速传感器与第i个行星轮的夹角。

2，轮齿啮合时序分析

为了实现提取后振动信号的精确重构，需要对齿圈与行星轮的啮合时序进行分析，上述s120可以包括：

s121，根据行星轮系的位置信息，获取每个行星轮与每个传感器的分离角矩阵；

s122，根据分离角度矩阵，获取每个振动传感器与每个行星轮的啮合顺序。

在具体实现中，如图2所示的行星轮系坐标图，转速传感器和传感器aj的夹角为转速传感器和行星轮pi的夹角为定义行星轮pi与传感器aj分离角度为：

式中mod为求余函数，由于行星轮可能循环了多圈；

表示行星轮pi从初始位置运动到传感器aj过程中，行星架转过的角度，即相遇时刻在一个行星架循环中的相位，定义分离角矩阵为：

其中，d中的其中一个分离角为：为第i个行星轮从初始位置转动到第j个振动传感器时，行星轮架的转动角度；通过上述矩阵，可以确定出齿圈与行星轮的啮合顺序。

3，数据采集与重采样

采集就是直接振动传感器直接采集的振动数据，数据重采样的目的是确保行星架在每次循环中采集的振动数据的数据点数相同。

上述s130可以包括：对行星轮架的每个转动周期内的数据点进行重采样，使得行星轮架在每次循环周期中采集的数据点数相同，重采样的数据点数为：n＝nr*ntp；

其中，nr为所述齿圈的轮齿数量，也为行星轮架在每次循环周期中行星轮与齿圈的啮合周期，ntp为齿圈的每个轮齿对应的数据点数。

在行星架的每一次循环中，有nr个行星轮-齿圈的轮齿啮合周期。由于传动系统输入轴转速的轻微变化，行星架的每次循环中采集到的振动信号点数不一致，需要进行重采样，以使得每个行星架循环过程中数据点数相同。重采样点数尽量接近原始数据点数，可由上述公式得出，ntp为每个齿圈的每个轮齿对应的数据点数，且为正整数。

4，数据提取

数据提取是从预处理后的振动信号中提取出每个行星轮与每个振动传感器对齐时对应的振动数据并保存在四维组合集中，四维组合集是一个四维矩阵，用于保存提取数据以及数据的相关信息。数据提取与组合需要明确数据提取位置、提取长度、提取数据对应的行星轮编号。

上述s140可以包括：

s141，确定数据点的提取位置，并根据提取位置得到振动数据的提取长度；

s142，对每个振动传感器编号，每个行星轮编号和每个行星架循环编号的组合，对应一个振动数据，得到四维组合集，振动数据的长度为根据提取长度提取的。

1)确定提取位置，上述s141中，确定的数据点的提取位置为所采集的数据点的提取索引：

其中，δθc为重采样得到的两个相邻数据点之间的间隔，提取索引为第i个行星轮与第j个振动传感器对齐时刻的振动数据。

由上述实施例已知：行星轮角pi的初始角度为振动传感器aj的安装位置角度为行星轮pi与传感器aj的分离角度定义为式中mod为模函数。

行星架的每个周期经过重采样，有个数据点，每两个点之间的位置间隔为数据处理中取与pi与aj对准时刻距离的点，该数据点的索引是：式中round函数是最近取整函数。

2)确定提取长度，上述s141中，根据提取索引确定述振动传感器所提取的振动数据的中间位置、起始位置和终止位置，得到振动数据的提取长度为：

由于齿圈相对于振动传感器位置不变，因此，在齿圈振动信号分离过程中，数据长度le参数确定方法为：使用提取索引确定振动传感器aj中数据提取的中间位置，数据起始位置由决定，数据终止位置由决定。即从相邻两个振动传感器的几何位置中点截取。因此，对于振动传感器aj，齿圈振动信号分离的数据提取长度le为：

3)四维组合集，上述s142，对每个振动传感器编号，每个行星轮编号和每个行星架循环编号的组合，对应一个振动数据，得到四维组合集，振动数据的长度为根据提取长度提取的。

思维组合集是用于存放提取数据及相关信息的四维矩阵，该四维矩阵的前三个维度分别表示为：振动传感器编号、行星轮编号和行星架循环编号，这三个维度唯一确定的列向量用于存放对应的提取数据。

5，振动分离向量重构

振动分离向量重构的目的是在组合集的基础上，重构得到齿圈的振动特征信号，重构得到的振动特征信号称为振动分离向量。

s150可以包括：对四维组合集进行时间同步平均、加窗映射和求和重构，得到齿圈的振动特征信号。

即振动分离向量重构的步骤为：时间同步平均、加窗映射，以及求和重构。

1)时间同步平均

时间同步平均的步骤包括：对行星架在多次循环中每个固定位置提取的振动数据进行平均处理，得到振动传感器所采集到的振动数据的时域同步平均(简称为：tsa)信号集，该tsa信号集包括多个固定位置对应的tsa信号，该固定位置为行星轮与传感器的对齐位置。

由于在振动传感器aj采集的数据子集中，该数据子集中pi层对应的是通过行星轮pi在行星架的多次循环中提取的数据。由于齿圈相对于振动传感器是固定的，因此，行星架的每次循环中提取的数据对应相同的齿圈轮齿。对行星架的多次循环的提取数据进行平均处理，得到振动传感器aj采集的数据子集的tsa信号。

2)加窗映射

加窗映射的步骤包括：stp1，对tsa信号集中的每个tsa信号分配匹配索引并通过匹配索引确定振动数据的数据位置；该

振动数据的数据位置为：range:

其中，k为行星架的循环次数。

stp2，通过匹配索引对tsa信号进行加窗映射，得到组合保持矩阵，该组合保持矩阵包括：振动传感器编号，行星轮编号，以及每个振动传感器编号和每个行星轮编号的组合所对应的振动数据。

实际上，加窗映射过程是数据提取的逆过程，目的是将平均处理后的tsa信号映射到振动分离向量中的相应位置，映射通过对tsa信号分配匹配索引实现，由于齿圈相对于传感器是固定的，提取信号的相位即映射目标位置，因此，在齿圈振动分离向量重构中，振动传感器aj数据子集的tsa信号在对应列向量中的位置由匹配索引唯一确定，且匹配索引为

数据映射范围(即振动数据的数据位置)为：

range:

式中，k为行星架的循环次数。

式中floor为向下取整函数。匹配索引将各传感器中pi层得到的tsa信号加窗后映射到组合保持矩阵中。

3)求和重构

求和重构的步骤包括：对组合保持矩阵进行求和，得到振动分离向量重构的结果。

得到组合保持矩阵后，对组合保持矩阵进行行求和，实现振动分离向量重构。

以下通过一个应用实例对本发明上述实施例提供的直升机传动系统的振动信号分离方法进行详细说明：

在工程应用中，针对我们某型号常用的直升机主减速器，采用的是行星齿轮传动系统。其中行星轮3个，齿数23，太阳轮1个，齿数46，齿圈1个，齿数92。在主减速器上安装有5个振动传感器，1个转速传感器。主减速器的信号采集频率为20k/s，对主减速器采集的信号进行振动分离。

第一步：确定参数设置

根据传感器的安装位置和行星轮的安装位置，可以得出行星轮系的位置参数为：

传感器位置参数：θa＝[45°,90°,180°,225°,270°]；

行星轮位置参数为：θp＝[180°,300°,60°]；

第二步：啮合时序分析

通过计算可得，分离矩阵为：

在行星架的第一次循环内，与5个传感器对应的齿圈轮齿啮合的行星轮编号为：

基于上述分析过程，行星架的其他循环周期的啮合顺序可以此类推。

第三步：数据采集与重采样

原始信号长度例如为400000点。行星架的每个周期的重采样点数例如为3936点。图3所示为振动传感器a1到a5采集的原始振动信号的示意图，图4所示为振动传感器a1到a5重采样得到的振动信号的示意图。

第四步：数据提取

以振动传感器a1的振动信号为例，图5所示为在行星架的第二至第五次循环中振动传感器a1数据提取与组合的过程，每个循环中四个截取位置分别对应行星轮每次循环的数据提取区域，第二次循环为cycle2，第三次循环为cycle3，第4次循环为cycle4，第五次循环为cycle5；其中心表示提取索引宽度表示数据提取长度le。图6所示为振动传感器a1到a5在行星架的一次循环中提取的振动数据。

第五步：振动分离向量重构

对每个振动传感器中提取的信号进行重构，可以重构行星轮每次循环的信号，如图7所示，为对行星轮在多次循环中提取的信号进行信号重构的重构信号图。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。