基于行星齿轮结构等效轴承模型的振动频谱特征分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于旋转机械装备故障诊断与预示技术领域，尤其涉及一种基于行星齿轮 结构等效轴承模型的行星齿轮箱传动系统中各部件故障振动频谱特征分析方法。
【背景技术】
[0002] 行星齿轮传动系统是机械传动系统中的关键部分，其广泛应用于航空航天、船舶、 风力发电、工程机械等领域。行星齿轮传动系统通常工作在大功率、高转速、高负载的工作 环境下，行星齿轮系极容易发生齿面磨损、齿面接触疲劳、轮齿弯曲疲劳、乃至断齿或轴断 裂等失效现象，最终导致整个系统的完全失效，造成严重的经济损失，甚至人员伤亡和灾难 性的损失。列如：行星齿轮传动系统是风力发电系统的关键装置之一，长期在无规律变向变 载荷的风力作用以及强阵风的瞬时冲击下工作，导致其故障频率极高。但由于传统的监测 手段无法及时发现故障，造成了严重的经济损失，成为了制约风力发电技术发展和推广的 棘手难题。2007年5月，美国军方在对UH-60A "黑鹰"直升机的一次常规检测中，意外发现 了未被监测装置探测出的行星齿轮传动系统中行星架的严重裂纹，而这种故障将导致机毁 人亡，为此美军下令停飞和检测所有在役直升机。
[0003] 目前行星齿轮传动系统由于特殊的物理结构和复合运动形式导致了故障振动机 理比与普通的平行齿轮传动系统更为复杂，其振动信号具有复杂时变调制特点。而现有的 行星齿轮振动频谱特征研宄模型较复杂，主要对啮合频率的边频带分析，理论计算和实际 故障频率的峰值之间存在偏差，而且观测到的故障边频带太多，对于故障位置判断可能产 生误判。
【发明内容】
[0004] 本发明的发明目的是：为了解决现有技术中行星齿轮振动频谱特征研宄模型复杂 且对故障位置可能产生误判等问题，本发明提出了一种基于行星齿轮结构等效轴承模型的 振动频谱特征分析方法。
[0005] 本发明的技术方案是：一种基于行星齿轮结构等效轴承模型的振动频谱特征分析 方法，包括以下步骤：
[0006] A、输入行星齿轮的原始振动信号，利用提升小波包变换方法对原始振动信号进行 分解；
[0007] B、对步骤A中分解得到的每层分解频带信号计算其峭度值，得到峭度分析图，选 取最大峭度值；
[0008] C、根据步骤B中得到的最大峭度值获取其对应的分解频带信号，利用希尔伯特包 络解调分析方法进行分析，得到振动频谱图；
[0009] D、建立基于行星齿轮结构等效轴承模型的振动频谱特征理论计算模型；
[0010] E、通过步骤D中建立的基于行星齿轮结构等效轴承模型的振动频谱特征理论计 算模型计算振动频谱特征，并对步骤C中得到的振动频谱图中的振动频谱特征进行精确定 量分析。
[0011] 进一步地，所述步骤A中利用提升小波包变换方法对原始振动信号进行分解，具 体为：设定行星齿轮的原始振动信号为x(t)，利用提升小波包变换方法将原始振动信号进 行m层分解，得到每层2 m分解频带。
[0012] 进一步地，所述m的取值为3或4。
[0013] 进一步地，所述步骤B中峭度的表达式具体为：
【主权项】
1. 一种基于行星齿轮结构等效轴承模型的振动频谱特征分析方法，其特征在于，包括 W下步骤： A、 输入行星齿轮的原始振动信号，利用提升小波包变换方法对原始振动信号进行分 解； B、 对步骤A中分解得到的每层分解频带信号计算其峭度值，得到峭度分析图，选取最 大峭度值； C、 根据步骤B中得到的最大峭度值获取其对应的分解频带信号，利用希尔伯特包络解 调分析方法进行分析，得到振动频谱图； D、 建立基于行星齿轮结构等效轴承模型的振动频谱特征理论计算模型； E、 通过步骤D中建立的基于行星齿轮结构等效轴承模型的振动频谱特征理论计算模 型计算振动频谱特征，并对步骤C中得到的振动频谱图中的振动频谱特征进行精确定量分 析。
2. 如权利要求1所述的基于行星齿轮结构等效轴承模型的振动频谱特征分析方法， 其特征在于，所述步骤A中利用提升小波包变换方法对原始振动信号进行分解，具体为：设 定行星齿轮的原始振动信号为X(t)，利用提升小波包变换方法将原始振动信号进行m层分 解，得到每层2-个分解频带。
3. 如权利要求2所述的基于行星齿轮结构等效轴承模型的振动频谱特征分析方法，其 特征在于，所述m的取值为3或4。
4. 如权利要求1所述的基于行星齿轮结构等效轴承模型的振动频谱特征分析方法，其 特征在于，所述步骤B中峭度值的表达式具体为：
其中，K为峭度值，E[ ?]为求期望符号，X为采集样本，y为样本均值，0为样本标准 差。
5. 如权利要求4所述的基于行星齿轮结构等效轴承模型的振动频谱特征分析方法，其 特征在于，所述步骤B中得到峭度分析图的方法具体为；对计算得到的峭度值进行归一化 处理，W各层对应的各节点信号频带为横坐标，W分解信号层数为纵坐标，从而得到峭度分 析图。
6. 如权利要求1所述的基于行星齿轮结构等效轴承模型的振动频谱特征分析方法，其 特征在于，所述步骤D中建立基于行星齿轮结构等效轴承模型的振动频谱特征理论计算模 型，具体包括W下分步骤： D1、获取行星齿轮箱中太阳轮齿数女、行星轮齿数Zp、内齿圈齿数Zf、行星轮个数Zp、太 阳轮转动频率f。,及轴承中由局部缺陷引起冲击的间隔振动频谱特征： 内圈故障振动频率fbi为：
外圈故障振动频率fb。为：
滚动体故障振动频率fbb为：
其中，f为轴的转频，a为接触角，Z为滚动体个数，d为滚动体直径，D为节径、即滚动 体中屯、到滚动轴承中屯、距离的两倍； D2、利用齿轮分度圆直径定义：df二mZ 对行星齿轮箱中太阳轮和行星轮进行处理， 其中，df为分度圆直径，m为模数，Z为齿轮齿数； D3、将行星齿轮箱中太阳轮故障振动频率、行星轮故障振动频率、内齿圈故障振动频 率、分别对应轴承中内圈故障振动频率、滚动体故障振动频率、外圈故障振动频率，得到行 星齿轮传动系统各部件的故障振动频谱特征： 太阳轮故障振动频率f；为：
内齿圈故障振动频率ft为：
行星轮故障振动频率fp为：
7.如权利要求1所述的基于行星齿轮结构等效轴承模型的振动频谱特征分析方法，其 特征在于，所述步骤E中通过建立的基于行星齿轮结构等效轴承模型的振动频谱特征理论 计算模型计算振动频谱特征，具体为：先计算基于行星齿轮结构等效轴承模型的振动频谱 特征理论计算模型中一个部件的故障振动频谱特征，再通过其它部件故障振动频谱特征与 该部件故障振动频谱特征的比值关系得到其它部件的故障振动频谱特征。
【专利摘要】本发明公开了一种基于行星齿轮结构等效轴承模型的振动频谱特征分析方法；其具体包括以下步骤：输入原始振动信号并利用提升小波包变换方法进行分解，计算分解得到的每层分解频带信号的峭度值、得到峭度分析图并选取最大峭度值，获取对应的分解频带信号并利用希尔伯特包络解调分析方法进行分析得到振动频谱图，建立基于行星齿轮结构等效轴承模型的振动频谱特征理论计算模型，对行星齿轮传动系统各部件故障振动频率进行精确定量分析。本发明具有精度高、简单可靠的优点，实现了理论计算的故障频率峰值和实际故障频率的峰值直接对应，从而精确表征了行星齿轮箱传动系统各部件的故障特征频率。
【IPC分类】G01M13-02
【公开号】CN104792523
【申请号】CN201510195069
【发明人】刘治汶, 刘剑锋, 左明健, 郭伟
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月22日