專利名稱：變速機(jī)械故障診斷的轉(zhuǎn)速跟蹤采樣及譜號固化分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變速機(jī)械故障診斷的轉(zhuǎn)速跟蹤采樣及譜號固化分析方法，屬于機(jī)械裝備可靠性與安全技術(shù)范疇。
背景技術(shù)：
著名數(shù)學(xué)家傅立葉于18世紀(jì)提出了分析時(shí)域信號X(t)中的周期信號所含對應(yīng)頻 譜x(f)的傅立葉級數(shù)，使得復(fù)雜時(shí)域信號中的頻率內(nèi)涵得以一目了然的表達(dá)，后人謂之為 傅立葉變換；20世紀(jì)以來，隨著計(jì)算機(jī)及計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，人們提出了根據(jù)傅立葉變換的 快速傅里葉變換定義算法一FFT，為周期信號的頻譜分析開拓了劃時(shí)代的新領(lǐng)域。該技 術(shù)被逐漸引入現(xiàn)代故障診斷的信號分析中，例如用來精確分析絕大多數(shù)勻速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè) 備的振動(dòng)、沖擊信號中的各種簡諧振動(dòng)分量，成為所謂頻譜分析的基礎(chǔ)性工具。例如圖1所 示，圖1-1表達(dá)的時(shí)域信號X (t)，在未經(jīng)FFT分析之前，未必有人能識別其中的周期性信號 內(nèi)涵；而經(jīng)過FFT分析之后，則得到了清晰的頻譜，識別出X(t)中，含有頻率為幅度為1、頻 率為的150,200,350Hz正弦波和幅度為1的IOOHz的方波，如圖1-2 ；而形成圖1-1波形的 原始振動(dòng)是用圖1-3所示的電路仿真，對圖1-4所示的4個(gè)簡單信號疊加生成的。圖1-1
中100、300、500、700、900Hz譜線的幅度1. 27,0. 424......符合幅度為1的方波的傅立葉
展開式如下= 1 f sin ω + 丄 sin 3如 + 丄 sin 5如 + 丄 sin + 丄 sin 9如 +......)
π\(zhòng)3579J= ι .2732 sin cot + 0.4244 sin + 0.2546 sin + 0.1820 sin + 0.1415 sin 9ω +..."圖1-4所示的4個(gè)簡單信號在時(shí)間領(lǐng)域是周期性的，因此，即便它們疊加為圖1-1 的復(fù)雜時(shí)域信號波形，也能夠通過FFT分析出各該信號的頻率及幅度，各該頻率的倒數(shù)即 是各信號的周期。在勻速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器上，由各種原因產(chǎn)生的振動(dòng)均符合上述這些周期信 號的規(guī)律，即具有周期性，從而也能夠通過FFT分析出各種振動(dòng)成分的頻率和幅度，如圖
1-1 圖1-4所示的經(jīng)典的天文時(shí)鐘采樣對于周期信號能夠準(zhǔn)確分析的示意圖。然而，當(dāng)代若干機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)未必都是勻速運(yùn)轉(zhuǎn)的，例如風(fēng)力發(fā)電機(jī)因?yàn)轱L(fēng)速 隨機(jī)變化而使轉(zhuǎn)速隨機(jī)變化；同樣，城市軌道交通車輛在兩個(gè)車站之間的幾分鐘行駛過程 中，車速從零啟動(dòng)、加速、惰行(即利用慣性自由減速運(yùn)行)、制動(dòng)減速直至停車，幾乎沒有 或很少有勻速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，以致用天文時(shí)鐘為參照坐標(biāo)系對它們的振動(dòng)等信號進(jìn)行檢測所 得到的時(shí)間歷程樣本(簡稱時(shí)域樣本)中，就沒有設(shè)備勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)存在的周期性，因而依照 運(yùn)轉(zhuǎn)速狀態(tài)對該信號進(jìn)行FFT分析，就沒有確定的頻譜，也就不能憑借頻譜來識別復(fù)雜振 動(dòng)的成分和確定故障。例如圖2-1 圖2-4所示用經(jīng)典的天文時(shí)鐘為參照坐標(biāo)系采樣，對于變周期信號 的不能分析的示意圖，圖2-1是車速為100%的勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的(假定等幅的)振動(dòng)波形，圖
2-2則是圖2-1對應(yīng)各種振動(dòng)成分的頻譜和疊加總振動(dòng)X(t)的總頻譜，可見，所有頻譜都 是確定的、準(zhǔn)確的，我們可以依據(jù)該頻譜確定各種振動(dòng)的頻率、周期、幅度；圖2-3是車速從90%逐漸增加到100%再減速到85%的變速運(yùn)動(dòng)時(shí)的(假定等幅的)振動(dòng)波形，圖2-4則 是圖2-3對應(yīng)各種振動(dòng)成分的頻譜和疊加總振動(dòng)X(t)的總頻譜，可見，所有頻譜都是不確 定的、不準(zhǔn)確的，我們無法依據(jù)該頻譜分析振動(dòng)內(nèi)容。這就導(dǎo)致了對于變速運(yùn)動(dòng)機(jī)械根據(jù)經(jīng) 典的、以天文時(shí)鐘為參照坐標(biāo)的信號采集所獲得的樣本失去了用FFT分析信息的價(jià)值，也 就無法根據(jù)所作FFT分析的頻譜診斷設(shè)備運(yùn)行故障。信號所展示的這個(gè)非周期的差異，導(dǎo) 致了一大批原先用于固定轉(zhuǎn)速機(jī)器的檢測、診斷時(shí)行之有效的測試、分析、診斷儀器，在面 臨風(fēng)力發(fā)電機(jī)和鐵路交通、公路交通、輕軌交通、地鐵交通、高鐵交通等車輛的機(jī)械故障診 斷需求時(shí)一籌莫展，最好的結(jié)局也只是通過捕捉變速運(yùn)動(dòng)機(jī)械十分稀少的勻速運(yùn)動(dòng)瞬間的 信號，才能實(shí)現(xiàn)正確的分析、診斷。但由此失去了對機(jī)械絕大部分變速運(yùn)動(dòng)期間的有效監(jiān)測 作用，對于安全監(jiān)測造成了巨大的盲區(qū)和對及時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)瞬即逝的故障造成了極大的漏診幾 率。而為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝備在變速運(yùn)動(dòng)中的監(jiān)測、分析、診斷以確保安全，迫切需要發(fā)明新的 檢測技術(shù)和分析技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中經(jīng)典故障診斷因使用天文時(shí)鐘控制進(jìn)行信號 的模數(shù)變換時(shí)，所獲信號樣本因不符合所謂周期性而不能通過傅立葉變換確定頻譜，進(jìn)而 不能確診故障的局限性。提出一種變速機(jī)械故障診斷的轉(zhuǎn)速跟蹤采樣及譜號固化分析方 法，可用于軌道交通、風(fēng)力發(fā)電等常變速運(yùn)轉(zhuǎn)的裝備之傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷。上述發(fā)明目的，通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)這種變速機(jī)械故障診斷的轉(zhuǎn)速跟蹤采樣方法，其特征在于以運(yùn)動(dòng)機(jī)械的、頻率為 Xfn的轉(zhuǎn)速脈沖信號取代天文時(shí)鐘周期脈沖信號作為決定檢測時(shí)機(jī)的觸發(fā)信號，實(shí)施對機(jī) 械相關(guān)故障信號的采樣，然后應(yīng)用FFT技術(shù)進(jìn)行信號的數(shù)字分析，并將經(jīng)典的FFT分析輸出 信息的頻率坐標(biāo)系，改造為非勻速轉(zhuǎn)速跟蹤FFT分析的譜號坐標(biāo)系，并建立信息特征對應(yīng) 譜號的識別函數(shù)。所述的變速機(jī)械故障診斷的轉(zhuǎn)速跟蹤采樣方法，其特征是以機(jī)械非勻速轉(zhuǎn)軸的 頻率為Xfn的轉(zhuǎn)速脈沖信號取代天文時(shí)鐘周期脈沖信號作為決定檢測時(shí)機(jī)的觸發(fā)信號，即 以頻率為Xfn的轉(zhuǎn)速信號脈沖數(shù)作為檢測坐標(biāo)，方法是在機(jī)械非勻速轉(zhuǎn)軸上加裝轉(zhuǎn)速傳感 器或利用已有的轉(zhuǎn)速傳感器，該轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)動(dòng)1/X周時(shí)發(fā)出一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周發(fā)出X個(gè) 脈沖；在轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周時(shí)發(fā)出的脈沖數(shù)Y不等于X時(shí)，通過電子電路中的倍頻器處理得到每 轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生X個(gè)脈沖的頻率為Xfn的效果；用該頻率等于Xfn的脈沖，取代天文時(shí)鐘周期脈 沖，控制AD變換器，實(shí)現(xiàn)對所需監(jiān)測的信號實(shí)施非均勻轉(zhuǎn)速跟蹤采樣。所述的轉(zhuǎn)速脈沖信號為含有多個(gè)RS485收發(fā)器的轉(zhuǎn)速信號共用傳輸系統(tǒng)，此時(shí)測 速車輪的轉(zhuǎn)速傳感器獲得的頻率為Yfn的信號經(jīng)過倍頻器處理為Xfn的轉(zhuǎn)速信號，送到第 一 RS485收發(fā)器4的輸入端，并控制第一 RS485收發(fā)器的輸出，使能端E/R為高電平、置為發(fā) 送狀態(tài)，該第一 RS485收發(fā)器的輸入輸出A、B端，通過總線，向全列車發(fā)送高抗干擾的差分 轉(zhuǎn)速信號；每一列車箱的監(jiān)測儀器中被置為接受狀態(tài)(E/R端為GND，低電平)的自有RS485 收發(fā)器51 5η的輸入輸出Α、Β端從總線取得該差分轉(zhuǎn)速信號，實(shí)時(shí)恢復(fù)為轉(zhuǎn)速信 號Xfn， 從各自的RS485收發(fā)器的輸端OUT輸出供給各儀器使用。所述的故障特征頻率為fi的轉(zhuǎn)速跟蹤固化特征譜號PHi應(yīng)符合以下關(guān)系式
PHi = fi/df = fi/fn*N/X，式中fn為轉(zhuǎn)速頻率，N為樣本長度，X為采樣倍頻系數(shù)。所述的轉(zhuǎn)速跟蹤固化特征譜號PHi包括軸固化特征譜號PH7、保持架外固化特 征譜號PH1、保持架內(nèi)固化特征譜號PH2、外環(huán)固化特征譜號PH3、內(nèi)環(huán)固化特征譜號PH4、 滾子端面固化特征譜號PH5、滾子圓周固化特征譜號PH6、本軸齒輪固化特征譜號PH7、圓鄰 軸齒輪PH8 ；其中軸固化特征譜號PH = N/X、保持架外固化特征譜號PHl = (D0-d*cosA)/ (2D0) *N/X、保持架內(nèi)固化特征譜號PH2 = (D0+d*cosA) / (2D0) *N/X、外環(huán)固化特征譜號PH3 =PH1*Z、內(nèi)環(huán)固化特征譜號PH4 = PH2*Z、滾子端面固化特征譜號PH5 = (D02_d2*cos2A) / (2*D0*d)*N/X、滾子圓周固化特征譜號PH6 = 2*PH5、本軸齒輪固化特征譜號PH7 = N/X、圓 鄰軸齒輪PH8= nN/Xo這種變速機(jī)械故障診斷的譜號固化分析方法，其特征是各軸上各類故障的轉(zhuǎn)速跟蹤固化特征譜號為Phi⑶=fi/fn*N*D/(X*Ds)，式中測速車輪的直徑為D，使用該輪轉(zhuǎn) 速信號作轉(zhuǎn)速跟蹤采樣的車輪S的直徑為Ds。顯然，變速機(jī)械故障診斷的轉(zhuǎn)速跟蹤采樣及譜號固化分析方法，雖然設(shè)計(jì)目的是 對所需檢測的信號實(shí)施非均勻轉(zhuǎn)速跟蹤采樣，但也適于對所需檢測的轉(zhuǎn)速信號是均勻時(shí)的 信號實(shí)施均勻轉(zhuǎn)速跟蹤采樣。將變速機(jī)械故障診斷的轉(zhuǎn)速跟蹤采樣及譜號固化分析方法用于各種變轉(zhuǎn)速機(jī)械 及定轉(zhuǎn)速機(jī)械的故障信號采樣和故障分析診斷，取得了優(yōu)秀的效果能把在經(jīng)典的、天文時(shí) 鐘周期采樣時(shí)所不能進(jìn)行監(jiān)測診斷的變轉(zhuǎn)速狀態(tài)，變成了能夠通過轉(zhuǎn)速跟蹤采樣實(shí)現(xiàn)監(jiān)測 診斷的狀態(tài)，極大地提高了安全監(jiān)控的時(shí)間覆蓋率，防止了經(jīng)典技術(shù)的盲區(qū)，特別適用于城 市輕軌交通、地鐵、城市公共汽車、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的故障診斷；應(yīng)用固化特征譜號公式極 大地簡化了經(jīng)典技術(shù)對譜圖頻譜識別的繁瑣，既利于人工識圖，更利于計(jì)算機(jī)自動(dòng)診斷。


圖1-1為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械故障信號X(t)的時(shí)域圖；圖1-2為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械故障信號X (t)經(jīng)過FFT變換的頻譜圖；圖1-3為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械故障信號X(t)的仿真電路圖；圖1-4為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械故障信號X(t)的仿真圖；圖2-1為車速為100%的勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)波形仿真圖；圖2-2為圖2-1對應(yīng)各種振動(dòng)成分的頻譜和疊加總振動(dòng)X(t)的總頻譜圖；圖2-3為車速從90%逐漸增加到100%再減速到85%的變速運(yùn)動(dòng)時(shí)的(假定等幅 的)振動(dòng)波形仿真圖；圖2-4為圖2-3對應(yīng)各種振動(dòng)成分的頻譜和疊加總振動(dòng)X(t)的總頻譜圖；圖3為本發(fā)明提出的非勻速轉(zhuǎn)速跟蹤采樣的示意圖；圖4為轉(zhuǎn)速242r/min時(shí)齒輪故障固化譜號45. 74和故障級61. 7dB報(bào)警的測試 圖；圖5為轉(zhuǎn)速lllr/min時(shí)齒輪故障固化譜號45. 74和故障級71. OdB報(bào)警的測試 圖6為本發(fā)明使用的RS485傳輸框圖。圖中，1為轉(zhuǎn)速傳感器，2為倍頻器，3為AD變換器，4、為第一 RS485收發(fā)器，51_5n， 為第η個(gè)RS485收發(fā)器，6為轉(zhuǎn)速傳輸485總線。
具體實(shí)施方式
所有平動(dòng)機(jī)械，例如車輛，絕大多數(shù)都是以轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械(如電動(dòng)機(jī)、齒輪、車輪)驅(qū)動(dòng) 的，所有轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械都有轉(zhuǎn)速信號。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的關(guān)鍵故障頻率信息都含有轉(zhuǎn)速頻率fn的因 子，例如，以車輪和其軸承的各類故障為例，它們的故障特征頻譜數(shù)學(xué)模型如表1 表1 故障特征頻譜數(shù)學(xué)模型 式中的參數(shù)如表2。表2，表1數(shù)學(xué)模型涉及的關(guān)鍵參數(shù) 在采用天文時(shí)鐘周期控制采樣的現(xiàn)有技術(shù)中，上述故障的特征頻率是隨著轉(zhuǎn)速頻 率fn的變化而變化的；當(dāng)一個(gè)采樣過程中因?yàn)檗D(zhuǎn)速n[r/min]隨時(shí)變化而使轉(zhuǎn)速頻率fn = η/60隨時(shí)變化時(shí)，所有特征頻率也隨時(shí)變化，該樣本就沒有確定的特征頻率可言，例如圖 2-4，根據(jù)該頻譜作故障特征分析就無法實(shí)施。
本發(fā)明提出的一種變速機(jī)械故障診斷的轉(zhuǎn)速跟蹤采樣方法，其特征是以機(jī)械某 軸(例如車軸)的頻率為Xfn的轉(zhuǎn)速脈沖信號取代天文時(shí)鐘周期脈沖信號作為決定檢測時(shí) 機(jī)的觸發(fā)信號，即以頻率為Xfn的非勻速轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速信號脈沖數(shù)作為檢測坐標(biāo)，方法是在機(jī) 械軸(例如車軸)上加裝轉(zhuǎn)速傳感器1或利用已有的轉(zhuǎn)速傳感器1，該軸每轉(zhuǎn)動(dòng)1/X周時(shí) 發(fā)出一個(gè)脈沖，軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周發(fā)出X個(gè)脈沖；也可以在軸每轉(zhuǎn)一周時(shí)發(fā)出的脈沖數(shù)Y不等于X 時(shí)，通過電子電路的倍頻器2處理得到每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生X個(gè)脈沖的頻率為Xfn的效果；用該頻 率等于Xfn的脈沖，取代天文時(shí)鐘周期脈沖，控制(模數(shù))AD變換器3，對所需監(jiān)測的信號實(shí) 施轉(zhuǎn)速跟蹤采樣。如附圖3。
其特征還在于特征頻率為fi的故障的轉(zhuǎn)速跟蹤固化特征譜號是PHi = fi/ fn*N/X。在以天文時(shí)鐘周期控制采樣的經(jīng)典采樣模式中，根據(jù)共同遵守的采樣定理，有關(guān) 采樣頻率與分析頻率等參數(shù)有如表3的規(guī)則。表3 物理參數(shù)定義和故障定性診斷方法 表3中的序號1 9是眾所公知的。序號8的故障特征頻率是根據(jù)表2的“軸承、 齒輪參數(shù)”以及表1 “故障特征頻率公式”得到的。表3的序號10 “采樣倍頻系數(shù)”X與采樣頻率fc的關(guān)系為以轉(zhuǎn)速頻率fn的X倍 脈沖，取代天文時(shí)鐘周期采樣頻率fc，即fc = Xfn。于是有df = fc/N = fn*X/N。(權(quán)項(xiàng)4，)一種“變速機(jī)械故障診斷的轉(zhuǎn)速跟蹤采樣及譜號固化分析方法”，其特 征是故障特征頻率為fi的轉(zhuǎn)速跟蹤固化特征譜號PHi是PHi = fi/df = fi/fn*N/X，式中fn為轉(zhuǎn)速頻率，N為樣本長度，X為釆樣倍頻系數(shù)。進(jìn)而，可以具體計(jì)算出各類故障特征 頻率fi的對應(yīng)的特征譜號PHi如表4。表4，故障特征頻率的數(shù)學(xué)模型 查看上表4的“特征譜號PHi”，所有公式中都沒有轉(zhuǎn)速頻率參數(shù)fn。這就說明弓丨 入轉(zhuǎn)速跟蹤采樣方法之后，各類故障的頻率雖然都會(huì)隨著轉(zhuǎn)速頻率fn變化而變化，但在勻 轉(zhuǎn)速跟蹤FFT分析圖譜中，各類故障的特征譜號PHi卻是固定不變的，從而稱為“譜號固化 轉(zhuǎn)速跟蹤采樣技術(shù)”。實(shí)施例1 下面結(jié)合實(shí)施例作進(jìn)一步的說明。例如，設(shè)某車軸的轉(zhuǎn)速頻率為fn，倍頻系數(shù)為X = 200，轉(zhuǎn)速跟蹤采樣樣本長度為 N = 2048，相鄰軸小齒輪對車軸的傳動(dòng)比η = 76/17 = 4. 4706，根據(jù)表4的式8，小齒輪的 故障固化特征譜號是ΡΗ8 = nN/X = 76/17*2048/200 = 45. 77圖4是在車軸平均轉(zhuǎn)速為242r/min (小齒輪平均轉(zhuǎn)速1082r/min)時(shí)，轉(zhuǎn)速跟蹤采 樣的故障波形、FFT分析譜和根據(jù)表4計(jì)算的小齒輪軸承及小齒輪的“理論抽象譜”。其中， 小齒輪故障的實(shí)際出現(xiàn)的譜號是45. 74，符合理論譜號；圖5是在車軸平均轉(zhuǎn)速為lllr/min (小齒輪平均轉(zhuǎn)速496r/min)時(shí)的轉(zhuǎn)速跟蹤采 樣的故障波形、FFT分析譜和根據(jù)表4計(jì)算的小齒輪軸承及小齒輪的“理論抽象譜”。其中， 小齒輪故障的實(shí)際出現(xiàn)的譜號也是45. 74，符合理論譜號。根據(jù)變速機(jī)械故障診斷的轉(zhuǎn)速跟蹤采樣方法，將信號經(jīng)典采樣技術(shù)所獲樣本的 “天文時(shí)鐘坐標(biāo)”，變換為“轉(zhuǎn)速跟蹤采樣技術(shù)”的“機(jī)器軸轉(zhuǎn)動(dòng)相位(如上例為360° /200) 坐標(biāo)”，就是本技術(shù)方案的精髓。然而，這個(gè)坐標(biāo)變換卻取得了優(yōu)秀的效果可以在機(jī)器轉(zhuǎn)速 變動(dòng)的過程中，依托轉(zhuǎn)速/相位跟蹤采樣實(shí)現(xiàn)信號采集，然后沿用前人的FFT分析技術(shù)分析譜圖。不僅沒有轉(zhuǎn)速變化所引起的頻譜發(fā)散、分裂等不確定、不準(zhǔn)確的問題，而且在無論在 何轉(zhuǎn)速下，特定故障的頻率雖然變化，但根據(jù)故障診斷理論推演得到的特征頻率fi對應(yīng)的 轉(zhuǎn)速跟蹤固化特征譜號PHi = fi/fn*N/X永遠(yuǎn)不變，對信號的轉(zhuǎn)速跟蹤譜圖分析變得十分 簡便，因?yàn)楦黝惞收系奶卣髯V號在這種跟蹤譜圖上也是永恒固定的。
圖4、5是對機(jī)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)小齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)速跟蹤采樣和故障診斷的實(shí)例。無論車輪 轉(zhuǎn)速是242r/min或是lllr/min，對應(yīng)的故障特征頻率分別變化為18. 02Hz和8. 29Hz，而在 各診斷譜圖的中縫信息中，該齒輪故障在不同轉(zhuǎn)速下的特征譜號都是45. 74號，符合理論 譜號；不僅對車輪轉(zhuǎn)速不同的各個(gè)樣本的分析有上述簡便，而且在一次采樣過程中的車輪 轉(zhuǎn)速變化也不影響診斷效果。實(shí)施例2 變速機(jī)械故障診斷的轉(zhuǎn)速跟蹤采樣及譜號固化分析方法的轉(zhuǎn)速信號共用技術(shù)。在軌道交通領(lǐng)域，車輛被組成列車運(yùn)行。但不僅不同車輛的車輪直徑有所區(qū)別，而 且同一輛車一條車軸的兩個(gè)車輪與其它車軸的兩個(gè)車輪的直徑也有所區(qū)別，只有同一條車 軸的兩個(gè)車輪的直徑被控制在可以忽略的誤差范圍之內(nèi)。由于造價(jià)和可以允許的安裝位置 的限制，幾乎不可能對每一條車軸都安裝轉(zhuǎn)速傳感器1、倍頻器2來獲取該車軸的Xfn信號。 因此，期望從一條車軸的轉(zhuǎn)速傳感器1上獲得Yfn，經(jīng)過倍頻電路2處理為Xfn信號供全車為此需要解決兩個(gè)問題車輪直徑不同而修正PHi = fi/fn*N/X公式的問題和轉(zhuǎn) 速信號傳輸問題。設(shè)測速車輪的直徑為D，使用該輪轉(zhuǎn)速信號作轉(zhuǎn)速跟蹤采樣的車輪S的直徑為Ds， 其特征是各軸上各類故障的轉(zhuǎn)速跟蹤固化特征譜號為=Phi(S) = fi/fn*N*D/(X*Ds)。變 速機(jī)械故障診斷的轉(zhuǎn)速跟蹤采樣及譜號固化分析方法的轉(zhuǎn)速信號共用技術(shù)，其特征是，將 測速車輪的轉(zhuǎn)速傳感器1獲得的頻率為Yfn的信號經(jīng)過倍頻器2處理為Xfn的信號，送到 RS485收發(fā)器4的輸入端in，并控制該485收發(fā)器4的輸出使能E/R端為高電平，即置為發(fā) 送狀態(tài)，該485收發(fā)器的總線AB端，通過總線6，向全列車發(fā)送高抗干擾的差分轉(zhuǎn)速信號； 各車的監(jiān)測儀器中被置為接受狀態(tài)(E/R端為GND，低電平)的自有485收發(fā)器5的AB端從 總線6取得該差分轉(zhuǎn)速信號，實(shí)時(shí)恢復(fù)為轉(zhuǎn)速信號Xfn，從其輸出端OUT輸出供給各儀器使 用。如附圖6。
權(quán)利要求
一種變速機(jī)械故障診斷的轉(zhuǎn)速跟蹤采樣方法，其特征在于以運(yùn)動(dòng)機(jī)械的、頻率為Xfn的轉(zhuǎn)速脈沖信號取代天文時(shí)鐘周期脈沖信號作為決定檢測時(shí)機(jī)的觸發(fā)信號，實(shí)施對機(jī)械相關(guān)故障信號的采樣，然后應(yīng)用FFT技術(shù)進(jìn)行信號的數(shù)字分析，并將經(jīng)典的FFT分析輸出信息的頻率坐標(biāo)系，改造為轉(zhuǎn)速跟蹤FFT分析的譜號坐標(biāo)系，并建立信息特征對應(yīng)譜號的識別函數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變速機(jī)械故障診斷的轉(zhuǎn)速跟蹤采樣方法，其特征是以機(jī)械 非勻速轉(zhuǎn)軸的頻率為Xfn的轉(zhuǎn)速脈沖信號取代天文時(shí)鐘周期脈沖信號作為決定檢測時(shí)機(jī) 的觸發(fā)信號，即以頻率為Xfn的轉(zhuǎn)速信號脈沖數(shù)作為檢測坐標(biāo)，方法是在機(jī)械非勻速轉(zhuǎn)軸 上加裝轉(zhuǎn)速傳感器(1)或利用已有的轉(zhuǎn)速傳感器(1)，該轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)動(dòng)1/X周時(shí)發(fā)出一個(gè)脈 沖，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周發(fā)出X個(gè)脈沖；在轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周時(shí)發(fā)出的脈沖數(shù)Y不等于X時(shí)，通過電子 電路的倍頻器(2)處理得到每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生X個(gè)脈沖的頻率為Xfn的效果；用該頻率等于Xfn 的脈沖，取代天文時(shí)鐘周期脈沖，控制AD變換器(3)，對所需監(jiān)測的信號實(shí)施非均勻轉(zhuǎn)速跟 蹤采樣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的變速機(jī)械故障診斷的轉(zhuǎn)速跟蹤采樣方法，其特征還在于 所述的轉(zhuǎn)速脈沖信號為含有多個(gè)RS485收發(fā)器的轉(zhuǎn)速信號共用傳輸系統(tǒng)，此時(shí)測速車輪的 轉(zhuǎn)速傳感器(1)獲得的頻率為Yfn的信號經(jīng)過倍頻器(2)處理為Xfn的轉(zhuǎn)速信號，送到第 一 RS485收發(fā)器(4)的輸入端，并控制第一 RS485收發(fā)器(4)的輸出，使能端E/R為高電平、 置為發(fā)送狀態(tài)，該第一 RS485收發(fā)器(4)的輸入輸出A、B端，通過總線(6)，向全列車發(fā)送 高抗干擾的差分轉(zhuǎn)速信號；每一列車箱的監(jiān)測儀器中被置為接受狀態(tài)(E/R端為GND，低電 平)的自有RS485收發(fā)器(51-5n)的輸入輸出A、B端從總線(6)取得該差分轉(zhuǎn)速信號，實(shí) 時(shí)恢復(fù)為轉(zhuǎn)速信號Xfn，從各自的RS485收發(fā)器(5)的輸出端OUT輸出供給各儀器使用。
4.一種變速機(jī)械故障診斷的譜號固化分析方法，其特征是故障特征頻率為fi的轉(zhuǎn)速 跟蹤固化特征譜號PHi應(yīng)符合以下關(guān)系式PHi = fi/df = fi/fn*N/X，式中fn為轉(zhuǎn)速頻率，N為樣本長度，X為采樣倍頻系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的轉(zhuǎn)速跟蹤固化特征譜號PHi包括軸固化特征譜號PH7、保 持架外固化特征譜號PH1、保持架內(nèi)固化特征譜號PH2、外環(huán)固化特征譜號PH3、內(nèi)環(huán)固化特 征譜號PH4、滾子端面固化特征譜號PH5、滾子圓周固化特征譜號PH6、本軸齒輪固化特征 譜號PH7、圓鄰軸齒輪PH8其中軸固化特征譜號PH = N/X、保持架外固化特征譜號PHl = (D0-d*cosA)/(2D0)*N/X、保持架內(nèi)固化特征譜號 PH2 = (D0+d*cosA) / (2D0) *N/X、外環(huán)固 化特征譜號PH3 = PH1*Z、內(nèi)環(huán)固化特征譜號PH4 = PH2*Z、滾子端面固化特征譜號PH5 = (D02-d2*cos2A)/(2*D0*d)*N/X、滾子圓周固化特征譜號PH6 = 2*PH5、本軸齒輪固化特征譜 號PH7 = N/X、圓鄰軸齒輪PH8 = nN/Xo
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種變速機(jī)械故障診斷的譜號固化分析方法，其特征是各 軸上各類故障的轉(zhuǎn)速跟蹤固化特征譜號為Phi⑶=fi/fn*N*D/(X*Ds)，式中測速車輪的 直徑為D，使用該輪轉(zhuǎn)速信號作轉(zhuǎn)速跟蹤采樣的車輪S的直徑為Ds。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的變速機(jī)械故障診斷的轉(zhuǎn)速跟蹤采樣及譜號固化分析方法， 其特征在于對所需檢測的信號實(shí)施非均勻轉(zhuǎn)速跟蹤采樣，也適于對所需檢測的信號實(shí)施 均勻轉(zhuǎn)速跟蹤采樣。
全文摘要
一種變速機(jī)械故障診斷的轉(zhuǎn)速跟蹤采樣方法，其特征在于以運(yùn)動(dòng)機(jī)械的、頻率為Xfn的轉(zhuǎn)速脈沖信號取代天文時(shí)鐘周期脈沖信號作為決定檢測時(shí)機(jī)的觸發(fā)信號，實(shí)施對機(jī)械相關(guān)故障信號的采樣，然后應(yīng)用FFT技術(shù)進(jìn)行信號的數(shù)字分析，并將經(jīng)典的FFT分析輸出信息的頻率坐標(biāo)系，改造為轉(zhuǎn)速跟蹤FFT分析的譜號坐標(biāo)系，并建立信息特征對應(yīng)譜號的識別函數(shù)。能把在經(jīng)典的、天文時(shí)鐘周期采樣時(shí)所不能進(jìn)行監(jiān)測診斷的變轉(zhuǎn)速狀態(tài)，變成了能夠通過轉(zhuǎn)速跟蹤采樣實(shí)現(xiàn)監(jiān)測診斷的狀態(tài)，極大地提高了安全監(jiān)控的時(shí)間覆蓋率，防止了經(jīng)典技術(shù)的盲區(qū)，特別適用于城市輕軌交通、地鐵、城市公共汽車、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的故障診斷；應(yīng)用固化特征譜號公式極大地簡化了經(jīng)典技術(shù)對譜圖頻譜識別的繁瑣，既利于人工識圖，更利于計(jì)算機(jī)自動(dòng)診斷。
文檔編號G01P3/481GK101846692SQ20101016978
公開日2010年9月29日 申請日期2010年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月10日
發(fā)明者唐德堯, 宋辛?xí)? 曾承志, 王定曉, 黃貴發(fā) 申請人:唐德堯