一種齒輪故障定位系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種齒輪故障定位系統(tǒng)及方法，屬于故障診斷技術(shù)與信號處理分析技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 齒輪是旋轉(zhuǎn)機(jī)械傳遞動力的重要零件，同時，也是機(jī)械故障診斷學(xué)中的重要研究 對象之一。因此，開展齒輪故障診斷技術(shù)的研究對保障設(shè)備的安全運行有重要意義。早在 20世紀(jì)80年代，P. D. McFadden提出利用窄帶解調(diào)方法對同步平均后的齒輪振動信號的 幅值和相位信息進(jìn)行提取，從而實現(xiàn)對齒輪局部故障的早期診斷。其中，尤其說明相位解調(diào) 的重要性。但是，隨著研究的深入人們發(fā)現(xiàn)非平穩(wěn)信號攜帶有豐富的故障特征信息，而P. D. McFadden的方法只適用于對平穩(wěn)信號的分析。在此基礎(chǔ)上，李輝、鄭海起等人實現(xiàn)了對 變速工況下振動信號的幅值和相位解調(diào)，通過對非平穩(wěn)信號進(jìn)行階比跟蹤及角域同步平均 完成了角域準(zhǔn)平穩(wěn)信號的轉(zhuǎn)換，從而有效提取齒輪故障位置信息。然而，無論是McFadden 還是李輝等人在對頻帶的選擇上均采用了傳統(tǒng)的帶通濾波器，該濾波器由于存在過渡帶而 無法完全濾出所需的頻率成分，使得后續(xù)的解調(diào)效果受到較大影響，無法準(zhǔn)確判定齒輪故 障位置。同時，李輝、鄭海起等人在對相位解調(diào)的過程中依然延續(xù)McFadden所提出的方法， 但是，該方法受到實驗條件的限制，當(dāng)實驗條件較差或外界隨機(jī)干擾的較大的情況下，該方 法獲取的解調(diào)效果并不理想，影響齒輪故障位置的判斷，并且不利于對工況條件下的齒輪 振動信號進(jìn)行特征提取。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種齒輪故障定位系統(tǒng)及方法，以解決在工況條件下無法準(zhǔn) 確判定齒輪故障位置問題。
[0004] 本發(fā)明按以下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種齒輪故障定位系統(tǒng)及方法，包括信號采集模塊、 信號處理模塊、特征提取模塊；信號采集模塊用于通過加速度傳感器和電渦流傳感器分別 對故障齒輪箱進(jìn)行振動信號及鍵相脈沖信號的多通道同步采樣，信號處理模塊利用階比分 跟蹤技術(shù)實現(xiàn)角域準(zhǔn)平穩(wěn)信號的轉(zhuǎn)換，從而消除由于轉(zhuǎn)速及載荷波動造成的頻率模糊現(xiàn) 象，并通過角域同步平均完成齒輪故障振動信號的降噪以及隨機(jī)干擾的消除，特征提取模 塊用于對平均后的信號進(jìn)行基于頻移和譜線編輯的窄帶解調(diào)分析，以確定齒輪的故障位 置。
[0005] 齒輪故障定位系統(tǒng)的定位方法為：首先，信號采集模塊進(jìn)行信號采集，將壓電傳感 器固定在齒輪箱的軸承座上進(jìn)行齒輪故障振動信號采集，同時將電渦流傳感器安裝在小齒 輪軸(主動軸）上的測量位置以獲取鍵相脈沖信號，設(shè)置信號的采樣頻率為102. 4kHz，在進(jìn) 行高頻采樣過程中，主要針對小齒輪的升降速過程進(jìn)行采樣，同時要減少外界環(huán)境及噪聲 對壓電傳感器的干擾，以確保采樣的準(zhǔn)確性；其次，信號處理模塊處理齒輪故障振動信號， 根據(jù)階比跟蹤計算公式對鍵相脈沖信號進(jìn)行等角度采樣時標(biāo)的計算，由于選取大齒輪軸 (從動軸)為參考軸，因此，其等角度采樣時標(biāo)應(yīng)根據(jù)齒輪傳動比獲得7^=77； (i為齒輪傳動 比，7；為小齒輪軸的等角度采樣時標(biāo));第三步，對信號采集模塊采集到的齒輪故障振動信號 在大齒輪軸的等角度采樣時標(biāo)TL 1上進(jìn)行線性插值以得到輸出軸的角域信號，從而利用階 比跟蹤方法實現(xiàn)時域非平穩(wěn)信號到角域準(zhǔn)平穩(wěn)信號的轉(zhuǎn)換；第四步，將獲得的角域準(zhǔn)平穩(wěn) 信號進(jìn)行同步平均計算，以消除振動信號中的隨機(jī)干擾；第五步，利用特征提取模塊對大齒 輪故障位置進(jìn)行判定，將平均后的角域信號作基于FFT的頻譜分析以得到階比譜，并從階 比譜中選取幅值較為突出的嚙合階比作為主要的分析對象，確定合適的帶寬，而后對階比 譜進(jìn)行編輯，保留主要的嚙合階比分量及其邊帶，并將其余的階比分量置零處理，將編輯后 的階比譜進(jìn)行IFFT恢復(fù)到角域信號，以實現(xiàn)理想的帶通濾波過程；最后，對編輯后的角域 信號作基于Hilbert變換的窄帶解調(diào)分析，利用傅里葉變換的頻移特性對編輯后的角域信 號進(jìn)行相位解調(diào)，從幅值和相位解調(diào)的波形圖中能夠確定齒輪故障發(fā)生的大致位置，在一 個周期內(nèi)，解調(diào)信號均發(fā)生突變的位置即為齒輪故障位置。
[0006] 所述階比譜編輯過程中通頻帶的選取范圍可表示為
式中：乙為第4介嚙合頻率（其中^齒數(shù)，4為齒輪的轉(zhuǎn)頻，，彥示齒輪 的嚙合基頻）； rii/?Α為以為中心頻率所需的兩邊調(diào)制邊帶數(shù)； 為采樣頻率以及化為該段信號的數(shù)據(jù)長度。
[0007] 同時，將通頻帶以外的階比分量置零處理，最后將編輯后的階比譜恢復(fù)到角域信 號，即可實現(xiàn)理想的帶通濾波過程。
[0008] 所述利用傅里葉變換的頻移特性進(jìn)行相位解調(diào)，其過程是將編輯后的信號Λ( 經(jīng)過Hilbert變換后，得到的解析函數(shù)式為：
式中：說A( 〃）]表示為A(幻的Hilbert變換。
[0009] 則幅值解調(diào)信號可表示為：
式中：k( I為&(〃）的絕對值； 對IQ(0)|]表示為|q(0) I的均值。
[0010] 為說明基于頻移特性的相位解調(diào)原理，考慮到最簡單的情況，即單頻調(diào)制，故設(shè)載 波信號為頻率等于義的余弦信號，即x(i) =Xcos 調(diào)制信號為/Ki)，則調(diào)相信號為：
利用Hilbert變換能夠有效的從調(diào)相信號χρ(?)中解調(diào)出調(diào)制信號，BP :
其相位可由下式表示：
式中：arg[xp(i)]稱為χρ(?)的相位函數(shù)，從式中利用頻移消除ω A就可得到相位調(diào) 制信號/Ki)，即：
頻移后的相位可表示為：
即可解調(diào)出相位信息。
[0011] 上述過程是在時域內(nèi)實現(xiàn)的，當(dāng)信號轉(zhuǎn)換到角域時，上述的過程同樣可以在階比 域?qū)崿F(xiàn)。
[0012] 設(shè)xp( 為；⑴的角域信號，且經(jīng)過Hilbert變換后的解析信號為xp( 〃），故基 于頻移的相位解調(diào)過程可表示為：
同樣可以獲得振動信號的相位信息。
[0013] 本發(fā)明具有以下有益效果： 1、 由于在運行工況下齒輪箱的振動信號存在轉(zhuǎn)速、載荷的波動等非平穩(wěn)現(xiàn)象，采用階 比跟蹤方法能夠有效克服該現(xiàn)象造成的頻率模糊，利用角域同步平均技術(shù)能夠消除齒輪箱 中軸承等隨機(jī)干擾成分，達(dá)到降噪的目的； 2、 利用譜線編輯能夠克服傳統(tǒng)帶通濾波器中由于過渡帶的存在使得無法完全濾除不 需要的頻率成分的缺點，進(jìn)而準(zhǔn)確的濾出所感興趣的頻帶； 3、 通過利用頻移法實現(xiàn)相位解調(diào)，能夠消除噪聲及轉(zhuǎn)速、載荷波動等外界因素對相位 解調(diào)效果的影響，使得解調(diào)后的信號在齒輪故障位置處的突變更為明顯，以較為準(zhǔn)確的實 現(xiàn)齒輪故障的定位； 4、 該方法易于掌握和使用，該算法滿足工業(yè)現(xiàn)場實時性性能要求，經(jīng)過實際應(yīng)用測試， 算法準(zhǔn)確、可靠。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的定位方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的內(nèi)容并不限于所述 范圍。
[0016] 實施例1 :如圖1-圖2所示，一種齒輪故障定位系統(tǒng)及方法，包括信號采集模塊、 信號處理模塊、特征提取模塊；信號采集模塊用于通過加速度傳感器和電渦流傳感器分別 對故障齒輪箱進(jìn)行振動信號及鍵相脈沖信號的多通道同步采樣，信號處理模塊利用階比 分跟蹤技術(shù)實現(xiàn)角域準(zhǔn)平穩(wěn)信號的轉(zhuǎn)換，從而消除由于轉(zhuǎn)速及載荷波動造成的頻率模糊現(xiàn) 象，并通過角域同步平均完成齒輪故障振動信號的降噪以及隨機(jī)干擾的消除，特征提取模 塊用于對平均后的信號進(jìn)行基于頻移和譜線編輯的窄帶解調(diào)分析，以確定齒輪的故障位 置。
[0017] 齒輪故障定位系統(tǒng)的定位方法為：首先，信號采集模塊進(jìn)行信號采集，將壓電傳感 器固定在齒輪箱的軸承座上進(jìn)行齒輪故障振動信號采集，同時將電渦流傳感器安裝在小齒 輪軸(主動軸）上的測量位置以獲取鍵相脈沖信號，設(shè)置信號的采樣頻率為102. 4kHz，在進(jìn) 行高頻采樣過程中，主要針對小齒輪的升降速過程進(jìn)行采樣，同時要減少外界環(huán)境及噪聲 對壓電傳感器的干擾，以確保采樣的準(zhǔn)確性；其次，信號處理模塊處理齒輪故障振動信號， 根據(jù)階比跟蹤計算公式對鍵相脈沖信號進(jìn)行等角度采樣時標(biāo)的計算，由于