頻率的情形，則在包絡(luò)譜中，峰 值將出現(xiàn)在太陽(yáng)輪局部故障特征頻率及其倍頻nf S、太陽(yáng)輪的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)頻率及其倍頻mf 、 及其組合nfs±m(xù)fs(T)等位置處； 對(duì)于行星輪局部故障，在包絡(luò)譜中，峰值出現(xiàn)在行星輪局部故障特征頻率fp、行星架的 旋轉(zhuǎn)頻率fc、W及它們的fp±fc組合等位置處，若考慮行星輪局部故障特征頻率的倍頻和行 星架旋轉(zhuǎn)頻率的倍頻作為調(diào)制頻率的情形，則在包絡(luò)譜中，峰值將出現(xiàn)在行星輪局部故障 特征頻率及其倍頻nfp、行星架的旋轉(zhuǎn)頻率及其倍頻mfc、W及它們的組合nfp±m(xù)f。等位置 處； 對(duì)于齒圈局部故障，在包絡(luò)譜中，峰值出現(xiàn)在齒圈局部故障特征頻率fr位置處，若考慮 齒圈局部故障特征頻率的倍頻作為調(diào)制頻率的情形，則在包絡(luò)譜中，峰值將出現(xiàn)在齒圈局 部故障特征頻率及其倍頻nfr位置處； 行星輪系發(fā)生分布故障，在包絡(luò)譜中，峰值出現(xiàn)在齒輪分布式故障特征頻率fg、行星輪 通過(guò)頻率Nf。、及其組合fg±Nf。位置處;若考慮齒輪分布式故障特征頻率的倍頻和行星輪通 過(guò)頻率的倍頻作為調(diào)制頻率的情形，則在包絡(luò)譜中，峰值將出現(xiàn)在齒輪分布式故障特征頻 率及其倍頻nfg(n為正整數(shù)）、行星輪通過(guò)頻率及其倍頻mNfc(m為正整數(shù)）、W及它們的組合 nfg±m(xù)Nfc位置處； 定軸齒輪發(fā)生包括齒根部有較大裂紋、局部齒面磨損、輪齒折斷、局部齒形誤差局部故 障時(shí)，其振動(dòng)信號(hào)波形是W齒輪旋轉(zhuǎn)頻率為周期的沖擊脈沖，在頻率域表現(xiàn)為包含旋轉(zhuǎn)頻 率的各次諧波mfr(m=l，2，* ? ?)、各階曬合頻率nfm(n=l，2，* ? - )W及W故障齒輪的 旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的邊頻址m±m(xù)fr(n，m=l，2? ? ?); 定軸齒輪發(fā)生分布故障時(shí)，其頻域特征表現(xiàn)為曬合頻率及其諧波分量n f m (n = 1， 2，- ??)在頻譜圖上的位置保持不變，但其幅值大小發(fā)生改變，而且高次諧波幅值相對(duì)增 大較多;分析時(shí)，要分析3個(gè)W上諧波幅值的變化，從而從頻譜上檢測(cè)出運(yùn)種特征； 根據(jù)上面所述，在階比譜和階比包絡(luò)譜中選取能表征故障類(lèi)型的特征頻率處的幅值為 特征量，表不為行星輪系局部故障4=[年:、氣W。、斗為/ij.、疋/。、4,;',]; 行星輪系分布式故障4w/。];平行級(jí)曬合齒輪故障冰=[4>*、4&、 n=l，2,3,其中平行級(jí)曬合齒輪故障歸為一個(gè)特征向量，此向量從階比圖中提取，行星輪系 的特征向量從包絡(luò)譜中提取。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于散度指標(biāo)的變工況風(fēng)電行星齒輪箱故障診斷方法，其特 征是：根據(jù)步驟（4)所述的故障診斷參數(shù)；即故障模式及嚴(yán)重程度的識(shí)別；J-散度（J-divergence)是一種譜距離，作為一種狀態(tài)識(shí)別的指標(biāo)，能很好地反映兩個(gè)信號(hào)的相似程 度，克服時(shí)域分析中的相位問(wèn)題，很顯然，同一信號(hào)的J-散度為零；腳； 式(9)中，S為樣本信號(hào)的幅值譜;T為待檢信號(hào)的幅值譜;J(S，T)為兩者之間的J-散度， N為信號(hào)幅值譜中幅值的個(gè)數(shù)，i為信號(hào)幅值譜中幅值的序列； J-散度作為一種狀態(tài)識(shí)別的指標(biāo)，它能很好地反映兩個(gè)信號(hào)的相似程度，克服時(shí)域分 析中的相位問(wèn)題，很顯然，同一信號(hào)的J-散度為零； 化-散度化Ul Aack-Lcibler divergence，KLD)，用來(lái)度量分布P和Q之間的差異性，典 型情況下，P表示數(shù)據(jù)點(diǎn)真實(shí)分布，Q表示數(shù)據(jù)的理論分布、模型分布或P的近似分布； 對(duì)離散分布，P和0的化-散度定義為：(城； 式（10)中，P表示數(shù)據(jù)點(diǎn)真實(shí)分布，Q表示數(shù)據(jù)的理論分布、模型分布或P的近似分布;Dki 為數(shù)據(jù)P和9的化-散度，i為數(shù)據(jù)的序列號(hào);P(i)為序列號(hào)i所對(duì)應(yīng)的P數(shù)據(jù)點(diǎn);Q(i)為序列號(hào) i所對(duì)應(yīng)的Q數(shù)據(jù)點(diǎn)； 也有人稱(chēng)其為化距離，但是它并不是嚴(yán)格的距離概念，其不滿足S角不等式;所W，把 它變?yōu)閷?duì)稱(chēng)形式： Dkis(PllQ) =化 1州 |Q)+Dki(Q| |P)]/2 (11); 式（11)中，P表示數(shù)據(jù)點(diǎn)真實(shí)分布，Q表示數(shù)據(jù)的理論分布、模型分布或P的近似分布； D ' ki數(shù)據(jù)點(diǎn)P、Q之間的對(duì)稱(chēng)散度值； 當(dāng)齒輪箱正常時(shí)，本文所選擇的故障特征階比的幅值為0或很小，而當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，其 所對(duì)應(yīng)的故障階比的幅值發(fā)生很大的變化，運(yùn)使得采用采用散度指標(biāo)的算法得W實(shí)現(xiàn)，對(duì) 上述所選特征量進(jìn)行J-散度和化-散度計(jì)算，計(jì)算方法:首先收集風(fēng)電行星齒輪箱的正常狀 態(tài)的樣本，表示正常情況下的標(biāo)準(zhǔn)樣本，分別表示一級(jí)行星輪系、二級(jí)行星輪系和平行級(jí)齒 輪故障樣本，對(duì)每一樣本進(jìn)行階比重采樣、EMD重構(gòu)信號(hào)W及進(jìn)行階比譜、化化6的包絡(luò)譜分 析，尋找對(duì)應(yīng)的故障特征階比，形成對(duì)應(yīng)故障特征階比的幅值集合，最后計(jì)算待檢樣本和標(biāo) 準(zhǔn)樣本的故障特征集合之間的J-散度和化-散度，定位故障位置W及故障模式，對(duì)行星齒輪 箱的故障實(shí)現(xiàn)完全的診斷； 在時(shí)域信號(hào)進(jìn)行FFT變換時(shí)的分辨率的原理推出，角域信號(hào)進(jìn)行FFT的分辨率為如/0， 其中0為角域信號(hào)的長(zhǎng)度;信號(hào)為matlab仿真信號(hào)，信號(hào)中忽略齒輪箱中軸承W及各齒輪相 互之間的影響； 由此，仿真行星齒輪箱各級(jí)處于正常工況時(shí)，其振動(dòng)信號(hào)模型為： xi(t)=A ? [1-cos(23t ? 3fcl ? t)]cos(23T ? fml ? t+0l) (12)； +B ? [1-C0S(23T ? 3fc2 ? t)] ? C0S(23T ? fm2 ? t+目2)+C ? C0S(23T ? fm3 ? t+白3) 行星齒輪箱一級(jí)行星輪系太陽(yáng)輪發(fā)生局部故障時(shí)，其振動(dòng)信號(hào)模型為： 馬("二義口一cwa萬(wàn)./W.[l-w〇s口兀../;1./ +妍].cos[2,t../;", ./ + Sifi口兀.乂,.Z +麵+巧 + 巧.[1 _cos:@;r.3./,'.] ./)].cos口;T. .1' +口:）+ C.cos(2;r.'/,'"；./ + 0) 行星齒輪箱一級(jí)行星輪系太陽(yáng)輪發(fā)生分布故障時(shí)，其振動(dòng)信號(hào)模型為： ' vr,(/)二 /!. [1 -cos(2;r.3/; I.OJ.n + cos(2;r. 1'. / + 辦J. cosp7r. /,'"I./ + sin口開(kāi)./: 1'. / 4-的+巧. ' (14；； + 公.|_l-eos(2兀 J乂./j].cos(2;r../,,,:./十ft) + C.c;os(2;r.乂", ./ + 0;) 式（12)~（14)中：：義1(*)、義2(〇、義3(〇為行星齒輪箱處于正常一級(jí)行星輪系太陽(yáng)輪發(fā) 生局部故障、分布故障時(shí)的振動(dòng)信號(hào)序列；t為時(shí)間序列；01、02、03、(6、r為初始相位;fml、 fm2、fm3為各級(jí)曬合頻率;fcl、fc2為一、二級(jí)行星架的旋轉(zhuǎn)頻率；/r為一級(jí)太陽(yáng)輪的絕對(duì)旋 轉(zhuǎn)頻率;為一級(jí)太陽(yáng)輪發(fā)生局部故障和分布故障時(shí)的特征頻率;A、B、C為無(wú)量綱常 數(shù)，行星齒輪箱各個(gè)狀態(tài)時(shí)值會(huì)有所不同；各個(gè)振動(dòng)信號(hào)采用頻率為8192監(jiān)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于散度指標(biāo)的變工況風(fēng)電行星齒輪箱故障診斷方法，其特 征是:根據(jù)步驟(5)所述的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;是在步驟1、步驟4的基礎(chǔ)上，W行星齒輪箱的正常、行 星齒輪箱一級(jí)行星輪系太陽(yáng)輪局部故障、行星齒輪箱一級(jí)行星輪系太陽(yáng)輪分布故障時(shí)的振 動(dòng)信號(hào)為例來(lái)進(jìn)行分析。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于散度指標(biāo)的變工況風(fēng)電行星齒輪箱故障診斷方法，其特 征是:所述的階比重采樣方法有效避免振動(dòng)信號(hào)非平穩(wěn)特點(diǎn)引發(fā)的頻率冗雜、難W分析的 特點(diǎn)，通過(guò)EMD分解消噪后重構(gòu)后的階比譜和包絡(luò)譜清晰，容易找到對(duì)應(yīng)的特征階次，避免 噪聲對(duì)有效信號(hào)的干擾。8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于散度指標(biāo)的變工況風(fēng)電行星齒輪箱故障診斷方法其特征 是:所述的行星齒輪箱一級(jí)行星輪系太陽(yáng)輪發(fā)生局部故障采集的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)階比重采樣和 EMD分解重構(gòu)后的階比譜;階比譜中一級(jí)行星輪系曬合頻率附近出現(xiàn)邊頻帶，與正常時(shí)對(duì)比 發(fā)生很明顯的變化，同時(shí)對(duì)比正常與故障的階比包絡(luò)譜，故障時(shí)的調(diào)制成分發(fā)生很大的變 化，與正常標(biāo)準(zhǔn)樣本進(jìn)行散度指標(biāo)的計(jì)算，正常時(shí)故障特征階比集合所對(duì)應(yīng)的故障階比的 幅值很小，甚至為0,而發(fā)生故障時(shí)其故障特征階比的幅值變化很大，通過(guò)與正常樣本進(jìn)行 散度指標(biāo)的計(jì)算，確定散度指標(biāo)越大，發(fā)生故障的可能性越大，確定故障發(fā)生的粗略位置W 及故障的嚴(yán)重程度。9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于散度指標(biāo)的變工況風(fēng)電行星齒輪箱故障診斷方法，其特 征是:所述的行星齒輪箱一級(jí)行星輪系太陽(yáng)輪，發(fā)生分布故障時(shí)所采集的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)階比 重采樣和EMD分解重構(gòu)后進(jìn)行頻譜分析和包絡(luò)譜分析;階比譜中一級(jí)行星輪系曬合頻率附 近出現(xiàn)邊頻帶，與正常時(shí)對(duì)比發(fā)生很明顯的變化，同時(shí)對(duì)比分布故障與局部故障的階比譜 不同，觀察階比包絡(luò)譜，故障信號(hào)中存在復(fù)雜的調(diào)頻信息，計(jì)算故障特征向量對(duì)應(yīng)的幅值的 散度指標(biāo)，可W實(shí)現(xiàn)對(duì)分布故障進(jìn)行有效的診斷，同時(shí)也可W有效的識(shí)別出局部故障和分 布故障； W風(fēng)電行星齒輪箱為研究對(duì)象，對(duì)行星齒輪箱進(jìn)行拆分為一級(jí)行星輪系、二級(jí)行星輪 系、平行級(jí)齒輪=部分，同時(shí)行星輪系故障分為局部故障、分布式故障，暫不考慮軸承的影 響，同時(shí)相比較基于散度指標(biāo)的軸承故障診斷，其所采用的對(duì)樣本之間進(jìn)行散度指標(biāo)的計(jì) 算，來(lái)觀察之間的相似性，而行星齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，缺少特定的故障樣本數(shù)據(jù)，對(duì)故障位置、 故障模式的確定具有更大的難度，決定采用故障樣本只與正常標(biāo)準(zhǔn)樣進(jìn)行散度指標(biāo)計(jì)算， 輸入散度指標(biāo)的故障特征向量分別為一級(jí)行星輪系A(chǔ)i1、Ai2,二級(jí)行輪系A(chǔ)21、A22,平行級(jí)齒輪 A3,通過(guò)計(jì)算觀察某一故障特征向量較其他發(fā)生很大變化來(lái)確定故障發(fā)生的位置W及故障 模式，對(duì)行星齒輪箱正常標(biāo)準(zhǔn)樣本N與行星齒輪箱一級(jí)行星輪系太陽(yáng)輪局部故障、分布故障 樣本的故障特征向量進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比分析，找出行星齒輪箱故障發(fā)生的哪一級(jí)W及哪一種 故障模式，即此樣本故障發(fā)生位置和模式，再通過(guò)對(duì)All進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算，完全推出故障發(fā)生 的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的完全診斷； 由其他位置發(fā)生故障時(shí)各個(gè)故障樣本與標(biāo)準(zhǔn)樣本的J-散度、ia-散度值的變化可W發(fā) 現(xiàn)，故障樣本與正常標(biāo)準(zhǔn)樣本的散度指標(biāo)計(jì)算值越大，就可W確定此樣本為在此故障特征 向量所包含的故障模式集合中的一類(lèi)，運(yùn)樣可W基本鎖定齒輪箱發(fā)生故障的位置和類(lèi)型， 通過(guò)對(duì)此故障特征集合進(jìn)行細(xì)致區(qū)別計(jì)算，完全診斷出故障位置和模式。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于散度指標(biāo)的變工況風(fēng)電行星齒輪箱故障診斷方法，其特 征是:所述的散度指標(biāo)，經(jīng)過(guò)計(jì)算可能夠診斷出行星齒輪箱的故障模式及其位置，運(yùn)使得風(fēng) 電機(jī)組運(yùn)維人員可W完全避免查看復(fù)雜的頻譜圖，通過(guò)觀察一些指標(biāo)的變化可W診斷出齒 輪箱的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)散度指標(biāo)的大小也可W衡量故障的嚴(yán)重程度。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于散度指標(biāo)的變工況風(fēng)電行星齒輪箱故障診斷方法，特別適用于變工況風(fēng)電行星齒輪箱的故障診斷領(lǐng)域。本發(fā)明操作步驟如下：根據(jù)階比重采樣技術(shù)，將變工況風(fēng)電行星齒輪箱傳感器所采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，將非線性、非平穩(wěn)的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為具有平穩(wěn)性的角域信號(hào)；行星齒輪箱不同于傳統(tǒng)定軸齒輪箱，針對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及診斷的難度，將行星齒輪箱的故障分級(jí)進(jìn)行診斷；提取故障特征集合；故障診斷參數(shù)；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本發(fā)明可避免振動(dòng)信號(hào)非平穩(wěn)的特點(diǎn)，有效清晰的識(shí)別故障特征階比；J-散度和KL-散度均可表征行星齒輪箱故障發(fā)生位置及類(lèi)型；在發(fā)生故障時(shí)，可相互輔助進(jìn)行故障診斷，具有較高的靈敏度。
【IPC分類(lèi)】G01M13/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105510023
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510831633
【發(fā)明人】吳冠宇, 王方勝, 滕海剛, 陳國(guó)偉, 史昌明, 肖冰, 王瑞, 安國(guó)軍, 盧博倫, 陳禹, 趙海
【申請(qǐng)人】國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院, 國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力節(jié)能服務(wù)有限公司, 國(guó)家電網(wǎng)公司
【公開(kāi)日】2016年4月20日
【申請(qǐng)日】2015年11月24日