行星齒輪箱故障信息獲取系統(tǒng)及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種行星齒輪箱故障信息獲取系統(tǒng)及其方法，包括組成行星齒輪箱的內(nèi)齒圈、行星輪和太陽輪，其中內(nèi)齒圈固定不動，太陽輪繞自身中心軸線轉(zhuǎn)動，行星輪除自轉(zhuǎn)外還繞太陽輪公轉(zhuǎn)；所述內(nèi)齒圈的若干連續(xù)輪齒作為檢測齒，檢測齒的齒根部位粘貼有光纖光柵陣列，寬帶光源發(fā)出的光通過光纖a、耦合器和光纖c傳輸?shù)焦饫w光柵陣列，反射光通過光纖c、耦合器和光纖b進入波長解調(diào)部分，解調(diào)完成之后的電壓信號通過數(shù)據(jù)采集部分進入計算機進行數(shù)據(jù)處理，計算機用于完成齒根應(yīng)變序列構(gòu)建和行星齒輪箱故障特征提取，本發(fā)明能夠克服現(xiàn)有技術(shù)由于振動信號強烈的非線性和非平穩(wěn)性特點所造成的行星齒輪箱故障診斷的難題。
【專利說明】
行星齒輪箱故障信息獲取系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及機械傳動裝置的動態(tài)測試與故障診斷技術(shù)，具體設(shè)及行星齒輪箱故障 信息獲取系統(tǒng)及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 行星齒輪箱由于體積小、重量輕、傳動效率高、承載能力強等優(yōu)點被廣泛用于航 空、風(fēng)力發(fā)電、起重運輸、能源等領(lǐng)域的機械傳動系統(tǒng)中，然而受制造、安裝誤差和低速重載 的惡劣工作環(huán)境影響，行星齒輪箱發(fā)生故障的概率很高，由于行星齒輪箱位于機械系統(tǒng)的 關(guān)鍵環(huán)節(jié)，當(dāng)其出現(xiàn)故障后，若不及時采取有效的補救措施，輕則會影響系統(tǒng)性能，重則會 使系統(tǒng)擁痕，造成嚴(yán)重事故，因此，對行星齒輪箱進行故障診斷具有重要意義。
[0003] 目前國內(nèi)外研究人員絕大部分是通過對振動信號的分析處理來判斷行星齒輪箱 的健康狀況，振動傳感器安裝在與內(nèi)齒圈相連的箱體上，將振動信號作為故障載體信號的 主要優(yōu)勢在于其測量簡單、實時性強且包含有豐富的故障信息，然而行星齒輪箱的振動信 號呈現(xiàn)出比一般機械設(shè)備更復(fù)雜的特點：多個曬合振動之間相互禪合且振動信號被傳輸路 徑調(diào)制，導(dǎo)致傳感器測到的振動信號中包含有多種頻率成分和豐富的邊頻帶信息，表現(xiàn)出 強烈的非線性特點；變速、變載工況導(dǎo)致振動信號中的齒輪曬合頻率和故障特征頻率發(fā)生 變化，表現(xiàn)出強烈的非平穩(wěn)性特點，由于W上原因，盡管國內(nèi)外學(xué)者在動力學(xué)建模和振動信 號處理等方面進行了大量的工作，但現(xiàn)在行星齒輪箱的故障診斷仍是一個技術(shù)難題。
[0004] 實際上，行星齒輪箱中最關(guān)鍵的運動是齒輪之間的曬合運動，曬合力是能夠反映 齒輪曬合狀態(tài)和特性的最直接參數(shù)，然而曬合力由輪齒相互接觸、擠壓產(chǎn)生，不可能在輪齒 的接觸區(qū)域布置傳感器W測量該力，因此研究者選擇振動信號來間接反映曬合力的變化情 況，但在行星齒輪箱中曬合力信息與振動信息的映射關(guān)系非常復(fù)雜，導(dǎo)致出現(xiàn)了行星齒輪 箱故障診斷的困境，考慮到輪齒的齒根區(qū)域和曬合區(qū)域距離非常近，曬合力的變化會直接 導(dǎo)致齒根應(yīng)變的變化，所W與振動信號相比，齒根應(yīng)變信號更能夠反映齒輪的曬合狀態(tài)，是 一種更加優(yōu)質(zhì)的故障特征載體信號，然而，到目前為止，基于齒根應(yīng)變信號的行星齒輪箱故 障診斷方法仍未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種行星齒輪箱故障信息獲取系統(tǒng)及其方法，該方法可解決
【背景技術(shù)】中由于振動信號強烈的非線性和非平穩(wěn)性特點所造成的行星齒輪箱故障診斷的 難題。
[0006] 為了達到W上目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案予W實現(xiàn):行星齒輪箱故障信息獲 取系統(tǒng)，包括組成行星齒輪箱的內(nèi)齒圈、行星輪和太陽輪，其中內(nèi)齒圈固定不動，太陽輪繞 自身中屯、軸線轉(zhuǎn)動，行星輪除自轉(zhuǎn)外還繞太陽輪公轉(zhuǎn);所述內(nèi)齒圈的若干連續(xù)輪齒作為檢 測齒，檢測齒的齒根部位粘貼有光纖光柵陣列，寬帶光源發(fā)出的光通過光纖a、禪合器和光 纖C傳輸?shù)焦饫w光柵陣列，在光纖光柵陣列發(fā)生光反射，反射光通過光纖C、禪合器和光纖b 進入波長解調(diào)部分，解調(diào)完成之后的電壓信號通過數(shù)據(jù)采集部分進入計算機進行數(shù)據(jù)處 理，計算機用于完成齒根應(yīng)變序列構(gòu)建和行星齒輪箱故障特征提取。
[0007] 所述光纖光柵陣列為在一根光纖上刻寫多段光纖光柵，光纖光柵的數(shù)量與檢測齒 的數(shù)量相同。
[0008] 所述光纖光柵的長度小于檢測齒的齒寬，光纖光柵的軸向與內(nèi)齒圈的軸向平行。
[0009] 所述波長解調(diào)部分用于將光纖光柵陣列的反射波長信號轉(zhuǎn)換為包含有應(yīng)變信息 的電壓信號，包括光電轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)理模塊、電源模塊、驅(qū)動電路模塊、控制電路模塊W 及光學(xué)元器件。
[0010] 所述禪合器采用3地禪合器。
[0011] 本發(fā)明還提出一種行星齒輪箱故障信息獲取方法，包括W下步驟：
[0012] 步驟一、選定內(nèi)齒圈的連續(xù)η個輪齒作為檢測齒，并在檢測齒的齒根部位粘貼光纖 光柵陣列，獲取檢測齒的齒根應(yīng)變信號；
[0013] 步驟二、對步驟一中獲取的齒根應(yīng)變信號進行序列構(gòu)建；
[0014] 步驟Ξ、對步驟二構(gòu)建出的齒根應(yīng)變序列進行行星齒輪箱故障特征提取：
[0015] 在每一組齒根應(yīng)變序列中，將相鄰兩個輪齒的齒根應(yīng)變信號相加，形成Ν+1組時域 上連續(xù)的齒根應(yīng)變信號，設(shè)反映行星輪j和檢測齒直接曬合的齒根應(yīng)變連續(xù)時域信號為fpj (t)，反映太陽輪和檢測齒間接曬合的齒根應(yīng)變連續(xù)時域信號為fs(t)，行星齒輪箱的曬合 頻率為fm，行星輪齒數(shù)、太陽輪齒數(shù)、內(nèi)齒圈齒數(shù)分別為Zp、Zs、Zr，行星輪數(shù)量為N;
[0016] 3.1提取行星齒輪箱故障的頻域特征
[0017] 若在fpj(t)的功率譜中，曬合頻率及其諧波附近出現(xiàn)間隔為^的邊頻帶，則說明 厶P 行星輪j出現(xiàn)故障；
[001引若在fs(t)的功率譜中，曬合頻率及其諧波附近出現(xiàn)間隔為^的邊頻帶，則說明太 陽輪出現(xiàn)故障；
[0019] 3.2提取行星齒輪箱故障的時域特征
[0020] 取fp^t)區(qū)間
：k為自然數(shù)）內(nèi)的信號fp^k，t)，設(shè)gp^k，t) = fpパ0，t)-fpパk，t);若行星輪j發(fā)生故障，則gpパk，t化某一區(qū)間（tl，t2)內(nèi)的能量水平(有 效值)便會偏高，區(qū)間在gp^k，t)中的位置反映故障在行星輪j上出現(xiàn)的位置，（tl, t2)區(qū)間的長度反映行星輪j故障的范圍，區(qū)間內(nèi)gp^k，t)的形式反映行星輪j故障的 類型，區(qū)間內(nèi)gp^k，t)有效值的大小反映行星輪j故障的劇烈程度；
[0021] 取 fs(t)區(qū) I'E
弓的信號 fs 化，t)，設(shè) gs 化，t)=fs(〇，t)-fs 化， t);若太陽輪發(fā)生故障，則gs化，t)在某一區(qū)間內(nèi)的能量水平(有效值)便會偏高， (tl，t2)區(qū)間在gs化，t)中的位置反映故障在太陽輪上出現(xiàn)的位置，區(qū)間的長度反映 太陽輪故障的范圍，區(qū)間內(nèi)gs化，t)的形式反映太陽輪故障的類型，區(qū)間內(nèi)gs 化，t)有效值的大小反映太陽輪故障的劇烈程度。
[0022] 所述步驟一具體包括W下步驟：
[0023] 1.1、確定內(nèi)齒圈上所需連續(xù)檢測齒的數(shù)量η:設(shè)在行星齒輪箱中，行星輪齒數(shù)、太 陽輪齒數(shù)、內(nèi)齒圈齒數(shù)分別為Zp、Zs、Zr;行星輪數(shù)量為N;rem(w，v)表示W(wǎng)與V相除的余數(shù);i為 正整數(shù)；令
'其中a、c為整數(shù)，b、d為真分?jǐn)?shù)；H = bZp;K = dZs;
(若 rem(b · · ?,2π)=〇,則 anglep(i)=2JT;若 rem(b ·化· ?,2π)辛0， 貝 lJanglep(i)=rem(b?23T.i,23〇)
若 rem(d?23T.i,23〇=0，jjiJ[J 曰11邑163(；0=化；若的111((1?化《1,231)辛0，則日]1邑163(；〇=的111((1?化《1,231));
[0024] 分W下四種情況討論：
[0025] (1)當(dāng)b = 0且d辛0時，則n為Zp和K中的最大值；
[0026] (2)當(dāng)b辛0且d = 0時，則η為Zs和Η中的最大值；
[0027] (3)當(dāng)b = 0且d = 0時，則η為Ζρ和Zs中的最大值；
[002引 （4)當(dāng)b辛0且d辛0時，設(shè)nmax(i)為np(i)和ns(i)中的最大值，當(dāng)i = is時，nmax(i)最 小，貝ljn = nmax(is);
[0029] 1.2、安裝光纖光柵陣列
[0030] 選擇在一根光纖上刻寫有η段光柵的光纖光柵陣列，在每個檢測齒的齒根部位粘 貼一段光纖光柵。
[0031] 所述步驟二具體包括W下步驟：
[0032] 每次行星輪與所有檢測齒完成一次曬合時，光纖光柵陣列檢測到一組齒根應(yīng)變信 號，稱為一個齒根應(yīng)變周期;一個齒根應(yīng)變周期的持續(xù)時間為Ti，相鄰兩個齒根應(yīng)變周期的 時間間隔為T2,每個齒根應(yīng)變周期的起始端標(biāo)記為STA，距離終止端（向前)時間間隔為te處 標(biāo)記為END, te為相鄰兩個齒根應(yīng)變信號重疊部分的時間長度，在W下的構(gòu)建過程中，需要 對齒根應(yīng)變周期進行截取，截取信號的起始端標(biāo)記為STAJ(與STA重合），距離終止端（向前） 時間間隔為te處標(biāo)記為ENDJ，齒根應(yīng)變周期編號為P，選定任一組齒根應(yīng)變周期為構(gòu)建序列 的起點，從該起點開始，P值依次為1，2，3……；
[0033] 2.1、構(gòu)建反映行星輪與檢測齒直接曬合的齒根應(yīng)變序列
[0034] 設(shè)所構(gòu)建的序列針對編號為j (j = 1，2，3......N)的行星輪，若rem(p，N)辛0，則占· =rem(P，N)，若rem(P，N) = 0，則j = N，按照下述方法，共構(gòu)建N組反映不同行星輪和檢測齒 直接曬合的齒根應(yīng)變序列；
[0035] (1)對于齒根應(yīng)變信號獲取方法第一步中的第(1)種情況
[0036] 若n = Zp，將時間間隔為NT2的后一個齒根應(yīng)變周期的STA端平移至前一個齒根應(yīng)變 周期的END端；
[0037] 若η = Κ，首先截取每個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始Ζρ個檢測齒的齒根應(yīng)變信號， 然后將時間間隔為ΝΤ2的后一個截取信號的STAJ端平移至前一個截取信號的ENDJ端；
[0038] (2)對于齒根應(yīng)變信號獲取方法第一步中的第(2)種情況
[0039] 若η = Η，將時間間隔為ΝΤ2的后一個齒根應(yīng)變周期的STA端平移至前一個齒根應(yīng)變 周期的END端；
[0040] 若n = Zs，首先截取每個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始Η個檢測齒的齒根應(yīng)變信號， 然后將時間間隔為ΝΤ2的后一個截取信號的STAJ端平移至前一個截取信號的ENDJ端；
[0041] (3)對于齒根應(yīng)變信號獲取方法第一步中的第(3)種情況
[0042] 若η = Ζρ，將時間間隔為ΝΤ2的后一個齒根應(yīng)變周期的STA端平移至前一個齒根應(yīng)變 周期的END端；
[0043] 若n = Zs，首先截取每個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始Zp個檢測齒的齒根應(yīng)變信號， 然后將時間間隔為NT2的后一個截取信號的STAJ端平移至前一個截取信號的ENDJ端；
[0044] (4)對于齒根應(yīng)變信號獲取方法第一步中的第(4)種情況
[0045] 若n = np(is)，將時間間隔為isNT2的后一個齒根應(yīng)變周期的STA端平移至前一個齒 根應(yīng)變周期的END端；
[0046] 若n = ns(is)，首先截取每個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始np(is)個檢測齒的齒根 應(yīng)變信號，然后將時間間隔為isNT2的后一個截取信號的STAJ端平移至前一個截取信號的 ENDJ端；
[0047] 2.2、構(gòu)建反映太陽輪與檢測齒間接曬合的齒根應(yīng)變序列
[0048] (1)對于齒根應(yīng)變信號獲取方法第一步中的第(1)種情況
[0049] 若n = Zp，首先截取每個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始K個檢測齒的齒根應(yīng)變信號， 然后將時間間隔為NT2的后一個截取信號的STAJ端平移至前一個截取信號的ENDJ端；
[0050] 若η = Κ，將時間間隔為NT2的后一個齒根應(yīng)變周期的STA端平移至前一個齒根應(yīng)變 周期的END端；
[0051] (2)對于齒根應(yīng)變信號獲取方法第一步中的第(2)種情況
[0052] 若n = H，首先截取每個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始Zs個檢測齒的齒根應(yīng)變信號， 然后將時間間隔為NT2的后一個截取信號的STAJ端平移至前一個截取信號的ENDJ端；
[0053] 若n = Zs，將時間間隔為NT2的后一個齒根應(yīng)變周期的STA端平移至前一個齒根應(yīng)變 周期的END端；
[0054] (3)對于齒根應(yīng)變信號獲取方法第一步中的第(3)種情況
[0055] 若n = Zp，首先截取每個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始Zs個檢測齒的齒根應(yīng)變信號， 然后將時間間隔為NT2的后一個截取信號的STAJ端平移至前一個截取信號的ENDJ端；
[0056] 若n = Zs，將時間間隔為NT2的后一個齒根應(yīng)變周期的STA端平移至前一個齒根應(yīng)變 周期的END端；
[0057] (4)對于齒根應(yīng)變信號獲取方法第一步中的第(4)種情況
[0058] 若n = np(is)，首先截取一個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始ns(is)個檢測齒的齒根 應(yīng)變信號，然后將時間間隔為isNT2的后一個截取信號的STAJ端平移至前一個截取信號的 ENDJ端；
[0059] 若n = ns(is)，將時間間隔為isNT2的后一個齒根應(yīng)變周期的STA端平移至前一個齒 根應(yīng)變周期的END端。
[0060] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明至少具有W下有益效果：
[0061] (1)本發(fā)明使用齒根應(yīng)變信號作為行星齒輪箱故障特征載體信號，與傳統(tǒng)的振動 信號相比，該信號受故障的影響更直接，信噪比更高，更能反映行星齒輪箱的健康狀況；
[0062] (2)本發(fā)明利用光纖光柵陣列獲取內(nèi)齒圈的多點齒根應(yīng)變信息，傳感器安裝方便， 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高；
[0063] (3)本發(fā)明根據(jù)行星齒輪箱的參數(shù)優(yōu)化應(yīng)變測點的數(shù)量，可有效降低測試系統(tǒng)成 本，提高本方法的工程應(yīng)用價值；
[0064] (4)本發(fā)明對內(nèi)齒圈齒根應(yīng)變信號進行時間序列構(gòu)建，并從時域和頻域兩個方面 提取行星齒輪箱的故障特征，與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠更加直觀、準(zhǔn)確地獲得行星齒輪箱的故 障位置、故障范圍、故障劇烈程度等信息。
【附圖說明】
[0065] 圖1為本發(fā)明一種光纖獲取行星齒輪箱故障信息的方法框圖；
[0066] 圖2為本發(fā)明光纖光柵陣列在齒根上的粘貼方式示意圖；
[0067] 圖3為本發(fā)明在確定檢測齒數(shù)目時用到的曲線圖；
[0068] 圖4為本發(fā)明光纖光柵陣列測到的齒根應(yīng)變信號示意圖；
[0069] 圖5為本發(fā)明將齒根應(yīng)變信號時間序列轉(zhuǎn)化為連續(xù)時域信號的示意圖；
[0070] 圖6為本發(fā)明行星齒輪箱故障的時域特征提取方法示意圖。
[0071] 附圖中：1、寬帶光源，2、禪合器，3、內(nèi)齒圈，4、行星輪，5、太陽輪，6、光纖光柵陣列， 7、波長解調(diào)部分，8、數(shù)據(jù)采集部分，9、計算機，10、光纖光柵。
【具體實施方式】
[0072] W下結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0073] 如圖1所示，本發(fā)明包括組成行星齒輪箱的內(nèi)齒圈3、行星輪4和太陽輪5,在行星齒 輪箱中，內(nèi)齒圈3固定不動，太陽輪5繞自身中屯、軸線轉(zhuǎn)動，行星輪4除自轉(zhuǎn)外還繞太陽輪公 轉(zhuǎn)，內(nèi)齒圈3的若干連續(xù)輪齒作為檢測齒，光纖光柵陣列6粘貼在內(nèi)齒圈3的齒根部位，寬帶 光源1發(fā)出的光通過光纖a、3地禪合器2和光纖C傳輸?shù)焦饫w光柵陣列6,在光纖光柵陣列6發(fā) 生光反射，反射光通過光纖c、3地禪合器2和光纖b進入波長解調(diào)部分7,解調(diào)完成之后的電 壓信號通過數(shù)據(jù)采集部分8進入計算機9內(nèi)進行數(shù)據(jù)處理，完成齒根應(yīng)變序列構(gòu)建和行星齒 輪箱故障特征提取。
[0074] 光纖光柵陣列部分:為了簡化測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高本發(fā)明的工程應(yīng)用價值，采用光 纖光柵陣列6作為應(yīng)變傳感器，即在一根光纖上刻寫多段光纖光柵10,各光纖光柵10的結(jié)構(gòu) 參數(shù)不同，當(dāng)寬帶光入射到光纖光柵陣列6中時，會在多個波長上形成反射光，反射光的波 長值與光纖光柵的折射率和周期有關(guān)，當(dāng)某個光纖光柵10發(fā)生軸向變形時，其對應(yīng)的反射 波長值會在原始位置附近發(fā)生變化，而波長的偏移量與應(yīng)變量之間為正比關(guān)系，所W通過 檢測光纖光柵陣列6中各段光纖光柵10反射波長值的變化，即可得到測點處的應(yīng)變值，實現(xiàn) 分布式應(yīng)變測量。
[0075] 波長解調(diào)部分:主要包括光電轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)理模塊、電源模塊、驅(qū)動電路模塊、 控制電路模塊W及光學(xué)元器件。該部分的目的是將光纖光柵陣列6的反射波長信號轉(zhuǎn)換為 包含有應(yīng)變信息的電壓信號。
[0076] 數(shù)據(jù)采集部分:通過數(shù)據(jù)采集部分8對波長解調(diào)部分7傳輸過來的電壓信號進行A/ D轉(zhuǎn)換、采集并向計算機9傳輸數(shù)據(jù)。
[0077] 數(shù)據(jù)處理部分:數(shù)據(jù)處理工作在計算機9中完成，通過軟件對數(shù)據(jù)采集部分8得到 的信號進行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示等操作，并完成系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計、控制指令的下達、系統(tǒng)工 作狀態(tài)的監(jiān)測，該部分的主要工作是進行齒根應(yīng)變信號時間序列構(gòu)建和行星齒輪箱故障特 征提取。
[0078] 本發(fā)明的方法包括W下步驟：
[0079] 步驟一、利用光纖光柵陣列獲取齒根應(yīng)變信號
[0080] 選定內(nèi)齒圈3的連續(xù)η個輪齒作為檢測齒，在運η個檢測齒的齒根部位粘貼光纖光 柵10。
[0081 ] 1.1、確定檢測齒的數(shù)量η。設(shè)在行星齒輪箱中，行星輪齒數(shù)、太陽輪齒數(shù)、內(nèi)齒圈齒 數(shù)分別為Zp、Zs、Zr ;行星輪數(shù)量為Ν; rem(w，V)表示W(wǎng)與V相除的余數(shù)；i為正整數(shù)。令
其中a、c為整數(shù)，b、d為真分?jǐn)?shù);H = bZp;K = dZs。分W下四種情況討 論：
[0082] (1)若b = 0且d辛0，則η為Zp和K中的最大值；
[OOW] (2)若b辛0且d = 0,則η為Zs和Η中的最大值；
[0084] (3)若b = 0且d = 0，則η為Ζρ和Zs中的最大值；
[0085] (4)若b辛0且d辛0,首先計算行星輪公轉(zhuǎn)i周時，行星輪、太陽輪上的某一點在各自 的自轉(zhuǎn)方向上相對于初始位置的角位移曰叫16口（；〇和曰叫163(；〇。其中，若'61]1(13?231?1,2 3?) =0,則anglepQ) = 2π，否則anglep(i) =rem(b · · i ,2π);若rem(d · · i ,2π) = 0， 貝lJangles(i) = 2JT，否則angles(i)=rem(d · · i,23T)。然后計算Wi周為檢測周期時，檢 測行星輪所有齒和檢測太陽輪所有齒所需要的檢測齒數(shù)量np(i)和ns(i)。其中，np(i) = anglep(i) · Ζρ/(2π); ns(i)=angles(i) · Zs/(2JT)〇nmax(i)為np(i)和ns(i)中的最大值，設(shè) 當(dāng)i = is時，nmax(i)最小，卯Jn = nmax(is)。
[0086] 對于第(4)種情況，舉例說明如下：
[0087] 設(shè)在某一行星齒輪箱中，Zs = 19，Zp = 31，Zr = 81，N = 4。按照上述方法做出np(i)和 ns(i)的曲線如圖2所示。在圖2中，可W看到，當(dāng)1 = 5時，nmax(i) = 6,為最小值，所W，檢測齒 數(shù)量n = 6。
[0088] 1.2、安裝光纖光柵陣列。如圖3所示，在每個檢測齒的齒根部位粘貼一段光纖光 柵。光纖光柵的長度Wf小于齒寬Wg，光纖光柵的軸向11與內(nèi)齒圈的軸向12平行。
[0089] 步驟二、構(gòu)建齒根應(yīng)變序列
[0090] 如圖4所示，每次行星輪與所有檢測齒完成一次曬合時，光纖光柵陣列會檢測到一 組齒根應(yīng)變信號，該組信號由η個檢測齒的齒根應(yīng)變信號組成，包含有行星輪與檢測齒直接 曬合的信息和太陽輪與檢測齒間接曬合的信息，稱為一個齒根應(yīng)變周期。一個齒根應(yīng)變周 期的持續(xù)時間為Ti，相鄰兩個齒根應(yīng)變周期的時間間隔為Τ2,每個齒根應(yīng)變周期的起始端標(biāo) 記為STA，距離終止端（向前)時間間隔為te處標(biāo)記為END, te為相鄰兩個齒根應(yīng)變信號重疊部 分的時間長度。在W下的構(gòu)建過程中，需要對齒根應(yīng)變周期進行截取，截取信號的起始端標(biāo) 記為STAJ(與STA重合），距離終止端（向前)時間間隔為te處標(biāo)記為ENDJ。齒根應(yīng)變周期編號 為P，選定任一組齒根應(yīng)變周期為構(gòu)建序列的起點，從該起點開始，P值依次為1，2，3……；對 圖4所示信號進行序列構(gòu)建的目的是得到行星輪上連續(xù)的所有輪齒在與檢測齒發(fā)生直接曬 合時或太陽輪上連續(xù)的所有輪齒在與檢測齒發(fā)生間接曬合時，檢測齒的齒根應(yīng)變信號。具 體將得到w下兩類信號：
[0091 ] 2.1、反映行星輪與檢測齒直接曬合的齒根應(yīng)變序列
[0092] 設(shè)所構(gòu)建的序列針對編號為j (j = 1，2，3......N)的行星輪，若rem(p，N)辛0，則占· =rem(P，N)，若rem(P，N) = 0，則j = N。按照下述方法，共構(gòu)建N組反映不同行星輪和檢測齒 直接曬合的齒根應(yīng)變序列。
[0093] (1)對于步驟1.2中的第(1)種情況
[0094] 若n = Zp，將時間間隔為NT2的齒根應(yīng)變周期進行構(gòu)建，即將后一個齒根應(yīng)變周期的 STA端平移至前一個齒根應(yīng)變周期的END端。
[00M]若η = Κ，首先截取每個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始Zp個檢測齒的齒根應(yīng)變信號， 然后將時間間隔為NT2的截取信號進行構(gòu)建，即將后一個截取信號的STAJ端平移至前一個 截取信號的ENDJ端。
[0096] (2)對于步驟1.2中的第(2)種情況
[0097] 若n = H，將時間間隔為NT2的齒根應(yīng)變周期進行構(gòu)建，即將后一個齒根應(yīng)變周期的 STA端平移至前一個齒根應(yīng)變周期的END端。
[0098] 若n = Zs，首先截取每個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始Η個檢測齒的齒根應(yīng)變信號， 然后將時間間隔為ΝΤ2的截取信號進行構(gòu)建，即將后一個截取信號的STAJ端平移至前一個 截取信號的ENDJ端。
[0099] (3)對于步驟1.2中的第(3)種情況
[0100] 若η = Ζρ，將時間間隔為ΝΤ2的齒根應(yīng)變周期進行構(gòu)建，即將后一個齒根應(yīng)變周期的 STA端平移至前一個齒根應(yīng)變周期的END端。
[0101] 若n = Zs，首先截取每個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始Zp個檢測齒的齒根應(yīng)變信號， 然后將時間間隔為NT2的截取信號進行構(gòu)建，即將后一個截取信號的STAJ端平移至前一個 截取信號的ENDJ端。
[0102] (4)對于步驟1.2中的第(4)種情況
[0103] 若n = np(is)，將時間間隔為isNT2的齒根應(yīng)變周期進行構(gòu)建，即將后一個齒根應(yīng)變 周期的STA端平移至前一個齒根應(yīng)變周期的END端。
[0104] 若n = ns(is)，首先截取每個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始np(is)個檢測齒的齒根 應(yīng)變信號，然后將時間間隔為isNT2的截取信號進行構(gòu)建，即將后一個截取信號的STAJ端平 移至前一個截取信號的ENDJ端。
[0105] 2.2、反映太陽輪與檢測齒間接曬合的齒根應(yīng)變序列
[0106] (1)對于步驟1.2中的第(1)種情況
[0107] 若η = Zp，首先截取每個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始K個檢測齒的齒根應(yīng)變信號， 然后將時間間隔為NT2的截取信號進行構(gòu)建，即將后一個截取信號的STAJ端平移至前一個 截取信號的ENDJ端。
[0108] 若η = Κ，將時間間隔為NT2的齒根應(yīng)變周期進行構(gòu)建，即將后一個齒根應(yīng)變周期的 STA端平移至前一個齒根應(yīng)變周期的END端。
[0109] (2)對于步驟1.2中的第(2)種情況
[0110] 若n = H，首先截取每個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始Zs個檢測齒的齒根應(yīng)變信號， 然后將時間間隔為NT2的截取信號進行構(gòu)建，即將后一個截取信號的STAJ端平移至前一個 截取信號的ENDJ端。
[0111] 若n = Zs，將時間間隔為NT2的齒根應(yīng)變周期進行構(gòu)建，即將后一個齒根應(yīng)變周期的 STA端平移至前一個齒根應(yīng)變周期的END端。
[0112] (3)對于步驟1.2中的第(3)種情況
[0113] 若n = Zp，首先截取每個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始Zs個檢測齒的齒根應(yīng)變信號， 然后將時間間隔為NT2的截取信號進行構(gòu)建，即將后一個截取信號的STAJ端平移至前一個 截取信號的ENDJ端。
[0114] 若n = Zs，將時間間隔為NT2的齒根應(yīng)變周期進行構(gòu)建，即將后一個齒根應(yīng)變周期的 STA端平移至前一個齒根應(yīng)變周期的END端。
[0115] (4)對于步驟1.2中的第(4)種情況
[0116] 若n = np(is)，首先截取一個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始ns(is)個檢測齒的齒根 應(yīng)變信號，然后將時間間隔為isNT2的截取信號進行構(gòu)建，即將后一個截取信號的STAJ端平 移至前一個截取信號的ENDJ端。
[0117] 若n = ns(is)，將時間間隔為isNT2的齒根應(yīng)變周期進行構(gòu)建，即將后一個齒根應(yīng)變 周期的STA端平移至前一個齒根應(yīng)變周期的END端。
[0118] 步驟Ξ、基于齒根應(yīng)變序列的行星齒輪箱故障特征的提取
[0119] 按照W上齒根應(yīng)變序列的構(gòu)建方法，構(gòu)建N+1組齒根應(yīng)變序列。在每一組序列中， 將相鄰兩個齒根應(yīng)變信號相加，形成N+1組時域上連續(xù)的齒根應(yīng)變信號，如圖5所示。設(shè)反映 行星輪j和檢測齒直接曬合的齒根應(yīng)變連續(xù)時域信號為fpj(t)，反映太陽輪和檢測齒間接曬 合的齒根應(yīng)變連續(xù)時域信號為fs(t)，行星齒輪箱的曬合頻率為fm。
[0120] 3.1、行星齒輪箱故障的頻域特征提取
[0121] 一個行星輪的所有輪齒與內(nèi)齒圈完成一次曬合所需要的時間為即行星輪的 J m 自轉(zhuǎn)周期為當(dāng)行星輪出現(xiàn)故障時，會出現(xiàn)曬合頻率被故障頻率(即行星輪自轉(zhuǎn)頻率)調(diào) J m 制的現(xiàn)象，所W若在fp^t)的功率譜中，曬合頻率及其諧波附近出現(xiàn)間隔為的邊頻帶，貝U 說明行星輪j出現(xiàn)故障。
[0122] 太陽輪的所有輪齒與內(nèi)齒圈完成一次間接曬合所需要的時間為-f-t--，即太陽輪相對 J m 于行星架的旋轉(zhuǎn)周期為^-，當(dāng)太陽輪出現(xiàn)故障時，會出現(xiàn)曬合頻率被故障頻率（即太陽輪 相對于行星架的旋轉(zhuǎn)頻率)調(diào)制的現(xiàn)象，所W若在fs(t)的功率譜中，曬合頻率及其諧波附 近出現(xiàn)間隔為的邊頻帶，則說明太陽輪出現(xiàn)故障。
[0123] 3.2、行星齒輪箱故障的時域特征提取
[0124] 如圖6所示，取fpj(t)區(qū)間
；k為自然數(shù)）內(nèi)的信號fpj化，t)， fpj化，t)表示在行星輪j所有輪齒與檢測齒完成一次曬合的過程中，檢測齒的齒根應(yīng)變連續(xù) 時域信號，區(qū)間
乏度為行星輪j的一個自轉(zhuǎn)周期，不同的k值代表行 星輪j的不同自轉(zhuǎn)周期。設(shè)gpj化，t)=fpj(0，t)-fpj化，t)，gpj化，t)表示在行星輪j不同自轉(zhuǎn) 周期下，檢測齒齒根應(yīng)變連續(xù)時域信號的差異。當(dāng)gp^k，t)=0時，說明行星輪j在不同自轉(zhuǎn) 周期下，檢測齒齒根應(yīng)變連續(xù)時域信號沒有差異，則行星輪j沒有出現(xiàn)故障，若行星輪j發(fā)生 故障，則gp^k，t化某一區(qū)間內(nèi)的能量水平巧效值)便會偏高。區(qū)間在gpj化， t)中的位置反映故障在行星輪j上出現(xiàn)的位置，區(qū)間的長度反映行星輪j故障的范 圍，區(qū)間內(nèi)gpj化，t)的形式反映行星輪j故障的類型，區(qū)間內(nèi)gpj化，t)有效值 的大小反映行星輪j故障的劇烈程度。
[0125] 如圖6所示，取fs(t)區(qū)間
4的信號fs化，t)，fs化，t)表示在 太陽輪所有輪齒與檢測齒完成一次間接曬合的過程中，檢測齒的齒根應(yīng)變連續(xù)時域信號， 區(qū)間
幻竟為太陽輪相對于行星架的一個旋轉(zhuǎn)周期，不同的k值代表 太陽輪的不同相對旋轉(zhuǎn)周期。設(shè)gs化，t)=fs(0，t)-fs化，t)，gs化，t)表示在太陽輪不同相 對旋轉(zhuǎn)周期下，檢測齒齒根應(yīng)變連續(xù)時域信號的差異。當(dāng)gs化，t)=0時，說明太陽輪在不同 相對旋轉(zhuǎn)周期下，檢測齒齒根應(yīng)變連續(xù)時域信號沒有差異，則太陽輪沒有出現(xiàn)故障，若太陽 輪發(fā)生故障，則gs化，t)在某一區(qū)間內(nèi)的能量水平巧效值)便會偏高。區(qū)間在 gs化，t)中的位置反映故障在太陽輪上出現(xiàn)的位置，區(qū)間的長度反映太陽輪故障的 范圍，區(qū)間內(nèi)gs化，t)的形式反映太陽輪故障的類型，區(qū)間內(nèi)gs化，t)有效值 的大小反映太陽輪故障的劇烈程度。
【主權(quán)項】
1. 行星齒輪箱故障信息獲取系統(tǒng)，其特征在于，包括組成行星齒輪箱的內(nèi)齒圈（3)、行 星輪(4)和太陽輪(5)，其中內(nèi)齒圈（3)固定不動，太陽輪(5)繞自身中心軸線轉(zhuǎn)動，行星輪 (4)除自轉(zhuǎn)外還繞太陽輪公轉(zhuǎn);所述內(nèi)齒圈（3)的若干連續(xù)輪齒作為檢測齒，檢測齒的齒根 部位粘貼有光纖光柵陣列(6)，寬帶光源（1)發(fā)出的光通過光纖a、耦合器(2)和光纖c傳輸?shù)?光纖光柵陣列（6)，在光纖光柵陣列(6)發(fā)生光反射，反射光通過光纖c、耦合器(2)和光纖b 進入波長解調(diào)部分(7)，解調(diào)完成之后的電壓信號通過數(shù)據(jù)采集部分(8)進入計算機(9)進 行數(shù)據(jù)處理，計算機(9)用于完成齒根應(yīng)變序列構(gòu)建和行星齒輪箱故障特征提取。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的行星齒輪箱故障信息獲取系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖光柵陣 列(6)為在一根光纖上刻寫多段光纖光柵(10)，光纖光柵(10)的數(shù)量與檢測齒的數(shù)量相同。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的行星齒輪箱故障信息獲取系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖光柵 (10)的長度小于檢測齒的齒寬，光纖光柵(10)的軸向（11)與內(nèi)齒圈的軸向（12)平行。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的行星齒輪箱故障信息獲取系統(tǒng)，其特征在于，所述波長解調(diào)部 分(7)用于將光纖光柵陣列(6)的反射波長信號轉(zhuǎn)換為包含有應(yīng)變信息的電壓信號，包括光 電轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)理模塊、電源模塊、驅(qū)動電路模塊、控制電路模塊以及光學(xué)元器件。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的行星齒輪箱故障信息獲取系統(tǒng)，其特征在于，所述耦合器(2) 采用3dB耦合器。6. 行星齒輪箱故障信息獲取方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一、選定內(nèi)齒圈的連續(xù)η個輪齒作為檢測齒，并在檢測齒的齒根部位粘貼光纖光柵 陣列，獲取檢測齒的齒根應(yīng)變信號； 步驟二、對步驟一中獲取的齒根應(yīng)變信號進行序列構(gòu)建； 步驟三、對步驟二構(gòu)建出的齒根應(yīng)變序列進行行星齒輪箱故障特征提?。? 在每一組齒根應(yīng)變序列中，將相鄰兩個輪齒的齒根應(yīng)變信號相加，形成Ν+1組時域上連 續(xù)的齒根應(yīng)變信號，設(shè)反映行星輪j和檢測齒直接嚙合的齒根應(yīng)變連續(xù)時域信號為fw(t)， 反映太陽輪和檢測齒間接嚙合的齒根應(yīng)變連續(xù)時域信號為f s(t)，行星齒輪箱的嚙合頻率 為匕，行星輪齒數(shù)、太陽輪齒數(shù)、內(nèi)齒圈齒數(shù)分別為4、1、2^行星輪數(shù)量為13.1提取行星齒輪箱故障的頻域特征 若在f"(t)的功率譜中，嚙合頻率及其諧波附近出現(xiàn)間隔為的邊頻帶，則說明行星 輪j出現(xiàn)故障；若在fs(t)的功率譜中，嚙合頻率及其諧波附近出現(xiàn)間隔為的邊頻帶，則說明太陽輪 出現(xiàn)故障； 3.2提取行星齒輪箱故障的時域特征(k為自然數(shù)）內(nèi)的信號fPJ(k，t)，設(shè)g PJ(k，t)=fPJ (0,〇4"(1^);若行星輪」發(fā)生故障，則如(1^)在某一區(qū)間仏山）內(nèi)的能量水平(有效 值)便會偏高，區(qū)間在g"(k，t)中的位置反映故障在行星輪j上出現(xiàn)的位置， 區(qū)間的長度反映行星輪j故障的范圍，（ti，t2)區(qū)間內(nèi)gw(k，t)的形式反映行星輪j故障的類 型，區(qū)間內(nèi)gw(k，t)有效值的大小反映行星輪j故障的劇烈程度；內(nèi)的信號fs(k，t)，Sgs(k，t)=f s(0，t)-fs(k，t); 若太陽輪發(fā)生故障，則gs(k，t)在某一區(qū)間內(nèi)的能量水平(有效值)便會偏高，⑴山） 區(qū)間在gs(k，t)中的位置反映故障在太陽輪上出現(xiàn)的位置，區(qū)間的長度反映太陽輪 故障的范圍，（tl，t2)區(qū)間內(nèi)g s(k，t)的形式反映太陽輪故障的類型，（tl，t2)區(qū)間內(nèi)gs(k，t) 有效值的大小反映太陽輪故障的劇烈程度。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的行星齒輪箱故障信息獲取方法，其特征在于，步驟一具體包括 以下步驟： 1.1、 確定內(nèi)齒圈上所需連續(xù)檢測齒的數(shù)量η:設(shè)在行星齒輪箱中，行星輪齒數(shù)、太陽輪 齒數(shù)、內(nèi)齒圈齒數(shù)分別為2[)、2 3、2：^行星輪數(shù)量為1^111(￥，￥)表示￥與￥相除的余數(shù);1為正整 數(shù)'其中a、c為整數(shù)，b、d為真分?jǐn)?shù)；H = bZp;K = dZs;(若rem(b · 2π · i，2JT)=〇,則anglep(i)=2JT;若rem(b · 2π · i，2iT)關(guān)〇， 貝 lJanglep(i)=rem(b.23T.i，23〇);-.(若Γθηι((1·2：π·；?，2：π)=〇，]3!| angles( i) = 2π;若rem(d · 2π · i，2π)關(guān)〇，則angles( i) = rem(d · 2π · i，2π)); 分以下四種情況討論： (1) 當(dāng)b = 0且d矣0時，則η為ZjPK中的最大值； (2) 當(dāng)b矣0且d = 0時，則η為Zs和Η中的最大值； (3) 當(dāng)b = 0且d = 0時，則η為ZjPZs中的最大值； (4) 當(dāng)b矣0且d矣0時，設(shè)nmax(i)為nP(i)和ns(i)中的最大值，當(dāng)i = is時，nmax(i)最小，貝丨J Π - Ilmax (is)； 1.2、 安裝光纖光柵陣列 選擇在一根光纖上刻寫有η段光柵的光纖光柵陣列，在每個檢測齒的齒根部位粘貼一 段光纖光柵。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的行星齒輪箱故障信息獲取方法，其特征在于，所述步驟二具體 包括以下步驟： 每次行星輪與所有檢測齒完成一次嚙合時，光纖光柵陣列檢測到一組齒根應(yīng)變信號， 稱為一個齒根應(yīng)變周期;一個齒根應(yīng)變周期的持續(xù)時間為h，相鄰兩個齒根應(yīng)變周期的時 間間隔為T2,每個齒根應(yīng)變周期的起始端標(biāo)記為STA，距離終止端（向前)時間間隔為t e處標(biāo) 記為END，te為相鄰兩個齒根應(yīng)變信號重疊部分的時間長度，在以下的構(gòu)建過程中，需要對 齒根應(yīng)變周期進行截取，截取信號的起始端標(biāo)記為STAJ(與STA重合），距離終止端（向前)時 間間隔為t e處標(biāo)記為ENDJ，齒根應(yīng)變周期編號為p，選定任一組齒根應(yīng)變周期為構(gòu)建序列的 起點，從該起點開始，P值依次為1，2，3……； 2.1，構(gòu)建反映行星輪與檢測齒直接嚙合的齒根應(yīng)變序列 設(shè)所構(gòu)建的序列針對編號為j (j = 1，2，3......N)的行星輪，若rem(p，N)矣0，貝lj j = rem (p，N)，若rem(p，N) = 0，則j = N，按照下述方法，共構(gòu)建N組反映不同行星輪和檢測齒直接嗤 合的齒根應(yīng)變序列； (1) 對于齒根應(yīng)變信號獲取方法第一步中的第(1)種情況 若n = ZP，將時間間隔為NT2的后一個齒根應(yīng)變周期的STA端平移至前一個齒根應(yīng)變周期 的END端； 若n = K，首先截取每個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始ZP個檢測齒的齒根應(yīng)變信號，然后 將時間間隔為NT2的后一個截取信號的STAJ端平移至前一個截取信號的ENDJ端； (2) 對于齒根應(yīng)變信號獲取方法第一步中的第(2)種情況 若n = H，將時間間隔為NT2的后一個齒根應(yīng)變周期的STA端平移至前一個齒根應(yīng)變周期 的END端； 若n = Zs，首先截取每個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始Η個檢測齒的齒根應(yīng)變信號，然后 將時間間隔為ΝΤ2的后一個截取信號的STAJ端平移至前一個截取信號的ENDJ端； (3) 對于齒根應(yīng)變信號獲取方法第一步中的第(3)種情況 若η = ΖΡ，將時間間隔為ΝΤ2的后一個齒根應(yīng)變周期的STA端平移至前一個齒根應(yīng)變周期 的END端； 若n = Zs，首先截取每個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始ZP個檢測齒的齒根應(yīng)變信號，然 后將時間間隔為NT2的后一個截取信號的STAJ端平移至前一個截取信號的ENDJ端； (4) 對于齒根應(yīng)變信號獲取方法第一步中的第(4)種情況 若n = nP(is)，將時間間隔為isNT2的后一個齒根應(yīng)變周期的STA端平移至前一個齒根應(yīng) 變周期的END端； 若n = ns(is)，首先截取每個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始nP(i s)個檢測齒的齒根應(yīng)變信 號，然后將時間間隔為isNT2的后一個截取信號的STAJ端平移至前一個截取信號的ENDJ端； 2.2，構(gòu)建反映太陽輪與檢測齒間接嚙合的齒根應(yīng)變序列 (1) 對于齒根應(yīng)變信號獲取方法第一步中的第(1)種情況 若n = ZP，首先截取每個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始K個檢測齒的齒根應(yīng)變信號，然后 將時間間隔為NT2的后一個截取信號的STAJ端平移至前一個截取信號的ENDJ端； 若n = K，將時間間隔為NT2的后一個齒根應(yīng)變周期的STA端平移至前一個齒根應(yīng)變周期 的END端； (2) 對于齒根應(yīng)變信號獲取方法第一步中的第(2)種情況 若n = H，首先截取每個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始Zs個檢測齒的齒根應(yīng)變信號，然后 將時間間隔為NT2的后一個截取信號的STAJ端平移至前一個截取信號的ENDJ端； 若n = Zs，將時間間隔為NT2的后一個齒根應(yīng)變周期的STA端平移至前一個齒根應(yīng)變周期 的END端； (3) 對于齒根應(yīng)變信號獲取方法第一步中的第(3)種情況 若n = ZP，首先截取每個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始Zs個檢測齒的齒根應(yīng)變信號，然后 將時間間隔為NT2的后一個截取信號的STAJ端平移至前一個截取信號的ENDJ端； 若n = Zs，將時間間隔為NT2的后一個齒根應(yīng)變周期的STA端平移至前一個齒根應(yīng)變周期 的END端； (4) 對于齒根應(yīng)變信號獲取方法第一步中的第(4)種情況 若n = nP(is)，首先截取一個齒根應(yīng)變周期中從STA端開始ns(i s)個檢測齒的齒根應(yīng)變信 號，然后將時間間隔為isNT2的后一個截取信號的STAJ端平移至前一個截取信號的ENDJ端； 若n = ns(is)，將時間間隔為isNT2的后一個齒根應(yīng)變周期的STA端平移至前一個齒根應(yīng) 變周期的END端。
【文檔編號】G01M13/02GK105823632SQ201610019138
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年1月12日
【發(fā)明人】張小棟, 牛杭, 趙欣丹, 郭琦
【申請人】西安交通大學(xué)