專利名稱：一種用于變轉(zhuǎn)速齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域同步平均方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種振動(dòng)信號(hào)時(shí)域同步平均方法，尤其是一種用于變轉(zhuǎn)速齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域同步平均方法。
背景技術(shù)：
作為機(jī)械設(shè)備中必不可少的變速和傳動(dòng)部件，齒輪箱傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)加速減速、改變傳動(dòng)方向、改變轉(zhuǎn)動(dòng)力矩、離合以及分 配動(dòng)力等功能，目前被廣泛地應(yīng)用于金屬切削機(jī)床、航空工業(yè)、軍工業(yè)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械等關(guān)鍵設(shè)備中。齒輪箱設(shè)備的安全運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)機(jī)組和生產(chǎn)的安全。為了提高設(shè)備運(yùn)行可靠性以及防止事故發(fā)生就必須對(duì)齒輪箱進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。齒輪箱故障診斷的核心是對(duì)其進(jìn)行故障特征的提取，它直接關(guān)系到故障診斷的準(zhǔn)確性和故障預(yù)報(bào)的可靠性。據(jù)相關(guān)資料分析認(rèn)為，目前常用的齒輪監(jiān)測診斷方法大都是針對(duì)恒轉(zhuǎn)速狀態(tài)進(jìn)行的，而實(shí)際中變轉(zhuǎn)速齒輪箱例如風(fēng)力發(fā)電、機(jī)床、汽車、直升機(jī)等的齒輪箱均工作在變轉(zhuǎn)速工況下。這就使得常用的齒輪監(jiān)測診斷方法例如時(shí)域平均、頻譜分析等在分析變轉(zhuǎn)速齒輪振動(dòng)信號(hào)時(shí)失效。因此進(jìn)行變轉(zhuǎn)速齒輪箱的故障特征提取方法的研究對(duì)具有十分重要的意義。常用的時(shí)域平均方法可有效消除或衰減復(fù)雜周期信號(hào)中的隨機(jī)干擾和噪聲信號(hào)，提取與轉(zhuǎn)頻相關(guān)的周期信號(hào)，是目前最為有效的齒輪振動(dòng)信號(hào)處理方法，得到了廣泛的應(yīng)用。然而，在變轉(zhuǎn)速情況下由于常規(guī)的等時(shí)間間隔方式采集到的信號(hào)在齒輪一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)不同，違背了時(shí)域平均各個(gè)周期中采樣點(diǎn)數(shù)一致的原則，使得時(shí)域平均在變轉(zhuǎn)速的條件下難以實(shí)現(xiàn)。另外，常規(guī)的時(shí)域平均是基于時(shí)標(biāo)信號(hào)進(jìn)行分析的，而實(shí)際中很多的齒輪箱由于機(jī)器本身原因或者現(xiàn)場環(huán)境導(dǎo)致無法安裝時(shí)標(biāo)信號(hào)傳感器，同樣使時(shí)域平均的應(yīng)用受到限制。為了從變轉(zhuǎn)速齒輪箱復(fù)雜振動(dòng)信號(hào)中有效地提取有用的振動(dòng)信息，本方法將短時(shí)傅里葉變換、時(shí)頻濾波、Hi Ibert變換、等角度重采樣技術(shù)和時(shí)域平均方法有效結(jié)合起來，對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了合理的濾波與重采樣，完成變轉(zhuǎn)速信號(hào)向恒轉(zhuǎn)速信號(hào)的轉(zhuǎn)變，消除了由于變轉(zhuǎn)速帶來的頻譜的“拖拉”混疊現(xiàn)象，最終通過時(shí)域平均有效地降低了振動(dòng)噪聲。通過實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果證實(shí)了該方法的準(zhǔn)確性，也為變轉(zhuǎn)速齒輪箱振動(dòng)信號(hào)處理提供了方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種用于變轉(zhuǎn)速齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域同步平均方法，該方法基于短時(shí)傅里葉變換、時(shí)頻濾波、Hilbert變換、等角度重采樣以及時(shí)域平均等理論，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變轉(zhuǎn)速運(yùn)行齒輪箱原始振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻濾波、重采樣以及時(shí)域平均。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的這種用于變轉(zhuǎn)速齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域同步平均方法，包括以下步驟
I)針對(duì)等時(shí)間間隔采樣的原始振動(dòng)信號(hào)，通過對(duì)時(shí)頻圖上與轉(zhuǎn)速相關(guān)頻率曲線的自動(dòng)搜索獲取信號(hào)的短時(shí)平均轉(zhuǎn)速曲線；2)根據(jù)已經(jīng)得到的短時(shí)平均轉(zhuǎn)速曲線，在時(shí)頻域進(jìn)行信號(hào)濾波得到所選的與轉(zhuǎn)速相關(guān)頻率分量的時(shí)域信號(hào)；3)通過對(duì)步驟2)中得到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換提取信號(hào)展開的相位變化曲線；
4)按照展開的相位變化曲線對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行等角度重采樣，得到原始振動(dòng)信號(hào)的等角度重采樣信號(hào)；5)對(duì)等角度重采樣原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域同步平均。上述步驟I)中，在齒輪箱上安裝振動(dòng)傳感器，按照等時(shí)間間隔采樣方法獲取其原始振動(dòng)信號(hào)Xo(t)。采用基于短時(shí)傅里葉變換的時(shí)頻域?yàn)V波方法，對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)Xtl (t)進(jìn)行SFFT變換，得到一個(gè)時(shí)頻圖矩陣S ;在時(shí)頻圖上的嚙合頻率或轉(zhuǎn)動(dòng)頻率等域轉(zhuǎn)速相關(guān)的曲線上選擇搜索種子基點(diǎn)，并搜索相應(yīng)頻率分量的頻率短時(shí)平均變化曲線；根據(jù)短時(shí)平均變化曲線制定時(shí)頻濾波器的濾波矩陣F，并進(jìn)行時(shí)頻濾波得到與轉(zhuǎn)速相關(guān)頻率分量對(duì)應(yīng)的單頻信號(hào)X (t);短時(shí)傅里葉變換SFFT及其逆變換的表達(dá)式依次為STFTx{jJ)= [x(tmn雄 dt(i)
I/*+co 產(chǎn)+COχ(τ)=——STFTx (t, ω)Η{τ - t)eJCDTω⑵
^ ' — CO J-CO、,將濾波后的單頻信號(hào)x(t)通過Hilbert變換進(jìn)行重構(gòu)處理，得到信號(hào)y (t)，構(gòu)造解析函數(shù)Z (t),滿足z (t) =x(t)+jy(t) = a(t) eji>(t)(3)通過上述步驟依次得到幅值和相位函數(shù)隨時(shí)間的變化表達(dá)式a{t) = ^(O2 +XO2(4)Φ( ) = arctan^^-
x{t)(5)對(duì)相位函數(shù)進(jìn)行展開，得到展開后的相位變化曲線。將以上相位變化曲線按計(jì)算需要相位間隔進(jìn)行等相位間隔劃分，以等分相位與相位變化曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系獲得與等相位間隔劃分對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列，按照此時(shí)間序列對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)Xtl (t)進(jìn)行重采樣，得到等角度重采樣的原始振動(dòng)信號(hào)m(t)。將等角度重采樣的原始振動(dòng)信號(hào)m(t)，按固定的周期長度進(jìn)行時(shí)域平均，得到變轉(zhuǎn)速齒輪箱振動(dòng)的時(shí)域波形信號(hào) n(t)。本發(fā)明具備以下有益效果本發(fā)明基于短時(shí)傅里葉變換、時(shí)頻濾波、Hilbert變換、等角度重采樣以及時(shí)域平均等理論，通過實(shí)驗(yàn)分析表明，通過瞬時(shí)轉(zhuǎn)速估計(jì)、信號(hào)等角度間隔重采樣和時(shí)域平均，能夠有效消除轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響，實(shí)現(xiàn)大范圍變速齒輪的無時(shí)標(biāo)信號(hào)時(shí)域平均。并且本發(fā)明的方法不僅實(shí)現(xiàn)了變轉(zhuǎn)速齒輪振動(dòng)信號(hào)的無時(shí)標(biāo)時(shí)域平均，而且有效地提高了原始信號(hào)的信噪比，為齒輪狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供了依據(jù)。同時(shí)，該方法得到的等角度重采樣振動(dòng)信號(hào)也為后續(xù)的頻譜分析等創(chuàng)造了條件。


圖I時(shí)頻濾波流程圖；圖2時(shí)頻濾波過程；圖3搜索與轉(zhuǎn)速相關(guān)頻率分量變化曲線；圖4時(shí)頻濾波矩陣F及濾波效果圖；圖5時(shí)頻濾波輸出信號(hào)圖；圖6變轉(zhuǎn)速齒輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖；圖7實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)域波形及時(shí)頻波形圖；圖8實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)頻圖和時(shí)頻濾波波形；圖9轉(zhuǎn)速相關(guān)分量的相位展開曲線圖；圖10等角度重采樣原理圖；圖11重采樣前后振動(dòng)信號(hào)比較圖(局部放大)；圖12重采樣前后原始振動(dòng)信號(hào)頻譜對(duì)比；圖13時(shí)域平均后的輸入軸齒輪的時(shí)域圖及幅值譜圖；圖14時(shí)域平均后的中間軸齒輪的時(shí)域圖及幅值譜圖；圖15時(shí)域平均后的輸出軸齒輪的時(shí)域圖及幅值譜圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明用于變轉(zhuǎn)速齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域同步平均方法的步驟概括為1)針對(duì)等時(shí)間間隔采樣的振動(dòng)信號(hào)，通過對(duì)時(shí)頻圖上與轉(zhuǎn)速相關(guān)頻率曲線的自動(dòng)搜索獲取信號(hào)的短時(shí)平均轉(zhuǎn)速曲線；2)根據(jù)已經(jīng)得到的短時(shí)平均轉(zhuǎn)速曲線，在時(shí)頻域進(jìn)行信號(hào)濾波得到所選的與轉(zhuǎn)速相關(guān)頻率分量的時(shí)域信號(hào)；3)通過對(duì)步驟2)中得到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換提取信號(hào)展開的相位變化曲線；4)按照展開的相位變化曲線對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行等角度重采樣，得到原始振動(dòng)信號(hào)的等角度重采樣信號(hào)；5)對(duì)等角度重采樣原始振動(dòng)進(jìn)行時(shí)域同步平均。具體來講有以下幾個(gè)步驟A.根據(jù)齒輪箱自身對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析要求，在齒輪箱特定位置安裝振動(dòng)傳感器，按照等時(shí)間間隔采樣方法獲取其原始振動(dòng)信號(hào)Xtl(t)。B.采用基于短時(shí)傅里葉變換(SFFT)的時(shí)頻域?yàn)V波方法，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行SFFT變換，得到一個(gè)時(shí)頻圖矩陣S。在時(shí)頻圖上的某階嚙合頻率或轉(zhuǎn)動(dòng)頻率等與轉(zhuǎn)速相關(guān)的曲線上選擇搜索種子點(diǎn)，并自動(dòng)搜索相應(yīng)頻率分量的頻率短時(shí)平均變化曲線。根據(jù)短時(shí)平均變化曲線設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)頻濾波器的濾波矩陣F，并進(jìn)行時(shí)頻濾波得到與轉(zhuǎn)速相關(guān)頻率分量對(duì)應(yīng)的單頻信號(hào)X (t)。短時(shí)傅里葉變換SFFT及其逆變換的表達(dá)式依次為STFTx (τ, /) = Γχ( )Η* (t -( I )
J—cox(r) = —?！窼TFTx ( ,ω)Η(τ - t)e_dtda( 2 )
2_7Γ J-00C.將濾波后的單頻信號(hào)x(t)通過Hilbert變換得到信號(hào)y(t)，構(gòu)造解析函數(shù)z (t)
z (t) = X (t) +jy (t) = a(t) eji>(t)(3)D.通過步驟3便可依次得到幅值和相位函數(shù)隨時(shí)間的變化表達(dá)式
權(quán)利要求
1.一種用于變轉(zhuǎn)速齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域同步平均方法，其特征在于，包括以下步驟 1)針對(duì)等時(shí)間間隔采樣的原始振動(dòng)信號(hào)，通過對(duì)時(shí)頻圖上與轉(zhuǎn)速相關(guān)頻率曲線的自動(dòng)搜索獲取信號(hào)的短時(shí)平均轉(zhuǎn)速曲線； 2)根據(jù)已經(jīng)得到的短時(shí)平均轉(zhuǎn)速曲線，在時(shí)頻域進(jìn)行信號(hào)濾波得到所選的與轉(zhuǎn)速相關(guān)頻率分量的時(shí)域信號(hào)； 3)通過對(duì)步驟2)中得到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換提取信號(hào)展開的相位變化曲線. 4)按照展開的相位變化曲線對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行等角度重采樣，得到原始振動(dòng)信號(hào)的等角度重采樣信號(hào)； 5)對(duì)等角度重采樣原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域同步平均。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于變轉(zhuǎn)速齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域同步平均方法，其特征在于，步驟I)中，在齒輪箱上安裝振動(dòng)傳感器，按照等時(shí)間間隔采樣方法獲取其原始振動(dòng)信號(hào) x0(t)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于變轉(zhuǎn)速齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域同步平均方法，其特征在于，采用基于短時(shí)傅里葉變換的時(shí)頻域?yàn)V波方法，對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)Xtl (t)進(jìn)行SFFT變換，得到一個(gè)時(shí)頻圖矩陣S ;在時(shí)頻圖上與轉(zhuǎn)速相關(guān)的曲線上選擇搜索種子基點(diǎn)，并搜索相應(yīng)頻率分量的頻率短時(shí)平均變化曲線；根據(jù)短時(shí)平均變化曲線制定時(shí)頻濾波器的濾波矩陣F，并進(jìn)行時(shí)頻濾波得到與轉(zhuǎn)速相關(guān)頻率分量對(duì)應(yīng)的單頻信號(hào)x(t);短時(shí)傅里葉變換SFFT及其逆變換的表達(dá)式依次為
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于變轉(zhuǎn)速齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域同步平均方法，其特征在于，將相位變化曲線按計(jì)算需要相位間隔進(jìn)行等相位間隔劃分，以等分相位與相位變化曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系獲得與等相位間隔劃分對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列，按照此時(shí)間序列對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)X0(t)進(jìn)行重采樣，得到等角度重采樣的原始振動(dòng)信號(hào)m(t)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于變轉(zhuǎn)速齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域同步平均方法，其特征在于，將等角度重采樣的原始振動(dòng)信號(hào)m(t)，按固定的周期長度進(jìn)行時(shí)域平均，得到變轉(zhuǎn)速齒輪箱振動(dòng)的時(shí)域波形信號(hào)n(t) 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于變轉(zhuǎn)速齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域同步平均方法，包括1)按照常規(guī)的等時(shí)間間隔方式采集獲取變轉(zhuǎn)速齒輪箱的原始振動(dòng)信號(hào)；2)通過短時(shí)傅里葉變換和時(shí)頻濾波方法獲取與變化轉(zhuǎn)速相關(guān)的單頻信號(hào)；3)通過Hilbert變換得到其單頻信號(hào)的展開相位隨時(shí)間變化曲線；4)對(duì)原始的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行等角度重采樣，完成變轉(zhuǎn)速振動(dòng)信號(hào)向恒轉(zhuǎn)速振動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)變；5)借助傳統(tǒng)的時(shí)域平均方法得到平均信號(hào)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了變轉(zhuǎn)速齒輪振動(dòng)信號(hào)的無時(shí)標(biāo)時(shí)域平均，有效地提高了原始信號(hào)的信噪比，為齒輪狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供了依據(jù)。同時(shí)，該方法得到的等角度重采樣振動(dòng)信號(hào)也為后續(xù)的頻譜分析等創(chuàng)造了條件。
文檔編號(hào)G01M13/02GK102636347SQ20121012307
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月24日
發(fā)明者吳婷婷, 張西寧, 徐進(jìn)杰, 李兵 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)