一种齿轮单齿裂纹断齿故障识别诊断方法

摘要

一种齿轮单齿裂纹断齿故障识别诊断方法，使用检测故障冲击的传感器和与之连接的相应检测仪器，在齿轮运转过程中采集冲击经过相应检测仪器的共振解调变换得到的共振解调数据；通过频域分析识别单齿故障，再对根据相应检测仪器决策输出的故障级差A

说明书

技术领域

本发明属于旋转机械状态监测与故障诊断领域，特别涉及一种齿轮单齿裂纹断齿故障识别诊断方法。

背景技术

齿轮是旋转机械设备中传递动力的重要零件，齿轮传动具有平稳、可靠、高效等特点，通常以齿轮箱的形式运用于众多机械设备中，例如交通、石油、化工、船舶、冶金、航天等领域。齿轮在运用过程中以循环往复的运动来传递扭矩，并且在大型机械设备中大都工作在重载、冲击、变载荷等复杂工况条件下，因此较容易发生故障。有统计显示在齿轮传动系统中80％的故障是由齿轮引起的，旋转机械中齿轮故障占其故障的10％左右。齿轮典型的失效形式有点蚀、胶合、磨损、裂纹、断齿，而对于齿轮单齿故障类型主要是指直齿结构齿轮单齿裂纹或单齿断齿故障，此类故障危害较大，齿根裂纹故障在齿轮驱动扭矩力作用下易引发齿轮断齿，而断齿落在齿轮箱内或拤入齿间会造成次生伤害，同时断齿的齿轮破坏了设计之初的齿轮间连续啮合状态，使得缺齿位置邻近的齿啮合情况恶化，极易造成轮齿疲劳而再度引发裂纹甚至断齿故障。因此为避免因齿轮单齿故障而造成机械设备事故的扩大化，针对齿轮单齿裂纹断齿的故障诊断与故障机理研究对保证机械设备的稳定安全运行具有重要意义。

对于齿轮的故障诊断特别是实时在线诊断，采用振动信息检测与诊断是获取齿轮故障特征的传统方法。传统的振动信号分析处理方法，在快速傅立叶变换的基础上，针对齿轮运转过程中信号非线性、非平稳的特点，发展了诸如短时傅里叶变换、小波分析、经验模式分解方法(EMD,EmpiricalModeDecomposition)等时频分析方法。这些方法对于处理的齿轮振动信号都存在一定的缺点和不足，如小波分析在选择合适的小波基函数时面临的难题；EMD方法存在的端点效应、负频率等问题。特别在是工程运用实践中，这些方法得到的表征故障的特征参量与科学指导维修尚存在较大的距离。

因此，对齿轮单齿裂纹断齿等故障形式进行诊断技术与方法的研究，通过建立可行的状态监测方法与故障识别诊断方法，准确对齿轮单齿裂纹断齿故障进行定性与定量识别诊断，及时给出预报警，以提高机械设备运行的可靠性与安全性，指导维修体制向视情维修体制的进步具有重要的理论价值和工程应用价值。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种齿轮单齿裂纹断齿故障识别诊断方法，以故障冲击信息为特征参量，通过定性诊断与定量计算，实现齿轮单齿裂纹断齿故障的预报警输出。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种齿轮单齿裂纹断齿故障识别诊断方法，使用检测故障冲击的传感器和与之连接的相应检测仪器，在齿轮运转过程中采集冲击经过相应检测仪器的共振解调变换得到的共振解调数据；其特征在于，通过频域分析识别单齿故障，再对根据相应检测仪器上的配套软件决策输出的故障级差A_dBC进行级差补偿修正，具体按下述步骤实现：

步骤1，在所需诊断的齿轮运转整数N周的过程中，采集冲击经相应检测仪器的共振解调变换得到的共振解调数据Si；

步骤2，对步骤1的共振解调数据Si进行快速傅里叶变换，得到相应的冲击频谱数据Fi；

步骤3，根据检测对象的齿轮传动比参数，通过相应检测仪器上的配套软件计算所得齿轮的故障特征谱号P1；从步骤2得到的冲击频谱数据Fi中搜索齿轮1到M阶故障特征谱线P1、P2＝2*P1、P3＝3*P1……PM＝M*P1，并获取1到M阶故障特征谱中最大的幅值Pmax；M为大于或等于10的整数，经验值为20；

步骤4，统计步骤3得到的1到M阶故障特征谱中幅值大于等于0.5Pmax的个数n；若n≥INT(0.4M)，则定性诊断为存在齿轮单齿裂纹断齿故障，并根据1到M阶故障特征谱的幅度通过相应检测仪器上的配套软件决策输出故障原始级差A_dBC；

步骤5，将步骤4定性判断为存在齿轮单齿裂纹断齿故障对应得到的原始级差A_dBC进行补偿修正得到补偿极差A_dB，并与预设的冲击预报警门限值进行比较，得到识别诊断结果。

所述步骤1中，共振解调数据Si的采集，采用转速跟踪采样技术，对所需诊断的齿轮采样，齿轮运转整数N≥10周、每周采样点数为齿数的3倍以上构成一个共振解调数据Si的样本。

所述步骤5中，对原始级差A_dBC进行补偿修正获得补偿极差A_dB的公式为：

所述步骤5中，与预设的冲击预报警门限值进行比较时，所述对于补偿修正后极差A_dB大于等于冲击预报警门限值即限制标准者发出相应报警；预警标准为54dB，一级报警标准为60dB，二级报警标准为66dB。

所述相应检测仪器为现有装置(如北京唐智科技发展有限公司生产的机车走行部车载监测装置,机车走行部车载监测装置上的配套软件为已有软件。)。

本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：

(1)能从繁杂、强大的噪声背景信号中准确识别齿轮发生单齿裂纹或断齿故障类型，识别诊断准确率高，有效避免齿轮单齿故障的扩展与扩大化造成的后果；

(2)经补偿修正后的识别诊断结果与实际故障的严重程度对应较好，对科学维修决策的制订有较大贡献。

附图说明

图1是大齿轮断齿故障冲击特征示意图；

图2是小齿轮裂纹识别诊断结果未补偿修正示意图；

图3是小齿轮裂纹识别诊断结果经补偿修正后示意图。

具体实施方式

下面结合附图和本发明在机车走行部齿轮箱故障检测上的具体实施方法进行详细的描述。

在机车走行部齿轮箱的齿轮啮合时，若出现齿轮单齿裂纹、断齿故障，则该冲击过程表现为时间短暂且冲击强度大的特征；经共振解调之后，则呈现出冲击簇窄细，但冲击幅值大的特征。同时该类冲击信息按照齿轮所在轴的旋转频率周期性出现，经傅里叶变换之后，频谱表现为以故障齿轮轴转频为1阶频，并出现大量规则衰减的高阶谱，如附图1所示。根据帕赛瓦尔能量守恒定理，当齿轮故障频谱出现大量高阶谱时，其故障冲击信号能量被分散，如果仅用齿轮1阶谱的幅度检测值计算所得来表征故障冲击幅度，则不能有效的定量故障强度，从而不能及时给出预报警信息来科学指导视情维修，也将对机车的运用造成安全隐患。

一种齿轮单齿裂纹断齿故障识别诊断方法所编制的软件之具体的识别诊断方法包括以下步骤：

步骤1，在机车走行部齿轮箱上安装复合传感器连接到安装在车内的检测仪器，所述复合传感器和检测仪器能检测齿轮故障冲击，并在机车运行过程中在线采集冲击数据；其中冲击检测分别采用专利《一种改善低频特性的振动冲击复合传感器》(CN201210558707.5)、《一种检测振动冲击的广义共振复合传感器》(CN200810200735.3)以及《一种机械故障冲击的共振解调检测方法》(CN200910056925.7)所述方法；冲击数据采集采用专利《变速机械故障诊断的转速跟踪采样及谱号固化分析方法》(CN201010169783.8)的转速跟踪采样技术，以机车车辆走行部轮对旋转一圈采集200点以上，并且轮对旋转10圈以上为一个样本周期，样本长度至少为2048，以满足采样齿轮运转周数N≥10周、每周采样点数为齿数的3倍以上。根据上述方法在相应检测仪器上编制配套软件，进行数据采集，得到采集的冲击共振解调数据Si，如附图1至附图3。

步骤2，对步骤1的共振解调数据Si进行快速傅里叶变换，得到相应的冲击频谱数据Fi，如附图3；

步骤3，根据机车走行部齿轮传动比参数通过相应检测仪器上的配套软件计算得到大、小齿轮的故障特征谱号，本例具体为大齿轮特征谱号P1＝10，从步骤2得到的冲击频谱数据Fi中搜索齿轮1到M阶故障特征谱线P1、P2＝2*P1、P3＝3*P1……PM＝M*P1，并获取1到M阶故障特征谱中最大的幅值Pmax；M为大于或等于10的整数，本例取M＝20；

步骤4，统计步骤3得到的1到M阶故障特征谱中幅值大于等于0.5Pmax的个数n；若n≥INT(0.4M)，本例统计得到的n＝8，满足大于等于INT(0.4M)＝8，则定性诊断为存在齿轮单齿裂纹断齿故障；并用相应检测仪器上的配套软件计算根据1到M阶故障特征谱的幅度决策输出故障原始级差A_dBC＝37dB；如附图3。

步骤5，将步骤4定性判断为存在齿轮单齿裂纹断齿故障对应得到的原始级差A_dBC进行补偿修正得到补偿极差A_dB，并与预设的冲击预报警门限值进行比较，得到识别诊断结果。

所述步骤1中，冲击共振解调数据Si的采集，采用转速跟踪采样技术，对所需诊断的齿轮采样，齿轮运转整数N≥10周、每周采样点数为齿数的3倍以上构成一个共振解调数据Si的样本。

所述步骤4对原始级差A_dBC进行补偿修正获得补偿极差A_dB的公式为：

由于M＝20,n＝8，A_dBC＝37，

所以A_dB＝A_dBC+n/M*(100-A_dBC)＝37+8/20*(100-37)＝62.2。

所述步骤5中，与预设的冲击预报警门限值进行比较时，对于补偿修正后极差A_dB大于等于冲击预报警门限值即限制标准者发出相应报警；预警标准为54dB，一级报警标准为60dB，二级报警标准为66dB。

在本实施例中如仅用计算所得的原始级差A_dBC值进行报警级别判断，计算结果仅37dB(如附图2所示)，未达到齿轮预警级别，与故障实际情况相比不具备合理性。而根据上述所编制的软件应用dB值补偿修正方案，计算得到的诊断A_dB值达到62dB(如附图3所示)，达到齿轮一级报警级别，从而提示用户进行维修，取得了科学、合理指导维修的效果。