一种行星齿轮或太阳轮齿根裂纹故障特征的检测方法

摘要

本发明涉及一种行星齿轮或太阳轮齿根裂纹故障特征的检测方法，属于故障诊断技术与信号处理分析技术领域。本发明通过加窗振动分离、同步平均和窄带解调相结合，能够根据观察相位解调和幅值解调结果是否在相同角度位置发生周期性的突变，确定行星齿轮或太阳轮是否发生齿根裂纹故障，实现对行星齿轮箱行星齿轮和太阳轮齿根裂纹故障进行检测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种行星齿轮或太阳轮齿根裂纹故障特征的检测方法，属于故障诊断技术与信号处理分析技术领域。

背景技术

行星齿轮箱广泛应用于各种旋转机械以及大型工程机械的机械传动系统中。行星齿轮箱经常工作在低速重载的恶劣环境下，齿轮很容易发生剥落，裂纹，甚至断齿故障。行星齿轮箱一旦发生故障就会使机械产品停止工作甚至整体跟换，将引起巨大的经济损失。

行星齿轮箱内部结构比定轴齿轮箱更为复杂，一般由太阳轮、行星齿轮、齿圈和行星架组成。行星齿轮箱在传动时通常齿圈固定不动，太阳轮进行自转，行星齿轮既进行自转也绕着太阳轮公转，并与太阳轮和齿圈同时啮合。振动传感器通常固定安装在行星齿轮箱箱体月齿圈正上方，由于行星齿轮绕太阳轮的行星运动，行星齿轮、太阳轮产生的啮合振动从啮合点到振动传感器的传递路径是时变的(如图2所示)。此外，行星齿轮箱中还存在多个行星齿轮，每个行星齿轮同时与齿圈和太阳轮啮合，这使振动传感器拾取的行星齿轮箱的振动信号较为复杂。由于振动信号的时变传递路径和其它啮合振动的影响，这导致拾取的振动信号存在复杂的频率调制和幅值调制，这些都使行星齿轮和太阳轮齿根裂纹故障特征的提取和检测存在困难，而现有的定轴齿轮箱故障诊断方法并不能有效的检测行星齿轮箱故障。

发明内容

本发明提供了一种行星齿轮或太阳轮齿根裂纹故障特征的检测方法，以用于对行星齿轮/太阳轮齿根裂纹故障特征进行检测。

本发明的技术方案是：一种行星齿轮或太阳轮齿根裂纹故障特征的检测方法，所述方法步骤如下：

S1、根据行星齿轮箱传动比将太阳轮输入轴键相脉冲信号转换为行星架输出轴键相脉冲信号，选用行星架输出轴键相脉冲信号作为参考信号对行星齿轮齿根裂纹故障或太阳轮齿根裂纹故障的原始振动信号进行等角度重采样，得到等角度重采样振动信号；

S2、计算等角度重采样振动信号的峰峰值，峰峰值最大处即齿轮啮合时离振动传感器最近的啮合点的位置，并把这个峰峰值最大的啮合点定义为第一齿的位置；根据啮合齿序计算公式计算出行星齿轮/太阳轮的啮合齿序；

S3、采用M齿宽的Tukey窗对等角度重采样振动信号在第一齿位置处进行加窗截取；根据行星架输出轴键相脉冲信号进行时标计算确认行星架每旋转一圈的时标位置，然后以此时标位置每当行星架旋转一圈，用M齿宽的Tukey窗对等角度重采样振动信号在相应时标位置处进行加窗截取，以得到多个M齿宽的振动信号；

S4、对步骤S3获取的每个M齿宽的振动信号分别划分为M个单齿宽的振动信号，再分别将分离出的相应加窗位置处的单齿宽的振动信号根据啮合齿序重新进行拼接，构造出M组关于单个行星齿轮/太阳轮的人造振动信号；

S5、选取行星齿轮转轴/太阳轮转轴为参考轴，分别对重构的M组人造振动信号进行角域同步平均，计算平均后每组信号的峰峰值，选取峰峰值最大的一组人造振动信号进行窄带解调分析对行星齿轮和太阳轮齿根裂纹故障特征进行提取；通过幅值解调图和相位解调图周期性的突变对行星齿轮和太阳轮齿根裂纹故障进行检测。

所述啮合齿序p_nf计算公式：

p_nf＝mod(nN_a,N_f)+1

式中，mod表示求余，n为行星架旋转的圈数，N_a和N_f分别表示齿圈齿数和故障齿齿数，故障齿轮为行星齿轮或者太阳轮。

本发明的有益效果是：本发明通过加窗振动分离、同步平均和窄带解调相结合，能够根据观察相位解调和幅值解调结果是否在相同角度位置发生周期性的突变，确定行星齿轮或太阳轮是否发生齿根裂纹故障，实现对行星齿轮箱行星齿轮和太阳轮齿根裂纹故障进行检测。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明中行星齿轮箱齿轮啮合振动时变传递路径示意图；

图3为本发明中分离出的五齿宽的振动信号；

图4为本发明中重构人造振动信号示意图；

图5为本发明中行星齿轮故障原始振动信号；

图6为本发明中行星齿轮故障对应的键相脉冲信号；

图7为本发明中行星齿轮故障对应的转速曲线；

图8为本发明中行星齿轮故障对应的振动分离重构人造振动信号；

图9为本发明中行星齿轮故障对应的同步平均人造振动信号；

图10为本发明中行星齿轮故障对应的带通滤波图；

图11为本发明中行星齿轮故障对应的幅值解调图；

图12为本发明中行星齿轮故障对应的相位解调图；

图13为本发明中太阳轮故障原始振动信号；

图14为本发明中太阳轮故障对应的键相脉冲信号；

图15为本发明中太阳轮故障对应的转速曲线；

图16为本发明中太阳轮故障对应的振动分离重构人造振动信号；

图17为本发明中太阳轮故障对应的同步平均人造振动信号；

图18为本发明中太阳轮轮故障对应的带通滤波图；

图19为本发明中太阳轮轮故障对应的幅值解调图；

图20为本发明中太阳轮轮故障对应的相位解调图。

具体实施方式

实施例1：如图1-20所示，一种行星齿轮或太阳轮齿根裂纹故障特征的检测方法，所述方法步骤如下：

S1、根据行星齿轮箱传动比将太阳轮输入轴键相脉冲信号转换为行星架输出轴键相脉冲信号，选用行星架输出轴键相脉冲信号作为参考信号对行星齿轮齿根裂纹故障或太阳轮齿根裂纹故障的原始振动信号进行等角度重采样，得到等角度重采样振动信号；

S2、计算等角度重采样振动信号的峰峰值，峰峰值最大处即齿轮啮合时离振动传感器最近的啮合点的位置，并把这个峰峰值最大的啮合点定义为第一齿的位置；根据啮合齿序计算公式计算出行星齿轮/太阳轮的啮合齿序；

S3、采用M齿宽的Tukey窗对等角度重采样振动信号在第一齿位置处进行加窗截取；根据行星架输出轴键相脉冲信号进行时标计算确认行星架每旋转一圈的时标位置，然后以此时标位置每当行星架旋转一圈，用M齿宽的Tukey窗对等角度重采样振动信号在相应时标位置处进行加窗截取，以得到多个M齿宽的振动信号；

S4、对步骤S3获取的每个M齿宽的振动信号分别划分为M个单齿宽的振动信号，再分别将分离出的相应加窗位置处的单齿宽的振动信号根据啮合齿序重新进行拼接，构造出M组关于单个行星齿轮/太阳轮的人造振动信号；

S5、选取行星齿轮转轴/太阳轮转轴为参考轴，分别对重构的M组人造振动信号进行角域同步平均，计算平均后每组信号的峰峰值，选取峰峰值最大的一组人造振动信号进行窄带解调分析对行星齿轮和太阳轮齿根裂纹故障特征进行提取；通过幅值解调图和相位解调图周期性的突变对行星齿轮和太阳轮齿根裂纹故障进行检测。

进一步地，可以设置所述啮合齿序p_nf计算公式：

p_nf＝mod(nN_a,N_f)+1

式中，mod表示求余，n为行星架旋转的圈数，N_a和N_f分别表示齿圈齿数和故障齿齿数，故障齿轮为行星齿轮或者太阳轮。

实施例2：如图1-12所示，具体参数如下：1)太阳轮齿数28；2)行星齿轮齿数20；3)齿圈齿数71；4)行星齿轮个数3；5)在对信号进行高频采样时，输入轴转速为900r/min；故障类型为：在行星齿轮其中一个轮齿上加工了一个齿根裂纹(其用电火花加工出一个深度为5mm的齿根裂纹故障)；电涡流传感器安装在太阳轮输入轴处采取键相脉冲信号；行星齿轮齿根裂纹故障原始振动信号采用压电式加速度传感器拾取，其安装在行星齿轮箱箱体与齿圈正上方。

图1为本发明的流程图，其中由于行星齿轮绕太阳轮的行星运动而引起的齿轮啮合振动从啮合点到振动传感器的传递路径是时变的，其原理如图2所示，图3-4表示单个齿轮啮合振动分离及重构人造振动信号的过程，应用本发明中的方法对本实施例中的行星齿轮箱行星齿轮齿根裂纹故障进行故障特征的提取与检测的步骤为：

Step1、将压电式加速度传感器固定在本实施例中的行星齿轮箱箱体与齿圈正上方，电涡流传感器安装在太阳轮输入轴位置处，获取信号的采样频率为51.2kHz。在进行高频采样过程中，保证压电式加速度传感器尽量少的受到外界环境和噪声的干扰，以确保采样的准确性。所采集的行星齿轮齿根裂纹故障原始振动信号(如图5所示)，太阳轮输入轴键相脉冲信号(如图6所示)，转速为900r/min，其转速曲线(如图7所示)。

表1行星齿轮箱参数

齿轮齿数(个)太阳轮N_s28行星齿轮N_p20齿圈N_a71

由行星齿轮箱传动比计算，太阳轮与行星架的传动比为：

i_sc＝(N_a+N_s)/N_s

式中，s和c分别表示太阳轮和行星架，N_a为齿圈的齿数，N_s为太阳轮的齿数。

Step2、根据行星齿轮箱传动比将太阳轮输入轴键相信号转换为行星架输出轴键相信号。选用行星架输出轴键相脉冲信号作为参考信号对行星齿轮齿根裂纹故障原始振动信号进行等角度采样，消除转速波动的影响。

Step3、计算等角度重采样振动信号的峰峰值，峰峰值最大处即齿轮啮合时离振动传感器最近的啮合点的位置，并把这个峰峰值最大的啮合点定义为第一齿的位置。然后由啮合齿序计算公式计算出行星齿轮的啮合齿序。其中第一齿的位置是根据峰峰值最大处确定的，每当行星架旋转一周根据啮合齿序计算公式便可计算出行星齿轮的啮合齿序(如表2所示)。

啮合齿序计算公式：

p_nf＝mod(nN_a,N_f)+1

式中mod表示求余，n表示行星架旋转圈数，N_a、N_f分别齿圈齿数和故障齿轮齿数。

表2行星齿轮啮合齿序

n0123456789N_px112314516718920n10111213141516171819N_px1121341561781910

表2中，n表示行星架旋转圈数，N_px为行星齿轮啮合齿序。

Step4、采用五齿宽的Tukey窗首先对等角度重采样的信号在第一齿位置处进行加窗截取，根据行星架输出轴键相脉冲信号进行时标计算确认行星架每旋转一圈的时标位置，然后以此时标位置每当行星架旋转一圈，用五齿宽的Tukey窗对等角度重采样振动信号在相应时标位置处进行加窗截取，以得到多个五齿宽的振动信号；

Step5、对步骤Step4获取的每个五齿宽的振动信号分别划分为五个单齿宽的振动信号，再分别将分离出的相应加窗位置处的单齿宽的振动信号根据啮合齿序重新进行拼接，构造出五组关于单个行星齿轮的人造振动信号。对于图3示意的信号，如每个在A位置处的单齿宽的振动信号进行拼接构造一组关于单个行星齿轮的人造振动信号，以此类推分别构造五组关于单个行星齿轮的人造振动信号如图4所示，图中仅仅展示部分；图8为本实施例中构造出的五组关于单个行星齿轮的人造振动信号。

Step6、选取行星齿轮转轴为参考轴，对Step5构造的五组人造振动信号分别进行角域同步平均(如图9所示)。其中平均长度为15个太阳轮旋转周期，平均次数为10次。

Step7、对Step6获取五组同步平均的信号计算其峰峰值(如表3所示)，确定峰峰值最大的一组同步平均后的人造振动信号。

表3各组同步平均后的人造振动信号的峰峰值

信号序列12345峰峰值151.4149.7157.5159.2161.9

Step8、对Step7选出峰峰值最大的一组同步平均后的人造振动信号进行窄带解调。由表4可知，选取第五组人造振动信号进行傅里叶变换获得阶比谱，选择一阶边带幅值最大的啮合频率为中心频率进行带通滤波。其中包含行星齿轮故障的信号选择第7阶啮合频率为中心频率，带宽为27(应小于啮合频率71)进行带通滤波(如图10所示)。对滤波后的信号进行频移处理后再进行逆傅里叶变换，最后进行幅值-相位解调获得幅值解调图和相位解调图(如图11、12所示)。由图11、12可以清晰的看出行星齿轮故障信号的幅值-相位解调图都分别在相同角度位置发生周期性的突变，由此可以确定行星齿轮出现了故障。通过对行星齿轮故障实验的分析，证明了此发明对行星齿轮箱的行星齿轮故障提取和检测的有效性。

实施例3：如图1-4、13-20所示，具体参数如下：1)太阳轮齿数28；2)行星齿轮齿数20；3)齿圈齿数71；4)行星齿轮个数3；5)在对信号进行高频采样时，输入轴转速为900r/min；故障类型为：在太阳轮其中一个轮齿上加工了一个齿根裂纹(其用电火花加工出一个深度为5mm的齿根裂纹故障)；电涡流传感器安装在太阳轮输入轴处采取键相脉冲信号；太阳轮轮齿根裂纹故障原始振动信号采用压电式加速度传感器拾取，其安装在行星齿轮箱箱体与齿圈正上方。

图1为本发明的流程图，其中由于行星齿轮绕太阳轮的行星运动而引起的齿轮啮合振动从啮合点到振动传感器的传递路径是时变的，其原理如图2所示，图3-4表示单个齿轮啮合振动分离及重构人造振动信号的过程，应用本发明中的方法对本实施例中的行星齿轮箱行星齿轮齿根裂纹故障进行故障特征的提取与检测的步骤为：

Step1、将压电式加速度传感器固定在本实施例中的行星齿轮箱箱体与齿圈正上方，电涡流传感器安装在太阳轮输入轴位置处，获取信号的采样频率为51.2kHz。在进行高频采样过程中，保证压电式加速度传感器尽量少的受到外界环境和噪声的干扰，以确保采样的准确性。所采集的太阳轮齿根裂纹故障原始振动信号(如图13所示)，太阳轮输入轴键相脉冲信号(如图14所示)，转速为900r/min，其转速曲线(如图15所示)。

表4行星齿轮箱参数

齿轮齿数(个)太阳轮N_s28行星齿轮N_p20齿圈N_a71

由行星齿轮箱传动比计算，太阳轮与行星架的传动比为：

i_sc＝(N_a+N_s)/N_s

式中，s和c分别表示太阳轮和行星架，N_a为齿圈的齿数，N_s为太阳轮的齿数。

Step2、根据行星齿轮箱传动比将太阳轮输入轴键相信号转换为行星架输出轴键相信号。选用行星架输出轴键相脉冲信号作为参考信号对太阳轮齿根裂纹故障原始振动信号进行等角度采样，消除转速波动的影响。

Step3、计算等角度重采样振动信号的峰峰值，峰峰值最大处即齿轮啮合时离振动传感器最近的啮合点的位置，并把这个峰峰值最大的啮合点定义为第一齿的位置。然后由啮合齿序计算公式计算出太阳轮的啮合齿序。其中第一齿的位置是根据峰峰值最大处确定的，每当行星架旋转一周根据啮合齿序计算公式便可计算出太阳轮的啮合齿序(如表5所示)。

啮合齿序计算公式：

p_nf＝mod(nN_a,N_f)+1

式中，mod表示求余，n为行星架旋转的圈数，N_a和N_f分别表示齿圈齿数和故障齿齿数，故障齿轮为行星齿轮或者太阳轮。

表5太阳轮啮合齿序

n012345678910111213N_sx11631852072292411261328n1415161718192021222324252627N_sx152174196218231025122714

表5中，n表示行星架旋转圈数，N_sx为太阳轮啮合齿序。

Step4、采用五齿宽的Tukey窗首先对等角度重采样的信号在第一齿位置处进行加窗截取，根据行星架输出轴键相脉冲信号进行时标计算确认行星架每旋转一圈的时标位置，然后以此时标位置每当行星架旋转一圈，用五齿宽的Tukey窗对等角度重采样振动信号在相应时标位置处进行加窗截取，以得到多个五齿宽的振动信号；

Step5、对步骤Step4获取的每个五齿宽的振动信号分别划分为五个单齿宽的振动信号，再分别将分离出的相应加窗位置处的单齿宽的振动信号根据啮合齿序重新进行拼接，构造出五组关于单个太阳轮的人造振动信号(如图16所示)。

Step6、选取太阳轮转轴为参考轴，对Step5构造的五组人造振动信号分别进行角域同步平均(如图17所示)。其中平均长度为15个太阳轮旋转周期，平均次数为10次。

Step7、对Step6获取五组同步平均的信号计算其峰峰值，确定峰峰值最大的一组同步平均后的人造振动信号。

表6各组同步平均后的人造振动信号的峰峰值

信号序列12345峰峰值113.895.1122.5113.7102.4

Step8、对Step7选出峰峰值最大的一组同步平均后的人造振动信号进行窄带解调。由表6可知，选取第三组人造振动信号进行傅里叶变换获得阶比谱，选择一阶边带幅值最大的啮合频率为中心频率进行带通滤波。其中选择第2阶啮合频率为中心频率，带宽为35(应小于啮合频率71)进行带通滤波(如图18所示)。对滤波后的信号进行频移处理后再进行逆傅里叶变换，最后进行幅值-相位解调获得幅值解调图和相位解调图(如图19、20所示)。由图19、20可以清晰的看出太阳轮故障信号的幅值-相位解调图都分别在相同角度位置发生周期性的突变，由此可以确定太阳轮出现了故障。通过对太阳轮故障实验的分析，证明了此发明对行星齿轮箱的太阳轮故障提取和检测的有效性。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。