基于行星齒輪結(jié)構(gòu)等效軸承模型的振動(dòng)頻譜特征分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝備故障診斷與預(yù)示技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于行星齒輪 結(jié)構(gòu)等效軸承模型的行星齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)中各部件故障振動(dòng)頻譜特征分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，其廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、 風(fēng)力發(fā)電、工程機(jī)械等領(lǐng)域。行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)通常工作在大功率、高轉(zhuǎn)速、高負(fù)載的工作 環(huán)境下，行星齒輪系極容易發(fā)生齒面磨損、齒面接觸疲勞、輪齒彎曲疲勞、乃至斷齒或軸斷 裂等失效現(xiàn)象，最終導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的完全失效，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡和災(zāi)難 性的損失。列如：行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置之一，長(zhǎng)期在無(wú)規(guī)律變向變 載荷的風(fēng)力作用以及強(qiáng)陣風(fēng)的瞬時(shí)沖擊下工作，導(dǎo)致其故障頻率極高。但由于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè) 手段無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，成為了制約風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展和推廣的 棘手難題。2007年5月，美國(guó)軍方在對(duì)UH-60A "黑鷹"直升機(jī)的一次常規(guī)檢測(cè)中，意外發(fā)現(xiàn) 了未被監(jiān)測(cè)裝置探測(cè)出的行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中行星架的嚴(yán)重裂紋，而這種故障將導(dǎo)致機(jī)毀 人亡，為此美軍下令停飛和檢測(cè)所有在役直升機(jī)。
[0003] 目前行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)由于特殊的物理結(jié)構(gòu)和復(fù)合運(yùn)動(dòng)形式導(dǎo)致了故障振動(dòng)機(jī) 理比與普通的平行齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)更為復(fù)雜，其振動(dòng)信號(hào)具有復(fù)雜時(shí)變調(diào)制特點(diǎn)。而現(xiàn)有的 行星齒輪振動(dòng)頻譜特征研宄模型較復(fù)雜，主要對(duì)嚙合頻率的邊頻帶分析，理論計(jì)算和實(shí)際 故障頻率的峰值之間存在偏差，而且觀測(cè)到的故障邊頻帶太多，對(duì)于故障位置判斷可能產(chǎn) 生誤判。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的發(fā)明目的是：為了解決現(xiàn)有技術(shù)中行星齒輪振動(dòng)頻譜特征研宄模型復(fù)雜 且對(duì)故障位置可能產(chǎn)生誤判等問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于行星齒輪結(jié)構(gòu)等效軸承模型的 振動(dòng)頻譜特征分析方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于行星齒輪結(jié)構(gòu)等效軸承模型的振動(dòng)頻譜特征分析 方法，包括以下步驟：
[0006] A、輸入行星齒輪的原始振動(dòng)信號(hào)，利用提升小波包變換方法對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行 分解；
[0007] B、對(duì)步驟A中分解得到的每層分解頻帶信號(hào)計(jì)算其峭度值，得到峭度分析圖，選 取最大峭度值；
[0008] C、根據(jù)步驟B中得到的最大峭度值獲取其對(duì)應(yīng)的分解頻帶信號(hào)，利用希爾伯特包 絡(luò)解調(diào)分析方法進(jìn)行分析，得到振動(dòng)頻譜圖；
[0009] D、建立基于行星齒輪結(jié)構(gòu)等效軸承模型的振動(dòng)頻譜特征理論計(jì)算模型；
[0010] E、通過(guò)步驟D中建立的基于行星齒輪結(jié)構(gòu)等效軸承模型的振動(dòng)頻譜特征理論計(jì) 算模型計(jì)算振動(dòng)頻譜特征，并對(duì)步驟C中得到的振動(dòng)頻譜圖中的振動(dòng)頻譜特征進(jìn)行精確定 量分析。
[0011] 進(jìn)一步地，所述步驟A中利用提升小波包變換方法對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解，具 體為：設(shè)定行星齒輪的原始振動(dòng)信號(hào)為x(t)，利用提升小波包變換方法將原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn) 行m層分解，得到每層2 m分解頻帶。
[0012] 進(jìn)一步地，所述m的取值為3或4。
[0013] 進(jìn)一步地，所述步驟B中峭度的表達(dá)式具體為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于行星齒輪結(jié)構(gòu)等效軸承模型的振動(dòng)頻譜特征分析方法，其特征在于，包括 W下步驟： A、 輸入行星齒輪的原始振動(dòng)信號(hào)，利用提升小波包變換方法對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分 解； B、 對(duì)步驟A中分解得到的每層分解頻帶信號(hào)計(jì)算其峭度值，得到峭度分析圖，選取最 大峭度值； C、 根據(jù)步驟B中得到的最大峭度值獲取其對(duì)應(yīng)的分解頻帶信號(hào)，利用希爾伯特包絡(luò)解 調(diào)分析方法進(jìn)行分析，得到振動(dòng)頻譜圖； D、 建立基于行星齒輪結(jié)構(gòu)等效軸承模型的振動(dòng)頻譜特征理論計(jì)算模型； E、 通過(guò)步驟D中建立的基于行星齒輪結(jié)構(gòu)等效軸承模型的振動(dòng)頻譜特征理論計(jì)算模 型計(jì)算振動(dòng)頻譜特征，并對(duì)步驟C中得到的振動(dòng)頻譜圖中的振動(dòng)頻譜特征進(jìn)行精確定量分 析。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于行星齒輪結(jié)構(gòu)等效軸承模型的振動(dòng)頻譜特征分析方法， 其特征在于，所述步驟A中利用提升小波包變換方法對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解，具體為：設(shè) 定行星齒輪的原始振動(dòng)信號(hào)為X(t)，利用提升小波包變換方法將原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行m層分 解，得到每層2-個(gè)分解頻帶。
3. 如權(quán)利要求2所述的基于行星齒輪結(jié)構(gòu)等效軸承模型的振動(dòng)頻譜特征分析方法，其 特征在于，所述m的取值為3或4。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于行星齒輪結(jié)構(gòu)等效軸承模型的振動(dòng)頻譜特征分析方法，其 特征在于，所述步驟B中峭度值的表達(dá)式具體為：
其中，K為峭度值，E[ ?]為求期望符號(hào)，X為采集樣本，y為樣本均值，0為樣本標(biāo)準(zhǔn) 差。
5. 如權(quán)利要求4所述的基于行星齒輪結(jié)構(gòu)等效軸承模型的振動(dòng)頻譜特征分析方法，其 特征在于，所述步驟B中得到峭度分析圖的方法具體為；對(duì)計(jì)算得到的峭度值進(jìn)行歸一化 處理，W各層對(duì)應(yīng)的各節(jié)點(diǎn)信號(hào)頻帶為橫坐標(biāo)，W分解信號(hào)層數(shù)為縱坐標(biāo)，從而得到峭度分 析圖。
6. 如權(quán)利要求1所述的基于行星齒輪結(jié)構(gòu)等效軸承模型的振動(dòng)頻譜特征分析方法，其 特征在于，所述步驟D中建立基于行星齒輪結(jié)構(gòu)等效軸承模型的振動(dòng)頻譜特征理論計(jì)算模 型，具體包括W下分步驟： D1、獲取行星齒輪箱中太陽(yáng)輪齒數(shù)女、行星輪齒數(shù)Zp、內(nèi)齒圈齒數(shù)Zf、行星輪個(gè)數(shù)Zp、太 陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率f。,及軸承中由局部缺陷引起沖擊的間隔振動(dòng)頻譜特征： 內(nèi)圈故障振動(dòng)頻率fbi為：
外圈故障振動(dòng)頻率fb。為：
滾動(dòng)體故障振動(dòng)頻率fbb為：
其中，f為軸的轉(zhuǎn)頻，a為接觸角，Z為滾動(dòng)體個(gè)數(shù)，d為滾動(dòng)體直徑，D為節(jié)徑、即滾動(dòng) 體中屯、到滾動(dòng)軸承中屯、距離的兩倍； D2、利用齒輪分度圓直徑定義：df二mZ 對(duì)行星齒輪箱中太陽(yáng)輪和行星輪進(jìn)行處理， 其中，df為分度圓直徑，m為模數(shù)，Z為齒輪齒數(shù)； D3、將行星齒輪箱中太陽(yáng)輪故障振動(dòng)頻率、行星輪故障振動(dòng)頻率、內(nèi)齒圈故障振動(dòng)頻 率、分別對(duì)應(yīng)軸承中內(nèi)圈故障振動(dòng)頻率、滾動(dòng)體故障振動(dòng)頻率、外圈故障振動(dòng)頻率，得到行 星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)各部件的故障振動(dòng)頻譜特征： 太陽(yáng)輪故障振動(dòng)頻率f；為：
內(nèi)齒圈故障振動(dòng)頻率ft為：
行星輪故障振動(dòng)頻率fp為：
7.如權(quán)利要求1所述的基于行星齒輪結(jié)構(gòu)等效軸承模型的振動(dòng)頻譜特征分析方法，其 特征在于，所述步驟E中通過(guò)建立的基于行星齒輪結(jié)構(gòu)等效軸承模型的振動(dòng)頻譜特征理論 計(jì)算模型計(jì)算振動(dòng)頻譜特征，具體為：先計(jì)算基于行星齒輪結(jié)構(gòu)等效軸承模型的振動(dòng)頻譜 特征理論計(jì)算模型中一個(gè)部件的故障振動(dòng)頻譜特征，再通過(guò)其它部件故障振動(dòng)頻譜特征與 該部件故障振動(dòng)頻譜特征的比值關(guān)系得到其它部件的故障振動(dòng)頻譜特征。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于行星齒輪結(jié)構(gòu)等效軸承模型的振動(dòng)頻譜特征分析方法；其具體包括以下步驟：輸入原始振動(dòng)信號(hào)并利用提升小波包變換方法進(jìn)行分解，計(jì)算分解得到的每層分解頻帶信號(hào)的峭度值、得到峭度分析圖并選取最大峭度值，獲取對(duì)應(yīng)的分解頻帶信號(hào)并利用希爾伯特包絡(luò)解調(diào)分析方法進(jìn)行分析得到振動(dòng)頻譜圖，建立基于行星齒輪結(jié)構(gòu)等效軸承模型的振動(dòng)頻譜特征理論計(jì)算模型，對(duì)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)各部件故障振動(dòng)頻率進(jìn)行精確定量分析。本發(fā)明具有精度高、簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了理論計(jì)算的故障頻率峰值和實(shí)際故障頻率的峰值直接對(duì)應(yīng)，從而精確表征了行星齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)各部件的故障特征頻率。
【IPC分類】G01M13-02
【公開號(hào)】CN104792523
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510195069
【發(fā)明人】劉治汶, 劉劍鋒, 左明健, 郭偉
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年4月22日