行星齿轮箱故障信息获取方法技术

本发明专利技术公开了一种行星齿轮箱故障信息获取方法，包括组成行星齿轮箱的内齿圈、行星轮和太阳轮，其中内齿圈固定不动，太阳轮绕自身中心轴线转动，行星轮除自转外还绕太阳轮公转；所述内齿圈的若干连续轮齿作为检测齿，检测齿的齿根部位粘贴有光纤光栅阵列，宽带光源发出的光通过光纤a、耦合器和光纤c传输到光纤光栅阵列，反射光通过光纤c、耦合器和光纤b进入波长解调部分，解调完成之后的电压信号通过数据采集部分进入计算机进行数据处理，计算机用于完成齿根应变序列构建和行星齿轮箱故障特征提取，本发明专利技术能够克服现有技术由于振动信号强烈的非线性和非平稳性特点所造成的行星齿轮箱故障诊断的难题。

【技术实现步骤摘要】


本专利技术涉及机械传动装置的动态测试与故障诊断技术，具体涉及行星齿轮箱故障信息获取系统及其方法。

技术介绍

行星齿轮箱由于体积小、重量轻、传动效率高、承载能力强等优点被广泛用于航空、风力发电、起重运输、能源等领域的机械传动系统中，然而受制造、安装误差和低速重载的恶劣工作环境影响，行星齿轮箱发生故障的概率很高，由于行星齿轮箱位于机械系统的关键环节，当其出现故障后，若不及时采取有效的补救措施，轻则会影响系统性能，重则会使系统瘫痪，造成严重事故，因此，对行星齿轮箱进行故障诊断具有重要意义。
目前国内外研究人员绝大部分是通过对振动信号的分析处理来判断行星齿轮箱的健康状况，振动传感器安装在与内齿圈相连的箱体上，将振动信号作为故障载体信号的主要优势在于其测量简单、实时性强且包含有丰富的故障信息，然而行星齿轮箱的振动信号呈现出比一般机械设备更复杂的特点：多个啮合振动之间相互耦合且振动信号被传输路径调制，导致传感器测到的振动信号中包含有多种频率成分和丰富的边频带信息，表现出强烈的非线性特点；变速、变载工况导致振动信号中的齿轮啮合频率和故障特征频率发生变化，表现出强烈的非平稳性特点，由于以上原因，尽管国内外学者在动力学建模和振动信号处理等方面进行了大量的工作，但现在行星齿轮箱的故障诊断仍是一个技术难题。
实际上，行星齿轮箱中最关键的运动是齿轮之间的啮合运动，啮合力是能够反映齿轮啮合状态和特性的最直接参数，然而啮合力由轮齿相互接触、挤压产生，不可能在轮齿的接触区域布置传感器以测量该力，因此研究者选择振动信号来间接反映啮合力的变化情况，但在行星齿轮箱中啮合力信息与振动信息的映射关系非常复杂，导致出现了行星齿轮箱故障诊断的困境，考虑到轮齿的齿根区域和啮合区域距离非常近，啮合力的变化会直接导致齿根应变的变化，所以与振动信号相比，齿根应变信号更能够反映齿轮的啮合状态，是一种更加优质的故障特征载体信号，然而，到目前为止，基于齿根应变信号的行星齿轮箱故障诊断方法仍未见报道。

技术实现思路

本专利技术的目的是提供一种行星齿轮箱故障信息获取系统及其方法，该方法可解决
技术介绍
中由于振动信号强烈的非线性和非平稳性特点所造成的行星齿轮箱故障诊断的难题。
为了达到以上目的，本专利技术采取如下技术方案予以实现：行星齿轮箱故障信息获取系统，包括组成行星齿轮箱的内齿圈、行星轮和太阳轮，其中内齿圈固定不动，太阳轮绕自身中心轴线转动，行星轮除自转外还绕太阳轮公转；所述内齿圈的若干连续轮齿作为检测齿，检测齿的齿根部位粘贴有光纤光栅阵列，宽带光源发出的光通过光纤a、耦合器和光纤c传输到光纤光栅阵列，在光纤光栅阵列发生光反射，反射光通过光纤c、耦合器和光纤b进入波长解调部分，解调完成之后的电压信号通过数据采集部分进入计算机进行数据处理，计算机用于完成齿根应变序列构建和行星齿轮箱故障特征提取。
所述光纤光栅阵列为在一根光纤上刻写多段光纤光栅，光纤光栅的数量与检测齿的数量相同。
所述光纤光栅的长度小于检测齿的齿宽，光纤光栅的轴向与内齿圈的轴向平行。
所述波长解调部分用于将光纤光栅阵列的反射波长信号转换为包含有应变信息的电压信号，包括光电转换模块、信号调理模块、电源模块、驱动电路模块、控制电路模块以及光学元器件。
所述耦合器采用3dB耦合器。
本专利技术还提出一种行星齿轮箱故障信息获取方法，包括以下步骤：
步骤一、选定内齿圈的连续n个轮齿作为检测齿，并在检测齿的齿根部位粘贴光纤光栅阵列，获取检测齿的齿根应变信号；
步骤二、对步骤一中获取的齿根应变信号进行序列构建；
步骤三、对步骤二构建出的齿根应变序列进行行星齿轮箱故障特征提取：
在每一组齿根应变序列中，将相邻两个轮齿的齿根应变信号相加，形成N+1组时域上连续的齿根应变信号，设反映行星轮j和检测齿直接啮合的齿根应变连续时域信号为fpj(t)，反映太阳轮和检测齿间接啮合的齿根应变连续时域信号为fs(t)，行星齿轮箱的啮合频率为fm，行星轮齿数、太阳轮齿数、内齿圈齿数分别为Zp、Zs、Zr，行星轮数量为N；
3.1提取行星齿轮箱故障的频域特征
若在fpj(t)的功率谱中，啮合频率及其谐波附近出现间隔为的边频带，则说明行星轮j出现故障；
若在fs(t)的功率谱中，啮合频率及其谐波附近出现间隔为的边频带，则说明太阳轮出现故障；
3.2提取行星齿轮箱故障的时域特征
取fpj(t)区间(k为自然数)内的信号fpj(k,t)，设gpj(k,t)＝fpj(0,t)-fpj(k,t)；若行星轮j发生故障，则gpj(k,t)在某一区间(t1,t2)内的能量水平(有效值)便会偏高，(t1,t2)区间在gpj(k,t)中的位置反映故障在行星轮j上出现的位置，(t1,t2)区间的长度反映行星轮j故障的范围，(t1,t2)区间内gpj(k,t)的形式反映行星轮j故障的类型，(t1,t2)区间内gpj(k,t)有效值的大小反映行星轮j故障的剧烈程度；
取fs(t)区间内的信号fs(k,t)，设gs(k,t)＝fs(0,t)-fs(k,t)；若太阳轮发生故障，则gs(k,t)在某一区间(t1,t2)内的能量水平(有效值)便会偏高，(t1,t2)区间在gs(k,t)中的位置反映故障在太阳轮上出现的位置，(t1,t2)区间的长度反映太阳轮故障的范围，(t1,t2)区间内gs(k,t)的形式反映太阳轮故障的类型，(t1,t2)区间内gs(k,t)有效值的大小反映太阳轮故障的剧烈程度。
所述步骤一具体包括以下步骤：
1.1、确定内齿圈上所需连续检测齿的数量n：设在行星齿轮箱中，行星轮齿数、太阳轮齿数、内齿圈齿数分别为Zp、Zs、Zr；行星轮数量为N；rem(w,v)表示w与v相除的余数；i为正整数；令其中a、c为整数，b、d为真分数；H＝bZp；K＝dZs；(若rem(b·2π·i,2π)＝0，则anglep(i)＝2π；若rem(b·2π·i,2π)≠0，则anglep(i)＝rem(b·2π·i,2π))；(若rem(d·2π·i,2π)＝0，则angles(i)＝2π；若rem(d·2π·i,2π)≠0，则angles(i)＝rem(d·2π·i,2π))；
分以下四种情况讨论：
(1)当b＝0且d≠0时，则n为Zp和K中的最大值；
(2)当b≠0且d＝0时，则n为Zs和H中的最大值；
(3)当b＝0且d＝0时，则n为Zp和Zs中的最大值；
(4)当b≠0且d≠0时，设nmax(i)为np(i)和ns(i)中的最大值，当i＝is时，nmax(i)最小，则n＝nmax(is)；
1.2、安装光纤光栅阵列
选择在一根光纤上刻写有n段光栅的光纤光栅阵列，在每个检测齿的齿根部位粘贴一段光纤光栅。
所述步骤二具体包括以下步骤：
每次行星轮与所有检测齿完成一次啮合时，光纤光栅阵列检测到一组齿根应变信号，称为一个齿根应变周期；一个齿根应变周期的持续时间为T1，相邻两个齿根应变周期的时间间隔为T2，每个齿根应变周期的起始端标记为STA，距离终止端(向前)时间间隔为te处标记为END，te为相邻两个齿根应变信号重叠部分的时间长度，在以下的构建过程中，需要对齿根应变周期进行截取，截取信号的起始端标本文档来自技高网...

【技术保护点】
行星齿轮箱故障信息获取系统，其特征在于，包括组成行星齿轮箱的内齿圈(3)、行星轮(4)和太阳轮(5)，其中内齿圈(3)固定不动，太阳轮(5)绕自身中心轴线转动，行星轮(4)除自转外还绕太阳轮公转；所述内齿圈(3)的若干连续轮齿作为检测齿，检测齿的齿根部位粘贴有光纤光栅阵列(6)，宽带光源(1)发出的光通过光纤a、耦合器(2)和光纤c传输到光纤光栅阵列(6)，在光纤光栅阵列(6)发生光反射，反射光通过光纤c、耦合器(2)和光纤b进入波长解调部分(7)，解调完成之后的电压信号通过数据采集部分(8)进入计算机(9)进行数据处理，计算机(9)用于完成齿根应变序列构建和行星齿轮箱故障特征提取。

【技术特征摘要】
1.行星齿轮箱故障信息获取系统，其特征在于，包括组成行星齿轮箱的内齿圈(3)、行星轮(4)和太阳轮(5)，其中内齿圈(3)固定不动，太阳轮(5)绕自身中心轴线转动，行星轮(4)除自转外还绕太阳轮公转；所述内齿圈(3)的若干连续轮齿作为检测齿，检测齿的齿根部位粘贴有光纤光栅阵列(6)，宽带光源(1)发出的光通过光纤a、耦合器(2)和光纤c传输到光纤光栅阵列(6)，在光纤光栅阵列(6)发生光反射，反射光通过光纤c、耦合器(2)和光纤b进入波长解调部分(7)，解调完成之后的电压信号通过数据采集部分(8)进入计算机(9)进行数据处理，计算机(9)用于完成齿根应变序列构建和行星齿轮箱故障特征提取。
2.根据权利要求1所述的行星齿轮箱故障信息获取系统，其特征在于，所述光纤光栅阵列(6)为在一根光纤上刻写多段光纤光栅(10)，光纤光栅(10)的数量与检测齿的数量相同。
3.根据权利要求2所述的行星齿轮箱故障信息获取系统，其特征在于，所述光纤光栅(10)的长度小于检测齿的齿宽，光纤光栅(10)的轴向(11)与内齿圈的轴向(12)平行。
4.根据权利要求1所述的行星齿轮箱故障信息获取系统，其特征在于，所述波长解调部分(7)用于将光纤光栅阵列(6)的反射波长信号转换为包含有应变信息的电压信号，包括光电转换模块、信号调理模块、电源模块、驱动电路模块、控制电路模块以及光学元器件。
5.根据权利要求1所述的行星齿轮箱故障信息获取系统，其特征在于，所述耦合器(2)采用3dB耦合器。
6.行星齿轮箱故障信息获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、选定内齿圈的连续n个轮齿作为检测齿，并在检测齿的齿根部位粘贴光纤光栅阵列，获取检测齿的齿根应变信号；
步骤二、对步骤一中获取的齿根应变信号进行序列构建；
步骤三、对步骤二构建出的齿根应变序列进行行星齿轮箱故障特征提取：
在每一组齿根应变序列中，将相邻两个轮齿的齿根应变信号相加，形成N+1组时域上连续的齿根应变信号，设反映行星轮j和检测齿直接啮合的齿根应变连续时域信号为fpj(t)，反映太阳轮和检测齿间接啮合的齿根应变连续时域信号为fs(t)，行星齿轮箱的啮合频率为fm，行星轮齿数、太阳轮齿数、内齿圈齿数分别为Zp、Zs、Zr，行星轮数量为N；
3.1提取行星齿轮箱故障的频域特征
若在fpj(t)的功率谱中，啮合频率及其谐波附近出现间隔为的边频带，则说明行星轮j出现故障；
若在fs(t)的功率谱中，啮合频率及其谐波附近出现间隔为的边频带，则说明太阳轮出现故障；
3.2提取行星齿轮箱故障的时域特征
取fpj(t)区间(k为自然数)内的信号fpj(k,t)，设gpj(k,t)＝fpj(0,t)-fpj(k,t)；若行星轮j发生故障，则gpj(k,t)在某一区间(t1,t2)内的能量水平(有效值)便会偏高，(t1,t2)区间在gpj(k,t)中的位置反映故障在行星轮j上出现的位置，(t1,t2)区间的长度反映行星轮j故障的范围，(t1,t2)区间内gpj(k,t)的形式反映行星轮j故障的类型，(t1,t2)区间内gpj(k,t)有效值的大小反映行星轮j故障的剧烈程度；
取fs(t)区间内的信号fs(k,t)，设gs(k,t)＝fs(0,t)-fs(k,t)；若太阳轮发生故障，则gs(k,t)在某一区间(t1,t2)内的能量水平(有效值)便会偏高，(t1,t2)区间在gs(k,t)中的位置反映故障在太阳轮上出现的位置，(t1,t2)区间的长度反映太阳轮故障的范围，(t1,t2)区间内gs(k,t)的形式反映太阳轮故障的类型，(t1,t2)区间内gs(k,t)有效值的大小反映太阳轮故障的剧烈程度。
7.根据权利要求6所述的行星齿轮箱故障信息获取方法，其特征在于，步骤一具体包括以下步骤：
1.1、确定内齿圈上所需连续检测齿的数量n：设在行星齿轮箱中，行星轮齿数、太阳轮齿数、内齿圈齿数分别为Zp、Zs、Zr；行星轮数量为N；rem(w,v)表示w与v相除的余数；i为正整数；令其中a、c为整数，b、d为真分数；H＝bZp；K＝dZs；(若rem(b·2π·i,2π)＝0，则anglep(i)＝2π；若rem(b·2π·i,2π)≠0，则anglep(i)＝rem(b·2π·i,2π))；(若rem(d·2π·i,2π)＝0，则angles(i)＝2π；若rem(d·2π·i,2π)≠0，则angles(i)＝rem(d·2π·i,2π))；
分以下四种情况讨论：
(1)当b＝0且d≠0时，则n为Zp和K中的最大值；
(2)当b≠0且d＝0时，则n为Zs和H中的最大值；
(3)当b＝0且d＝0时，则n为Zp和Zs中的最大值；
(4...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小栋，牛杭，赵欣丹，郭琦，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61