一种齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法技术

本发明专利技术公开了一种齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法，包括：同步采集变速工况下齿轮箱时域振动加速度信号和转速信号；将振动加速度信号进行阶次跟踪处理，获得角域振动加速度信号；构造平稳调制字典，并对信号整周期分段；对每段信号进行匹配追踪算法处理，重构信号中的准平稳调制信号；将剩余角域信号转换为时域信号；从剩余信号中识别出齿轮箱多阶固有频率和阻尼比；对剩余时域信号进行分段，构造冲击调制字典；利用匹配追踪算法提取信号中的冲击调制成分，对冲击调制成分进行阶次跟踪处理；分析提取信号的阶次域特征用于故障诊断。本发明专利技术将稀疏分解方法应用到变速工况的齿轮箱非平稳信号特征提取中，能够提高计算速度和信号的匹配精度。

A method for fault feature extraction of non-stationary signals in gearbox

The invention discloses a gearbox fault feature extraction method of non stationary signals including: acquisition under variable speed gearbox vibration acceleration signal and speed signal synchronization; the vibration acceleration signal of order tracking processing, obtain the angular domain vibration acceleration signal; construct stable modulation dictionary, and segmentation of the entire cycle of the signal; each signal matching pursuit algorithm, quasi stationary signal modulation in the reconstructed signal; converting the residual angular domain signal into time domain signals; signal from the remaining identified gear box multi order natural frequency and damping ratio; the residual time domain signal is segmented and the structural impact of modulation dictionary; matching pursuit algorithm is used to extract the signal in the impact of the impact of modulation components, modulation components of order tracking analysis processing; signal extraction order domain feature for fault diagnosis. The sparse decomposition method is applied to the non-stationary signal feature extraction of gear boxes with variable speed conditions, and the calculation speed and the matching accuracy of the signals can be improved.

【技术实现步骤摘要】
一种齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法
本专利技术涉及旋转机械和信号处理领域，特别涉及一种齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法。
技术介绍
由于振动信号中蕴含着丰富的齿轮箱动态信息，因此振动信号分析一直是齿轮箱运行状态监测和故障诊断的最重要手段。在实际工程中，由于负载变化、升降速等因素的影响，齿轮箱常处于变速工作状态，其振动响应信号表现为非平稳信号，信号特征频率成分表现为与转速相关的时变性。传统的分析方法不再适用，于是研究人员提出了时间-频率分析方法(如短时傅里叶变换、魏格纳分布、希尔伯特-黄变换)和时间-尺度分析方法(小波变换、小波包变换)等。虽然这些方法在齿轮箱非平稳信号的故障诊断中能够取得不错的效果，但是仍存在一些不足，如短时傅里叶变换的时频聚焦性较差，魏格纳分布中会出现交叉干扰项，小波变换或小波包变换的准确度取决于小波基的选择等。除此之外，阶次跟踪分析也是处理非平稳信号的有效方法。阶次信号为等角度间隔信号，每一个振动周期内具有相同的采样点，因此经阶次跟踪处理后的信号成分分布不再受转速变化的影响。基于插值理论等角度重采样的计算阶次跟踪分析方法是目前最常用的方法。另外，稀疏分解理论对基函数正交性没有严格的要求，可以将信号分解到不同的基函数上，因此稀疏分解理论被引入复杂机械振动多分量的振动信号特征提取中，并取得了不错的成果。然而，大部分研究成果仅限于稳态工况下的齿轮箱故障特征分离，针对非平稳信号的研究成果较匮乏。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法，将稀疏分解方法应用到变速工况的齿轮箱非平稳信号特征提取中，能够提高计算速度和信号的匹配精度。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法，包括下列步骤：A、准平稳调制信号分离：S1、同步采集变速工况下齿轮箱箱体某测量点时域振动加速度信号和转速信号；S2、将振动加速度信号进行阶次跟踪处理，获得角域振动加速度信号；S3、对角域振动加速度信号整周期分段，构造平稳调制字典；S4、对步骤S3分段后的每段信号进行匹配追踪算法处理，重构信号中的准平稳调制信号；B、冲击调制信号提取：S5、计算角域振动加速度信号与准平稳调制信号的差值，得到剩余角域信号，将剩余角域信号转换为剩余时域信号；S6、从剩余时域信号中识别出齿轮箱的多阶固有频率和阻尼比；S7、对剩余时域信号进行分段，构造冲击调制字典；利用匹配追踪算法提取信号中的冲击调制成分，对冲击调制成分进行阶次跟踪处理，得到冲击调制信号；S8、根据得到的准平稳调制信号和冲击调制信号，分析其阶次域特征，以用于故障诊断。优选的，步骤S1的具体步骤为：S1-1、建立空间坐标系XYZ，其中X轴正向指向齿轮箱中心轴线输入轴往输出轴方向，Z轴正向竖直向上，Y轴正向由右手定则确定；S1-2、在所述齿轮箱轴承座表面安装1个单向加速度传感器，测试方向为Z轴，在所述齿轮箱输入轴或输出轴处安装1个转速计，然后分别依次连接传感器、数据采集器和便携式计算机；S1-3、设置采样频率fs，同步采集时域振动加速度信号x(t)和转速信号r(t)，单位分别为m/s2和r/min。优选的，步骤S2的具体步骤为：S2-1、计算参考轴的角位移曲线θ(t)，采样间隔Δt为采样频率fs的倒数：S2-2、确定分析的阶次带宽Om，设定滤波器的截止频率fc，对振动加速度信号x(t)进行低通滤波处理；S2-3、确定角域阶次采样率Os，以间隔Δθ＝1/Os生成转角序列θ，对角位移曲线θ(t)三次样条插值，获得对应的重采样时间序列t′；S2-4、按照时间序列t′对振动加速度信号x(t)进行三次样条插值重采样，从而得到等角度间隔的角域振动加速度信号x(θ)。优选的，步骤S3的具体步骤为：S3-1、将角域振动加速度信号x(θ)按a转(a∈N+)、重叠率为e,e∈[0,1)进行分段，分段后每段信号记为xw(θ)，w＝1,2,...,W；S3-2、对角域振动加速度信号x(θ)作三维阶次谱分析，确定啮合阶次的最高阶次M和调制阶次的单边最高阶次K；S3-3、根据下式构造余弦原子组成平稳调制字典Dstd；式中，Oi和分别为余弦原子的阶次和相位；On为旋转阶次，是齿轮箱中所有轴的旋转阶次的集合；z为齿轮的齿数；m为啮合阶次的高倍阶次，k为调制阶次的单边高倍阶次；M和K的选取要尽可能的覆盖振动响应信号中的最高阶啮合阶次和最高阶调制边带；θmax为分段信号的长度，为2πa。优选的，步骤S4的具体步骤为：S4-1、按照下式计算平稳调制字典Dstd中各原子与xw(θ)的内积值：记第v次匹配的内积最大值对应的原子为幅值为其中为第v次匹配中残余信号与原子的内积值，L为每段信号的数据点数，分离出的准平稳调制成分为当前后两次匹配的剩余项均方根差εstd满足下式时，停止该段信号的准平稳调制分解：S4-2、重构第w段的平稳调制成分Vw为第w段信号匹配迭代的次数：S4-3、对信号按下式进行头尾截断处理，以尽可能消除端点效应：重构准平稳调制信号xstd(θ)：剩余角域信号xR(θ)由下式计算获得：xR(θ)＝x(θ)-xstd(θ)。优选的，步骤S5的具体步骤为：S5-1、将剩余角域信号xR(θ)转换为对应的时域信号xR(t′)；S5-2、以等角度时间序列t对信号xR(t′)进行三次样条插值，获得剩余时域信号xR(t)。优选的，步骤S6的具体步骤为：S6-1、截取一段转速变化超过一定值的剩余时域信号x′R(t)，以转频最小的轴为基准，按每圈分段记每段信号时间长度为Ti′；S6-2、设固有频率fd＝[0:Δfd:fs/2]、阻尼比ζ＝[0.1:Δζ:0.2]和冲击发生时刻τ＝[0:Δτ:Ti′]，其中Δfd、Δζ和Δτ分别为固有频率、阻尼比和冲击发生时刻的搜索步长，代入下式构造基函数集合C(t)：S6-3、计算每段信号和集合C(t)中各基函数的相关系数：取系数最大值λi(t)max对应的固有频率和阻尼比组合作为识别的齿轮箱的固有频率和阻尼比，记为优选的，步骤S7的具体步骤为：S7-1、根据角位移曲线θ(t)，以转频最大的齿轮为基准，按每一圈分段，记每一段信号为xj(t)，对应的信号时间长度为Tj，对应的起始时刻为tj，j＝1,2,...,J；S7-2、针对每一段信号xj(t)，匹配步长Δτ设定为Tj/210，则τ＝[0:Δτ:Tj]，将识别的固有频率和阻尼比两两组合后，与τ代入步骤S6-2中构造冲击响应原子组成冲击调制字典S7-3、对每段信号xj(t)进行匹配追踪处理，记每次最匹配原子和系数分别为和对第j段信号的冲击调制成分进行重构：其中Uj为第j段信号的匹配迭代次数；S7-4、将J段信号按下式进行组合，得到提取的冲击调制成分ximp(t)；同时记最终剩余项为xRES(t)；S7-5、按照时间序列t′对冲击调制成分ximp(t)进行三次样条插值重采样，从而得到等角度间隔的冲击调制信号ximp(θ)。优选的，步骤S8的具体步骤为：S8-1、任意截取一段准平稳调制信号，对其作快速傅里叶变换，分析其阶次谱特征；S8-2、任意截取一段冲击调制信号，分析各冲击发生的角度间隔，并对其作快速傅里叶变换，分析其阶次谱特征。优选的，滤波器的截止频率fc≥Om本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法，其特征在于，包括以下步骤：A、准平稳调制信号分离：S1、同步采集变速工况下齿轮箱箱体某测量点时域振动加速度信号和转速信号；S2、将振动加速度信号进行阶次跟踪处理，获得角域振动加速度信号；S3、对角域振动加速度信号整周期分段，构造平稳调制字典；S4、对步骤S3分段后的每段信号进行匹配追踪算法处理，重构信号中的准平稳调制信号；B、冲击调制信号提取：S5、计算角域振动加速度信号与准平稳调制信号的差值，得到剩余角域信号，将剩余角域信号转换为剩余时域信号；S6、从剩余时域信号中识别出齿轮箱的多阶固有频率和阻尼比；S7、对剩余时域信号进行分段，构造冲击调制字典；利用匹配追踪算法提取信号中的冲击调制成分，对冲击调制成分进行阶次跟踪处理，得到冲击调制信号；S8、根据得到的准平稳调制信号和冲击调制信号，分析其阶次域特征，以用于故障诊断。

【技术特征摘要】
1.一种齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法，其特征在于，包括以下步骤：A、准平稳调制信号分离：S1、同步采集变速工况下齿轮箱箱体某测量点时域振动加速度信号和转速信号；S2、将振动加速度信号进行阶次跟踪处理，获得角域振动加速度信号；S3、对角域振动加速度信号整周期分段，构造平稳调制字典；S4、对步骤S3分段后的每段信号进行匹配追踪算法处理，重构信号中的准平稳调制信号；B、冲击调制信号提取：S5、计算角域振动加速度信号与准平稳调制信号的差值，得到剩余角域信号，将剩余角域信号转换为剩余时域信号；S6、从剩余时域信号中识别出齿轮箱的多阶固有频率和阻尼比；S7、对剩余时域信号进行分段，构造冲击调制字典；利用匹配追踪算法提取信号中的冲击调制成分，对冲击调制成分进行阶次跟踪处理，得到冲击调制信号；S8、根据得到的准平稳调制信号和冲击调制信号，分析其阶次域特征，以用于故障诊断。2.根据权利要求1所述的齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法，其特征在于，步骤S1的具体步骤为：S1-1、建立空间坐标系XYZ，其中X轴正向指向齿轮箱中心轴线输入轴往输出轴方向，Z轴正向竖直向上，Y轴正向由右手定则确定；S1-2、在所述齿轮箱轴承座表面安装1个单向加速度传感器，测试方向为Z轴，在所述齿轮箱输入轴或输出轴处安装1个转速计，然后分别依次连接传感器、数据采集器和便携式计算机；S1-3、设置采样频率fs，同步采集时域振动加速度信号x(t)和转速信号r(t)，单位分别为m/s2和r/min。3.根据权利要求2所述的齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法，其特征在于，步骤S2的具体步骤为：S2-1、计算参考轴的角位移曲线θ(t)，采样间隔Δt为采样频率fs的倒数：S2-2、确定分析的阶次带宽Om，设定滤波器的截止频率fc，对振动加速度信号x(t)进行低通滤波处理；S2-3、确定角域阶次采样率Os，以间隔Δθ＝1/Os生成转角序列θ，对角位移曲线θ(t)三次样条插值，获得对应的重采样时间序列t′；S2-4、按照时间序列t′对振动加速度信号x(t)进行三次样条插值重采样，从而得到等角度间隔的角域振动加速度信号x(θ)。4.根据权利要求3所述的齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法，其特征在于，步骤S3的具体步骤为：S3-1、将角域振动加速度信号x(θ)按a转(a∈N+)、重叠率为e,e∈[0,1)进行分段，分段后每段信号记为xw(θ)，w＝1,2,...,W；S3-2、对角域振动加速度信号x(θ)作三维阶次谱分析，确定啮合阶次的最高阶次M和调制阶次的单边最高阶次K；S3-3、根据下式构造余弦原子组成平稳调制字典Dstd；式中，Oi和分别为余弦原子的阶次和相位；On为旋转阶次，是齿轮箱中所有轴的旋转阶次的集合；z为齿轮的齿数；m为啮合阶次的高倍阶次，k为调制阶次的单边高倍阶次；M和K的选取要尽可能的覆盖振动响应信号中的最高阶啮合阶次和最高阶调制边带；θmax为分段信号的长度，为2πa。5.根据权利要求4所述的齿轮箱非平稳信号故障特征提取方法，其特征在于，步骤S4的具体步骤为：S4-1、按照下式计算平稳调制字典Dstd中各原子与xw(θ)的内积值：记第v次匹配的内积最大值对应的原子为幅值为其中为第v次匹配中残余信号与原子的内积值，L为每段信号的数据点数，分离出的准平稳调制成分为当前后两次匹配的剩余项均方根差εstd满足下式时，停止该段信号的准平稳调制分解：S4-2、重构第w段的平稳调制成分Vw为第w段信号匹配迭代的次数：

【专利技术属性】
技术研发人员：李永焯，丁康，何国林，林慧斌，杨小青，吴兆乾，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44