一種用于主減速器齒輪箱的無轉(zhuǎn)速信號時(shí)域同步平均方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種無轉(zhuǎn)速信號的時(shí)域同步 平均方法，尤其是一種用于直升機(jī)主減速器齒輪箱的無轉(zhuǎn)速信號時(shí)域同步平均方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 主減速器齒輪箱作為直升機(jī)傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長期處于高速、交變 重載的惡劣環(huán)境下，又由于其無冗余設(shè)計(jì)，容易產(chǎn)生故障和損壞，其健康狀況直接關(guān)系到直 升機(jī)的飛行安全。因此，為了提高直升機(jī)運(yùn)行安全性W及防止事故發(fā)生就必須對齒輪箱進(jìn) 行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。
[0003] 提取有效的故障特征是齒輪箱故障診斷的前提，它直接制約了齒輪箱故障診斷的 效率和準(zhǔn)確性。目前，基于時(shí)標(biāo)的時(shí)域同步平均是最為有效的齒輪箱振動信號特征提取處 理方法，該方法可W有效消除復(fù)雜周期信號的隨機(jī)干擾和噪聲，從復(fù)雜系統(tǒng)的振動信號中 提取出與轉(zhuǎn)頻相關(guān)的周期信號，得到了廣泛應(yīng)用，尤其適合于齒輪箱故障分析。然而，該種 方法不僅需要拾取振動分析信號，同時(shí)還需要通過轉(zhuǎn)速傳感器或光學(xué)編碼器來拾取回轉(zhuǎn)軸 的時(shí)標(biāo)信號，來鎖定各信號段的起始點(diǎn)。直升機(jī)主減速器齒輪箱由于結(jié)構(gòu)原因無法安裝時(shí) 標(biāo)信號傳感器（轉(zhuǎn)速傳感器或光學(xué)編碼器），限制了時(shí)域同步平均方法在直升機(jī)主減速器 齒輪狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中的應(yīng)用。因此，進(jìn)行無轉(zhuǎn)速信號時(shí)域同步平均方法的研究具有 十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有時(shí)域同步平均方法的缺點(diǎn)，提供一種用于直升機(jī)主減 速器齒輪箱的無轉(zhuǎn)速信號時(shí)域同步平均方法，該方法只需已知近似轉(zhuǎn)速值和齒輪齒數(shù)，無 需時(shí)標(biāo)信號，可自動對原始振動信號進(jìn)行時(shí)域同步平均，具有能夠有效地消除隨機(jī)干擾和 噪聲，執(zhí)行速度快、無需人為干預(yù)的特點(diǎn)。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的解決方案是：
[0006] 一種用于主減速器齒輪箱的無轉(zhuǎn)速信號時(shí)域同步平均方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟一、對主減速器齒輪箱振動信號進(jìn)行傅里葉變換，得到傅里葉變換頻譜圖； [000引步驟二、根據(jù)已知近似轉(zhuǎn)速和齒輪齒數(shù)，檢測獲取前S階齒輪曬合頻率諧波的峰 值，其中檢測頻段寬度為齒輪曬合頻率諧波的±5%;
[0009] 步驟=、計(jì)算前五階曬合頻率諧波的局部信噪比SNRk和截止階數(shù)KMdet,選擇截止 階數(shù)最高的曬合頻率諧波交下一步處理；
[0010] 步驟四、窄帶解調(diào)選中的曬合頻率諧波，計(jì)算轉(zhuǎn)軸的角度位置；
[0011] 步驟五、判斷轉(zhuǎn)速波動是否超出最大允許值，如果沒有超出，則執(zhí)行下一步，如果 超出，則選擇更低一階的曬合諧波頻率，重新執(zhí)行步驟四；
[0012] 步驟六、根據(jù)轉(zhuǎn)軸的角度位置計(jì)算轉(zhuǎn)速時(shí)刻，按轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)周期將原始振動數(shù)據(jù)分 段，對每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣。
[0013] 依據(jù)上述特征，所述傅里葉變換的公式為：
[0014]
[0015] 依據(jù)上述特征，所述局部信噪比SNRk的公式為：
[0016]
[0017] 其中，PkTM為第k階曬合頻率諧波處帶寬為2B內(nèi)信號總功率，P kb為第k階曬合頻 率諧波處帶寬2B內(nèi)噪聲功率，頻帶帶寬B:
[001 引
[0019] 其中，fi、f2為曬合齒輪兩旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，N1、馬為曬合兩齒輪副的齒數(shù)。
[0020] 依據(jù)上述特征，所述截止階數(shù)的公式：
[0021]
[002引式中，巧"為3地，N,h=Ni或者N2,依據(jù)選擇軸來確定；Ni、N2為曬合兩齒輪副的齒 數(shù)。
[0023] 依據(jù)上述特征，所述步驟六中的重采樣公式為：
[0024]
r二0，1，2，.'.，N
[002引 5=A(M/N)
[0026] 其中，N為重采樣后的點(diǎn)數(shù)，M為重采樣之前原始數(shù)據(jù)段的點(diǎn)數(shù)，Xf為重采樣后數(shù) 據(jù)，Xt為按照轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)周期對原始振動數(shù)據(jù)分段后的數(shù)據(jù)。
[0027] 采用上述方案后，本發(fā)明采用評估曬合頻率諧波處的局部信噪比和截止階數(shù)自動 選取滿足條件的某階曬合頻率諧波作為窄帶濾波的中屯、頻率，無需任何時(shí)標(biāo)信號，而且能 有效提高原始信號的信噪比，為直升機(jī)主減速器齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷提供了依據(jù)。
【附圖說明】
[002引圖1本發(fā)明流程圖；
[0029] 圖2齒輪曬合頻率諧波窄帶濾波譜圖
【具體實(shí)施方式】
[0030] W下結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0031] 為了從直升機(jī)主減速器齒輪箱振動信號中有效地提取有用振動特征，本發(fā)明自動 選取齒輪曬合頻率的特定諧波，并對其進(jìn)行窄帶解調(diào)，從而估計(jì)轉(zhuǎn)軸的角度位置（能轉(zhuǎn)化 成時(shí)標(biāo)），再根據(jù)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)周期時(shí)標(biāo)對原始振動信號進(jìn)行分段與重采樣，最終通過時(shí)域平均 有效地降低振動噪聲，為直升機(jī)主減速器齒輪箱的故障特征提取提供了方法，為后續(xù)狀態(tài) 監(jiān)測和故障診斷奠定了基礎(chǔ)。
[0032] 如圖I所示，本發(fā)明提供一種用于直升機(jī)主減速器齒輪箱的無轉(zhuǎn)速信號時(shí)域同步 平均方法，包括如下步驟：
[0033] 1)對主減速器齒輪箱振動信號進(jìn)行傅里葉變換，得到傅里葉變換頻譜圖。傅里葉 變換的公式為：
[0034]
[0035] 其中，x(t)為主減速器齒輪箱振動信號。
[0036] 。根據(jù)已知近似轉(zhuǎn)速和齒輪齒數(shù)，檢測獲取前立階齒輪曬合頻率諧波的峰值，該 峰值可用于估計(jì)曬合諧波具體值，及下一步驟局部信噪比的估計(jì)。其中檢測頻段寬度為齒 輪曬合頻率諧波的±5%。
[0037] 3)估計(jì)前五階曬合頻率諧波的局部信噪比SNRk和截止階數(shù)選擇截止階數(shù) 最高的曬合頻率諧波。
[003引齒輪第k階曬合頻率諧波的局部信噪比SNRk:
[0039]
[0040] 其中，PkT。為第k階曬合頻率諧波處帶寬為2B內(nèi)信號總功率，Pkb為第k階曬合頻 率諧波處帶寬2B內(nèi)噪聲功率，頻帶帶寬B:
[0041]
[004引其中，fi、f2為曬合齒輪兩旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，N1、馬為曬合兩齒輪副的齒數(shù)。
[0043] 上述步驟（2)中，截止階數(shù)K"der:
[0044]
[0045] 式中，巧W為3地，N,h=N1或者N2 (依據(jù)選擇軸來確定）。
[0046] 4)窄帶解調(diào)選中的曬合頻率諧波，估計(jì)轉(zhuǎn)軸的角度位置。
[0047] 通過W第k階曬合頻率諧波的為中屯、的帶通濾波器，獲得信號 >'(叫==.\'/<(：0扔(/') + /)(/')，采用化化61'1：變換對7(1：)進(jìn)行解調(diào)獲得轉(zhuǎn)速波動。
[0048] 5)判斷轉(zhuǎn)速波動是否超出最大允許值，如果沒有超出，則執(zhí)行下一步，如果超出， 則選擇更低一階的曬合諧波頻率，重新執(zhí)行步驟四。
[0049] 6)估計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)刻，按轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)周期將原始振動數(shù)據(jù)分段，對每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期的數(shù)據(jù) 進(jìn)行重采樣，再進(jìn)行疊加平均。
[0化日]重采樣公式為；
[o05U
r二 0,1,2,...,N
[0052] 5=A(M/N)
[0053] 其中，N為重采樣后的點(diǎn)數(shù)，M為重采樣之前原始數(shù)據(jù)段的點(diǎn)數(shù)，A為原始信號的 采樣間隔，Xt為按照旋轉(zhuǎn)周期對原始振動數(shù)據(jù)分段后的數(shù)據(jù)。
[0054] 可W理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可W根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā) 明構(gòu)思加W等同替換或改變，而所有該些改變或替換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保 護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于主減速器齒輪箱的無轉(zhuǎn)速信號時(shí)域同步平均方法，其特征在于包括如下步 驟： 步驟一、對主減速器齒輪箱振動信號進(jìn)行傅里葉變換，得到傅里葉變換頻譜圖； 步驟二、根據(jù)已知近似轉(zhuǎn)速和齒輪齒數(shù)，檢測獲取前三階齒輪嚙合頻率諧波的峰值，其 中檢測頻段寬度為齒輪嚙合頻率諧波的±5% ; 步驟三、計(jì)算前五階嚙合頻率諧波的局部信噪比SNRk和截止階數(shù)K ，選擇截止階數(shù) 最高的嚙合頻率諧波交下一步處理； 步驟四、窄帶解調(diào)選中的嚙合頻率諧波，計(jì)算轉(zhuǎn)軸的角度位置； 步驟五、判斷轉(zhuǎn)速波動是否超出最大允許值，如果沒有超出，則執(zhí)行下一步，如果超出， 則選擇更低一階的嚙合諧波頻率，重新執(zhí)行步驟四； 步驟六、根據(jù)轉(zhuǎn)軸的角度位置計(jì)算轉(zhuǎn)速時(shí)刻，按轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)周期將原始振動數(shù)據(jù)分段，對 每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無轉(zhuǎn)速信號時(shí)域同步平均方法，其特征在于所述傅里葉變換 的公式為：3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無轉(zhuǎn)速信號時(shí)域同步平均方法，其特征在于所述局部信噪比 SNRk的公式為：其中，P1^t為第k階嚙合頻率諧波處帶寬為2B內(nèi)信號總功率，Pkb為第k階嚙合頻率諧 波處帶寬2B內(nèi)噪聲功率，頻帶帶寬B:其中，f\、f2為嚙合齒輪兩旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，NpN2為嚙合兩齒輪副的齒數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無轉(zhuǎn)速信號時(shí)域同步平均方法，其特征在于所述截止階數(shù) Kmfa的公式：式中，為3dB，Nsh=Ni或者N2，依據(jù)選擇軸來確定；&、N2為嚙合兩齒輪副的齒數(shù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無轉(zhuǎn)速信號時(shí)域同步平均方法，其特征在于所述步驟六中的 重采樣公式為：8=A(M/N) 其中，N為重采樣后的點(diǎn)數(shù)，M為重采樣之前原始數(shù)據(jù)段的點(diǎn)數(shù)，&為重采樣后數(shù)據(jù)，Xt 為按照轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)周期對原始振動數(shù)據(jù)分段后的數(shù)據(jù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于主減速器齒輪箱的無轉(zhuǎn)速信號時(shí)域同步平均方法，包括如下步驟：一、對主減速器齒輪箱振動信號進(jìn)行傅里葉變換，得到傅里葉變換頻譜圖；二、根據(jù)已知近似轉(zhuǎn)速和齒輪齒數(shù)，檢測獲取前三階齒輪嚙合頻率諧波的峰值；三、計(jì)算前五階嚙合頻率諧波的局部信噪比SNRk和截止階數(shù)Korder，選擇截止階數(shù)最高的嚙合頻率諧波交下一步處理；四、窄帶解調(diào)選中的嚙合頻率諧波，計(jì)算轉(zhuǎn)軸的角度位置；五、根據(jù)轉(zhuǎn)軸的角度位置計(jì)算轉(zhuǎn)速時(shí)刻，按轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)周期將原始振動數(shù)據(jù)分段，對每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣。本發(fā)明只需已知近似轉(zhuǎn)速值和齒輪齒數(shù)，無需時(shí)標(biāo)信號，便可自動對原始振動信號進(jìn)行時(shí)域同步平均。
【IPC分類】G01M13/02
【公開號】CN104964822
【申請?zhí)枴緾N201510336548
【發(fā)明人】唐林牧, 沈勇, 鄭國 , 王景霖, 何召華, 單添敏, 林澤力
【申請人】中國航空工業(yè)集團(tuán)公司上海航空測控技術(shù)研究所
【公開日】2015年10月7日
【申請日】2015年6月17日