一种齿轮箱振动的辨识方法

技术领域

本发明涉及机械设备中的传动部件的振动检测，尤其涉及一种齿轮箱振动的辨识方法。

背景技术

齿轮箱是机械设备以及汽车中传动部件的关键基础零部件，齿轮箱的振动大小关乎整个部件的服役安全。由于齿轮箱制造过程中难免会出现安装、设计与加工误差，该误差在整个部件运行过程中不可避免地会激发异常振动，而如何辨识出齿轮箱的振动源头，锁定振源位置，对齿轮箱加工制造及其部件安全高效服役至关重要。

由于整个齿轮箱结构复杂，由多级轮系传动组成，其振动传递路径曲折悠长，造成振动信号从源头传到传感器测点处已经衰减的极其微弱；而且，齿轮箱只是整个机械设备或者生产链条中的一小部分，齿轮箱的振动信号淹没在其他零部件的振动信号中难以分离，加之工作环境中强烈的背景噪声，导致对齿轮箱振动源头的辨识难上加难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种齿轮箱振动的辨识方法，其通过激活振动信号中齿轮箱振源的微弱振动信号与背景噪声的谐波高斯随机共振，增强了齿轮箱振源的微弱振动信号，以实现齿轮箱的振源辨识。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种齿轮箱振动的辨识方法，包括以下具体步骤：

（1）、在齿轮箱上安装振动传感器，获取齿轮箱的振动信号，表示为F(t)；

（2）、将齿轮箱的振动信号F(t)输入谐波高斯随机共振系统：

其中：x(t)为谐波高斯随机共振系统的输出振动信号；γ为系统的阻尼因子；k、

（3）、获取谐波高斯随机共振系统的最优参数对为（α

（4）、将步骤（3）所获得的最优参数对（α

数值求解该共振系统的最佳输出振动信号

进一步地，所述的步骤（1）中，将振动传感器安装在齿轮箱的输入端的轴承端盖上，且设定振动传感器的采样频率为齿轮箱振动频率范围中最大值的1～2倍，采样时长为1～2s。

进一步地，所述的步骤（3）中，所述的共振系统的最优参数对的获取方法为：初始 化γ、k、α和β四个参数的寻优范围，分别为γ∈(0，1]，k∈[-5，5]，α∈[-5，5]，β∈[-5，5]， 并计算修正的峭度指标WKC：

进一步地，所述的修正的峭度指标

其中：M为采样点数，n为自然数，其取值范围为n∈[1，M]；

与现有技术相比，本发明的优点是本方法通过建立谐波高斯随机共振系统以增强齿轮箱振源的微弱振动信号，并基于多层编码遗传算法优化谐波高斯随机共振系统的四个参数，实现了复杂齿轮箱振源的准确辨识，助力齿轮箱反馈优化设计。

附图说明

图1a为本发明在实验中所获得的齿轮箱的原始振动信号；

图1b为与图1a的原始振动信号相对应的频谱；

图1c为与图1a的原始振动信号相对应的包络谱；

图2a为经本发明的方法处理后的共振增强后的输出振动信号；

图2b为与图2a的输出振动信号相对应的局部放大频谱；

图3a为通过鲁棒的局部均值分解方法得到的振动信号；

图3b为与图3a的振动信号相对应的局部放大包络谱。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图所示，一种齿轮箱振动的辨识方法，包括以下具体步骤：

（1）、根据齿轮箱的设计参数（输入转速和振动信号频带）选择具有对应频响的振动传感器，然后在齿轮箱的输入端的轴承端盖上安装振动传感器，且设定振动传感器的采样频率为齿轮箱振动频率范围中最大值的1～2倍，采样时长为1～2s，获取齿轮箱的振动信号，表示为F(t)；

（2）、将齿轮箱的振动信号F(t)输入谐波高斯随机共振系统：

其中：x(t)为谐波高斯随机共振系统的输出振动信号；γ为系统的阻尼因子；k、

（3）、初始化γ、k、α和β四个参数的寻优范围，分别为γ∈(0，1]，k∈[-5，5]，α∈[-5，5]，β∈[-5，5]，并计算修正的峭度指标WKC：

其中：C表示共振系统的输出振动信号x(t)与齿轮箱的振动信号F(t)之间的互相 关系数，K表示共振系统的输出振动信号x(t)的无量纲峭度指标，M为采样点数，n为自然数， 其取值范围为n∈[1，M]；

（4）、将步骤（3）所获得的最优参数对（α

数值求解该共振系统的最佳输出振动信号

下面是对齿轮箱进行振源辨识的实验验证过程。

首先，利用复杂齿轮箱实验台验证本发明的辨识方法，在齿轮箱的输入端的轴承端盖处安装振动传感器，设定振动传感器的采样频率为20kHz，采样时间为1s，获取复杂齿轮箱的多源强耦合振动信号F(t)，如图1a～1c所示，信号中噪声强烈，多源振动信号强耦合，看不出明显的振动分量，而其频谱与包络谱中也观察不到明显的振动分量，基本被背景噪声所淹没，尽管在1000Hz处存在明显特征谱峰，但是通过与齿轮箱各振动部位理论计算频率的比较，发现其与齿轮箱的振源无关。

然后利用本发明的方法处理复杂齿轮箱的振动信号F(t)，结果如图2a～2b所示，可以看出在频率f

为了对比，图3a～3b给出了鲁棒的局部均值分解方法的结果，可以看出分解出的分量信号中并无明显的周期冲击特征，而其局部放大包络谱中清晰的谱峰均不是驱动端轴承外圈故障特征及其谐波，由此可见，该方法无法辨识齿轮箱的振源。

综上所述，本发明的齿轮箱振动辨识方法，通过建立谐波高斯随机共振系统，以修正的峭度指标作为多层编码遗传算法的目标函数，优化谐波高斯随机共振系统的四个参数，最佳地激活噪声与齿轮箱微弱振动信号的协同共振，实现齿轮箱振源激励出的微弱振动信号增强，从而辨识出齿轮箱的振源位置。

本发明的保护范围包括但不限于以实施方式，其保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。