综合传动振动信号波动转速精准提取与信号校正方法

技术领域

本发明属于复杂传动系统故障诊断技术领域，具体涉及一种综合传动振动信号波动转速精准提取与信号校正方法。

背景技术

复杂传动系统的故障诊断，一般要在平稳工况下运行，然后采集振动信号，通过对振动信号进行频谱分析，确定特征频率成分的幅值并计算相关指标，从而实现对传动系统健康状态的评估或对故障的分析与定位。然而，在实际运行条件下，无论是台架还是实车，恒定转速的平稳工况是不存在的，即使将目标转速设为固定值，受其它系统及台架控制精度等影响，实际运行转速通常都是在目标转速上下波动，导致实际振动信号的频率成分随转速波动而变化，给振动信号处理及相关状态监测和诊断带来了极大困扰，迫切需要从振动信号中提取转速波动并将其去除。传统的方法是在输入轴等传动系统关键环节增加转速传感器采集实时波动的转速信号，然后通过信号处理方法将转速波动影响去除。然而，由于履带装甲车辆综合传动系统结构高度集成紧凑，无论是台架试验还是实车，增加额外的转速传感器满足信号处理要求都非常不现实。

事实上，不仅是综合传动系统，对大部分重要装备复杂传动系统增加额外传感器都会对装备可靠性带来极大影响，因此，需要通过专用信号处理方法，从振动信号中直接去除转速波动影响。一种常见的转速波动估计方法是相位解调，该方法选取振动信号中与转速相关的某一阶倍频成分，利用滤波器过滤出该成分分量，并进行相位解调得到该分量的相位，再根据相位信息的一阶导数得到转速信息。但是，该方法严重受制于噪声的影响，在噪声较大的环境下，会产生较大的分析误差。另一种转速波动估计方法是时频分析方法，该方法对振动信号的某阶分量进行时频分析，如通过短时傅里叶变换给出其时频分布，再对时频分布结果进行脊线提取，通过提取到的脊线估计转速波动。然而由于时频分辨率的限制，基于时频分析方法的转速波动提取方法精度有限，不能准确地提取转速波动。并且，对采样频率较高的信号进行分析，需要较大的计算成本。

经过对现有技术检索发现，专利号CN202011427884.0，公开日期2021-03-30，公开了一种转速波动下滚动轴承包络阶次谱故障特征的提取方法，该方法通过希尔伯特变换得到信号的包络信号，通过短时傅里叶变换获取包络信号的时频谱，通过峰值搜索算法从所述时频谱中提取频率序列，作为对转速波动的一种估计。该方法属于上述基于时频分析的转速波动估计方法，受时频分辨率的限制，不能实现对转速波动的精确检测。

经过对现有技术检索发现，专利号CN201710781137.9，公开日期2018-03-09，公开了一种旋转设备瞬时转速估计方法，该方法首先利用参数化时频分析方法粗略估计振动信号瞬时频率，然后利用包络跟踪滤波技术估计信号包络，再利用相位解调方法提取包络信号的瞬时频率，该方法即为上述基于时频分析和相位解调相组合的方法，受到噪声的影响，转速估计有较大误差。除此之外，参数化时频分析和包络信号计算都需要较高计算成本。

针对综合传动系统无转速追踪情况下的振动信号转速波动影响去除问题，现有基于相位解调的方法在含噪条件下会产生较大误差，而基于时频分布的方法受到时频分辨率的限制，难以在含噪声的情况下准确提取转速波动，在转速波动较为微弱的情况下甚至难以实现，故而无法对振动信号中的转速波动进行去除，且此类方法计算成本较高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种综合传动振动信号波动转速精准提取与信号校正方法。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种综合传动振动信号波动转速精准提取与信号校正方法，所述方法的实施涉及转速波动放大单元、转速波动提取单元和转速波动去除单元；

其中，所述转速波动放大单元用于选定振动信号中某阶信噪比较高的倍频成分，将瞬时频率的波动增大；

所述转速波动提取单元用于提取放大的瞬时频率波动，根据其与原成分的关系以及原成分与转速的关系，精确提取转速波动；

所述转速波动去除单元用于根据提取到的高精度转速波动对信号进行重采样，从而得到无转速波动影响的综合传动系统振动信号；

所述方法包括以下步骤：

步骤A：转速波动放大单元选定振动信号中某阶信噪比较高的倍频成分，将瞬时频率的波动增大；

步骤B：所述转速波动提取单元提取放大的瞬时频率波动，根据其与原成分的关系以及原成分与转速的关系，精确提取转速波动；

步骤C：所述转速波动去除单元用于根据提取到的高精度转速波动对信号进行重采样，从而得到无转速波动影响的综合传动系统振动信号。

其中，所述步骤A具体包括如下子步骤：

步骤A1：将一物理意义明确的、与转速变化趋势相同的高阶分量移动至低频；

步骤A2：对信号的瞬时频率进行放大，利用脊线提取瞬时频率；

步骤A3：利用脊线提取结果计算放大前的瞬时频率；

步骤A4：根据所选阶次计算转速波动；

步骤A5：根据计算得到的转速波动将原信号重采样为平稳信号。

其中，所述步骤A1至步骤A5的过程，是对选定特征分量采取两升两降的调制方法，能够大幅度地减少脊线提取所需要的时频分布计算成本，从而提升瞬时转速估计的计算效率。

其中，所述步骤A1包括：

步骤A1-1：第一次下降，选取振动信号s(t)中一阶物理意义明确且与转速变化趋势相同的高阶分量s

步骤A1-2：对分量成分进行负调制，即将瞬时频率向下搬移，表示为s

其中，之所以在所述步骤A1进行下降，是考虑到时频分析的时间复杂度较高，将信号平移到低频处降采样，可以减小分析信号的采样频率，降低所需要进行时频分析的数据点数，提高计算效率；除此之外，降采样还对瞬时频率进行了一定的平滑，有助于参数化瞬时频率的拟合。

其中，所述步骤A2包括如下子步骤：

步骤A2-1：第一次上升，先对信号进行平方操作，再进行带通滤波

步骤A2-2：对该信号

步骤A2-3：对得到的信号进行短时傅里叶变换得到时频分布，此时可利用脊线提取方法得到放大后的瞬时频率为f

其中，所述步骤A2-2中，瞬时频率波动得到了2

其中，所述步骤A3中，第二次下降，对于瞬时频率f

其中，所述步骤A4中，第二次上升，对于瞬时频率

其中，所述步骤A5中，理论上希望瞬时转速是恒定的，即

(三)有益效果

与现有技术相比较，本发明提供一种综合传动振动信号波动转速精准提取与信号校正方法，其涉及转速波动放大、转速波动提取和转速波动去除，其中最为具备新颖特点的为其转速波动放大方法。该方法能将原本转速波动进行放大，对放大的转速波动进行提取可以提高转速波动的提取精度，进而保证转速波动取出后信号的平稳性，提升基于频谱的故障诊断方法效果。

附图说明

图1为本综合传动振动信号波动转速精准提取与信号校正方法流程图。

图2为本发明实施例中原始信号高阶成分负调制至低频处的时频分布图。

图3为本发明实施例中信号第一次上升后的时频分布图。

图4为本发明实施例中估计的高精度转速信号示意图。

图5为本发明实施例中原信号的频谱示意图。

图6为本发明实施例中去转速信号的频谱示意图。

图7为本发明实施例中原信号频谱的局部放大示意图。

图8为本发明实施例中去转速信号频谱的局部放大示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决上述技术问题，本发明提供一种综合传动振动信号波动转速精准提取与信号校正方法，所述方法的实施涉及转速波动放大单元、转速波动提取单元和转速波动去除单元；

其中，所述转速波动放大单元用于选定振动信号中某阶信噪比较高的倍频成分，将瞬时频率的波动增大；

所述转速波动提取单元用于提取放大的瞬时频率波动，根据其与原成分的关系以及原成分与转速的关系，精确提取转速波动；

所述转速波动去除单元用于根据提取到的高精度转速波动对信号进行重采样，从而得到无转速波动影响的综合传动系统振动信号；

所述方法包括以下步骤：

步骤A：转速波动放大单元选定振动信号中某阶信噪比较高的倍频成分，将瞬时频率的波动增大；

步骤B：所述转速波动提取单元提取放大的瞬时频率波动，根据其与原成分的关系以及原成分与转速的关系，精确提取转速波动；

步骤C：所述转速波动去除单元用于根据提取到的高精度转速波动对信号进行重采样，从而得到无转速波动影响的综合传动系统振动信号。

其中，以上方案实施中，为本发明独创、从未被公开且其工作方式与任何现有文献记载均不相同的是转速波动放大过程。该方法能将原本转速波动进行放大，对放大的转速波动进行提取可以提高转速波动的提取精度，进而保证转速波动取出后信号的平稳性，提升基于频谱的故障诊断方法效果。

该过程可总结为两降两升过程。能够以较低的运算成本对微小的转速波动进行去除。假设转速为f

其中，如图1所示，所述步骤A具体包括如下子步骤：

步骤A1：将一物理意义明确的、与转速变化趋势相同的高阶分量移动至低频；

步骤A2：对信号的瞬时频率进行放大，利用脊线提取瞬时频率；

步骤A3：利用脊线提取结果计算放大前的瞬时频率；

步骤A4：根据所选阶次计算转速波动；

步骤A5：根据计算得到的转速波动将原信号重采样为平稳信号。

其中，所述步骤A1至步骤A5的过程，是对选定特征分量采取两升两降的调制方法，能够大幅度地减少脊线提取所需要的时频分布计算成本，从而提升瞬时转速估计的计算效率。

其中，所述步骤A1包括：

步骤A1-1：第一次下降，选取振动信号s(t)中一阶物理意义明确且与转速变化趋势相同的高阶分量s

步骤A1-2：对分量成分进行负调制，即将瞬时频率向下搬移，表示为s

其中，之所以在所述步骤A1进行下降，是考虑到时频分析的时间复杂度较高，将信号平移到低频处降采样，可以减小分析信号的采样频率，降低所需要进行时频分析的数据点数，提高计算效率；除此之外，降采样还对瞬时频率进行了一定的平滑，有助于参数化瞬时频率的拟合。

其中，所述步骤A2包括如下子步骤：

步骤A2-1：第一次上升，先对信号进行平方操作，再进行带通滤波

步骤A2-2：对该信号

其中，所述步骤A2-2中，瞬时频率波动得到了2

步骤A2-3：对得到的信号进行短时傅里叶变换得到时频分布，此时可利用脊线提取方法得到放大后的瞬时频率为f

该步骤中的平方操作主要基于一个简单的三角函数变换公式：

其中，所述步骤A3中，第二次下降，对于瞬时频率f

其中，所述步骤A4中，第二次上升，对于瞬时频率

其中，所述步骤A5中，理论上希望转速是恒定的，即

实施例1

本实施例以传动系统实测信号进行算例，介绍本发明具体实施方式并验证有效性。假设瞬时转频为f

所述综合传动振动信号波动转速精准提取与信号校正方法具体包括如下步骤：

步骤1，第一次下降，选取振动信号s(t)中一阶物理意义明确的与转速变化趋势相同的高阶分量s

步骤2，第一次上升，先对信号进行平方操作，再进行带通滤波

此时瞬时频率波动得到了2

步骤3，第二次下降，对于瞬时频率f

步骤4，第二次上升，对于瞬时频率

步骤5，理论上希望转速是恒定的，即

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。