振动信号解调的综合传动齿轮支撑异常检测方法及系统

技术领域

本发明属于履带车辆综合传动装置故障检测技术领域，具体涉及一种振动信号解调的综合传动齿轮支撑异常检测方法及系统。

背景技术

综合传动装置是一种复杂的机-电-液耦合传动系统，能够实现转向、换挡、变速等一体化操控，是履带车辆的核心零部件之一。由于综合传动装置结构高度集成，各部件紧密关联，任何零部件发生故障都有可能导致整个系统发生失效，从而影响履带车辆的机动性和可靠性。据不完全统计，在旋转机械设备中齿轮发生故障的概率高达60％，检测齿轮是否发生故障对于避免事故发生具有重要意义。

目前在旋转机械的齿轮故障检测领域主要存在三类技术，第一类技术使用经验模态分解将设备的振动信号分解为若干本征模态分量，然后用本征模态分量重组后的信号进行检测；第二类技术使用稀疏分解，将设备的振动信号与参数化字典进行匹配，然后基于匹配追踪或者统计指标提取信号中的冲击特性，对齿轮的健康状态进行检测；第三类技术通过针对不同的齿轮故障检测问题，设计不同的神经网络架构并训练得到可用于各种工况下的分类器，从而将齿轮故障检测问题转化为机器学习中的二分类或多分类问题。上述技术最终均依赖于齿轮啮合频率处的幅值，或者调制边带幅度与啮合频率幅度的比值。

综合传动装置中中大量采用支撑轴固定不转，齿轮随支撑轴承外圈旋转的特殊结构，齿轮通过仅外圈旋转的轴承与轴相连接，轴的两端完全固支，无法转动。这种支撑型式在综合传动装置的前传动、风扇传动、泵组辅助传动等主要部件均普遍存在，主要用于实现动力的传递与分流。由于装甲装备综合传动装置高功率密度和高速重载的特点，系统变形极大，并且因其内部结构高度集成共用，测量和检验困难，样本量小加工装配稳定性差，受加工制造误差累积等影响极大，极易在出厂阶段就天生支撑状态异常并进一步导致服役阶段故障，严重影响装备可靠性及使用寿命。由于结构的特殊性，该类齿轮支撑状态异常不会在振动信号啮合频率及其调制边带上反映，导致经典的旋转机械齿轮故障检测技术失效，不能满足实际的工程需求。

目前没有针对综合传动装置齿轮故障检测方面的专利，有直升机行星齿轮、风力发电机齿轮等故障检测方面的专利，例如《元度量学习驱动的直升机行星齿轮箱故障诊断方法》。

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克服上述现有技术问题，提供一种综合传动装置齿轮支撑状态异常检测方法及系统。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种振动信号解调的综合传动齿轮支撑异常检测系统，所述系统用于实现综合传动装置齿轮的支撑状态异常进行检测；

所述系统包括：振动传感器、多通道数据采集装置、计算机及安装在计算机上的数据分析模块；

其中，所述振动传感器与多通道数据采集装置相连接，用于将综合传动装置的振动特性转化为电信号输入；

所述多通道数据采集装置用于将电信号转化为数字信号并输入相连接的计算机；

所述安装在计算机上的数据分析模块用于实现综合传动装置齿轮支撑状态异常检测，对数字信号进行分析，给出齿轮是否发生故障的检测结果。

其中，所述振动传感器用于在综合传动装置运行在特定挡位、加载工况的情况下，在发动机转频为f

其中，所述多通道数据采集装置用于将所述振动信号转换为数字信号，并输入相连接的计算机。

其中，所述安装在计算机上的数据分析模块用于实现综合传动装置齿轮支撑状态异常检测，对数字信号进行分析，给出齿轮是否发生故障的检测结果；

其具体检测过程包括：

步骤1：对数字信号形式的振动信号，进行去均值、去趋势项预处理，得到离散振动信号s(t

步骤2：考虑到当发动机转速处于波动或变化状态时，齿轮转频f

其中，j为虚数单位，θ

定义频率解调算子

a

当解调频率与瞬时齿轮转频相等时，即f

此时解调信号相位中的调频项被消除，该信号变为一个集中在载波f

为了估计最优的解调频率，用解调信号二阶导数能量来评估信号的光滑程度，进而反映信号的带宽大小，具体而言，求解如下优化问题：

其中，i＝1,2,...,K表示考虑的齿轮转频f

步骤3：对

步骤4：考虑到传动误差因素，设置阶次容差范围[Ω

式中，下标[K]表示齿轮转频的K次谐波成分所处的阶次容差范围；

步骤5：定义齿轮转频f

类似地，可以计算发动机输入转频的旋转冲击测度I

其中，所述步骤5中，旋转冲击测度I

其中，一般情况下，若I

此外，本发明提供一种振动信号解调的综合传动齿轮支撑异常检测方法，其采用所述的振动信号解调的综合传动齿轮支撑异常检测系统来实施，所述方法包括如下步骤：

步骤0：使综合传动装置运行在特定挡位、加载工况下，在发动机转频为f

步骤1：对数字信号形式的振动信号，进行去均值、去趋势项预处理，得到离散振动信号s(t

步骤2：考虑到当发动机转速处于波动或变化状态时，齿轮转频f

其中，j为虚数单位，θ

定义频率解调算子

a

当解调频率与瞬时齿轮转频相等时，即f

此时解调信号相位中的调频项被消除，该信号变为一个集中在载波f

为了估计最优的解调频率，用解调信号二阶导数能量来评估信号的光滑程度，进而反映信号的带宽大小，具体而言，求解如下优化问题：

其中，i＝1,2,...,K表示考虑的齿轮转频f

步骤3：对

步骤4：考虑到传动误差因素，设置阶次容差范围[Ω

式中，下标[K]表示齿轮转频的K次谐波成分所处的阶次容差范围；

步骤5：定义齿轮转频f

类似地，可以计算发动机输入转频的旋转冲击测度I

其中，所述步骤5中，旋转冲击测度I

其中，一般情况下，若I

(三)有益效果

与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：

(1)本发明针对齿轮支撑状态异常故障，提出了专门的检测方法及判定标准，具体基于提出的多谐波最优解调方法和旋转冲击测度判据，能够有效实现齿轮支撑状态异常故障检测，对现有技术只能实现典型齿轮的点蚀、磨损、断齿等常见故障类型的检测实现了良好补充。

(2)本发明考虑了综合传动装置结构固有的复杂传动关系所引入的传动误差，通过多谐波最优解调消除幅值畸变，进而通过设置阶次容差并采用特殊的归一化策略克服频率偏移的影响，对齿轮的旋转频率及啮合频率均能够实现精准定位。

附图说明

图1为本发明综合传动装置齿轮支撑状态异常检测方法流程图；

图2为本发明实施例中在综合传动装置泵组传动处测试的振动信号波形及频谱图；

图3为本发明实施例中估计的最优解调频率示意图；

图4为本发明实施例中应用最优解调频率进行阶次跟踪后齿轮转频阶次处的幅值结果；

图5为本发明实施例中齿轮转频的旋转冲击测度与发动机输入转频的旋转冲击测度对比图。

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，本发明提供一种振动信号解调的综合传动齿轮支撑异常检测系统，所述系统用于实现综合传动装置齿轮的支撑状态异常进行检测；

所述系统包括：振动传感器、多通道数据采集装置、计算机及安装在计算机上的数据分析模块；

其中，所述振动传感器与多通道数据采集装置相连接，用于将综合传动装置的振动特性转化为电信号输入；

所述多通道数据采集装置用于将电信号转化为数字信号并输入相连接的计算机；

所述安装在计算机上的数据分析模块用于实现综合传动装置齿轮支撑状态异常检测，对数字信号进行分析，给出齿轮是否发生故障的检测结果。

其中，所述振动传感器用于在综合传动装置运行在特定挡位、加载工况的情况下，在发动机转频为f

其中，所述多通道数据采集装置用于将所述振动信号转换为数字信号，并输入相连接的计算机。

其中，所述安装在计算机上的数据分析模块用于实现综合传动装置齿轮支撑状态异常检测，对数字信号进行分析，给出齿轮是否发生故障的检测结果；

其具体检测过程包括：

步骤1：对数字信号形式的振动信号，进行去均值、去趋势项预处理，得到离散振动信号s(t

步骤2：考虑到当发动机转速处于波动或变化状态时，齿轮转频f

其中，j为虚数单位，θ

定义频率解调算子

a

当解调频率与瞬时齿轮转频相等时，即f

此时解调信号相位中的调频项被消除，该信号变为一个集中在载波f

为了估计最优的解调频率，用解调信号二阶导数能量来评估信号的光滑程度，进而反映信号的带宽大小，具体而言，求解如下优化问题：

其中，i＝1,2,...,K表示考虑的齿轮转频f

步骤3：对

步骤4：考虑到传动误差因素，设置阶次容差范围[Ω

式中，下标[K]表示齿轮转频的K次谐波成分所处的阶次容差范围；

步骤5：定义齿轮转频f

类似地，可以计算发动机输入转频的旋转冲击测度I

其中，所述步骤5中，旋转冲击测度I

其中，一般情况下，若I

此外，本发明提供一种振动信号解调的综合传动齿轮支撑异常检测方法，其采用所述的振动信号解调的综合传动齿轮支撑异常检测系统来实施，所述方法包括如下步骤：

步骤0：使综合传动装置运行在特定挡位、加载工况下，在发动机转频为f

步骤1：对数字信号形式的振动信号，进行去均值、去趋势项预处理，得到离散振动信号s(t

步骤2：考虑到当发动机转速处于波动或变化状态时，齿轮转频f

其中，j为虚数单位，θ

定义频率解调算子

a

当解调频率与瞬时齿轮转频相等时，即f

此时解调信号相位中的调频项被消除，该信号变为一个集中在载波f

为了估计最优的解调频率，用解调信号二阶导数能量来评估信号的光滑程度，进而反映信号的带宽大小，具体而言，求解如下优化问题：

其中，i＝1,2,...,K表示考虑的齿轮转频f

步骤3：对

步骤4：考虑到传动误差因素，设置阶次容差范围[Ω

式中，下标[K]表示齿轮转频的K次谐波成分所处的阶次容差范围；

步骤5：定义齿轮转频f

类似地，可以计算发动机输入转频的旋转冲击测度I

其中，所述步骤5中，旋转冲击测度I

其中，一般情况下，若I

实施例1

本实施例提供一种振动信号解调的综合传动齿轮支撑异常检测方法，如图1所示，所述方法包括如下步骤：

步骤1，使综合传动装置运行在前进挡四档、50％加载工况下，在发动机转速为2300RPM时候(对应转频f

步骤2，考虑齿轮转频f

其中，a

/>

相应的频率解调算子为

步骤3，对

步骤4：考虑到传动误差等因素，设置阶次容差范围[Ω

式中，下标[K]表示泵组齿轮转频的K次谐波成分所处的阶次容差范围。

步骤5，计算泵组齿轮转频f

类似地，同样计算发动机输入转频的旋转冲击测度I

总社，本发明属于履带车辆综合传动装置故障检测技术领域，具体涉及一种振动信号解调的综合传动齿轮支撑异常检测方法及系统。针对现有技术只能实现典型齿轮的点蚀、磨损、断齿等常见故障类型的检测，对于齿轮支撑状态异常故障检测没有开发相应的检测方法及判定标准；以及现有技术未考虑综合传动装置结构固有的复杂传动关系所引入的传动误差，从而无法处理传动误差导致的频率偏移和幅值畸变；及对其常用的齿轮支撑轴固定的支撑型式，相关旋转频率及啮合频率都无法在频谱上实现精准定位的问题。本发明针对综合传动装置典型齿轮支撑型式下，其支撑状态异常导致严重故障的问题，提出多谐波最优解调方法和旋转冲击测度判据，有效实现齿轮支撑状态异常的检测，进而考虑综合传动装置固有的传动误差所引发的频率偏移和幅值畸变，通过多谐波最优解调消除幅值畸变，进而通过设置阶次容差并采用特殊的归一化策略克服频率偏移的影响。

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。