基于稀疏分段拟合与积分逼近的无转速计阶比分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于稀疏分段拟合与积分逼近的无转速计阶比分析方法。本发明专利技术对旋转机械壳体振动信号进行基于FRFT的改进多尺度线调频基稀疏信号分解，根据分解出啮合频率的动态时间支撑区对瞬时转频分段，在各分段内采用2阶多项式拟合转频曲线，根据拟合结果对各分段采用积分逼近方法代替方程求解，确定等角度重采样时刻，从而准确实现无转速计下旋转机械振动信号的阶比分析。本发明专利技术克服了传统阶比方法单个多项式整体拟合精度不高和方程求解困难、方程无解等因素影响阶比分析精度的问题，有效实现了无转速计条件下旋转机械振动信号的阶比分析，对旋转机械变转速工况状态监测和故障诊断具有现实的工程意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于旋转机械状态监测与诊断领域，尤其涉及一种无转速计阶比分析方法。
技术介绍
变速器作为一种旋转机械，是车辆装备重要动力传输装置，其状态的好坏直接影响机械设备的正常运转，甚至造成更大的经济损失，采用有效方法对变速器进行状态监测，并及时诊断出早起微弱故障，对减少经济损失，维持设备高效运行，具有十分重要的现实意义。变速器状态监测与诊断方法有多种，其中振动分析方法因其便于在线或离线监测，被广泛应用。变速器早期故障振动特征微弱，稳态运行时难以充分体现微弱故障特征；维修专家经验表明，变速器变转速运行时的振动信号更能有效暴露微弱故障特征，但需要有效的非平稳信号分析方法进行特征提取。阶比跟踪是工程实际中常用的旋转机械变转速过程信号分析方法，其关键是要根据转速信息将等时间采样信号重采样成等角度采样信号，当不具备转速脉冲信号时，应用受限。无转速计阶比分析，根据振动信号估计转速信息，再等角度重采样，该方法不需要安装转速采集装置，能分析现场没有同步采集转速信号的离线振动信号，在旋转机械变转速过程分析中得到越来越广泛的应用。无转速计阶比的原理及其存在的问题如下：1.无转速计阶比分析原理无转速计阶比分析方法根据估计出的瞬时频率，计算等角度采样时刻，通过插值实现等角度重采样，具体实现过程如下:(1)采用瞬时频率估计方法，估计出参考轴瞬时频率，对该瞬时频率进行多项式拟合，假设采用3阶多项式拟合，则有：f(t)＝at3+bt2+ct+d   (1)(2)确定最大分析阶次Omax；(3)计算等角度采样间隔Δθ，依据采样定理，等角度采样率需大于或等于最大分析阶次的两倍，因此：Os≥2Omax,Os=2πΔθ≥2Omax,Δθ≤πOmax---(2)]]>(4)计算重采样后数据的长度N：2π∫0Tf(t)dt=NΔθ---(3)]]>式中，T为采样总时间，f(t)为频率拟合函数。(5)计算重采样时刻Tn：2π∫T0Tnf(t)dt=nΔθ,n=1,2,3,···,N---(4)]]>a4Tn4+b3Tn3+c2Tn2+dTn=nΔθ2π+(a4T04+b3T03+c2T03+dT0)---(5)]]>式中，T0为时间起点。求方程(5)的有效解，即可求得等角度重采样时刻Tn。(6)根据Tn对振动信号进行插值，获得等角度采样信号，再进行FFT变换，得到无转速计的阶比谱。2.存在问题从上述无转速计阶比分析原理可以看出，传统无转速计阶比方法的三个关键步骤如下：(1)从振动信号中准确估计瞬时频率。目前，常用的估计瞬时频率方法是：通过搜索旋转机械振动信号的时频谱图峰值获得某个阶比分量的瞬时频率，进而得到所需要的参考轴转速，分析精度受到频率分辨率的限制；文献(梅检民等人在《振动工程学报》，2013，26(1)：135-142.发表的论文《基于FRFT的改进多尺度线调频基稀疏信号分解方法》)能有效分解频率呈曲线变化的多分量信号，并估计瞬时频率，取得了良好的应用效果；(2)对瞬时频率进行多项式拟合确定瞬时频率函数。传统无转速计阶比方法，多采用单一多项式对整个时间范围进行拟合，多项式阶次越低，拟合精度较差，多项式阶次越高，拟合精度有所提高，但方程(5)越复杂；(3)求解拟合频率积分方程(4)的实数解确定等角度重采样时刻。拟合多项式阶次越高，方程(5)越复杂，越容易出现无解、无实数解等情况，导致得不到等角度采样时刻，或等角度重采样时刻不准确。因此，传统的无转速计阶比方法存在低阶多项式拟合精度差，高阶拟合频率积分方程难求解的问题，导致阶比分析无结果，或分析结果精度低，使得无转速计阶比算法的工程应用受到局限。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，而提供一种准确、稳健的无转速计阶比分析方法，对变速器壳体振动信号进行分析，即可实现变速器变转速工况下齿轮早期故障快捷、准确诊断的目的。本专利技术为实现上述目的，采用以下技术方案：采用基于分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier Transform,FRFT)的改进多尺度线调频基稀疏信号分解方法对变速器振动信号进行分解并估计瞬时频率，根据分解啮合频率的动态时间支撑区对瞬时频率进行多尺度稀疏分段，在各段内采用2阶多项式拟合转频曲线，得到转频的分段拟合函数，提高拟合精度；构建积分逼近方法代替方程求解确定等角度重采样时刻，解决方程无解、无实数解对阶比计算的影响等问题；根据等角度重采样时刻对振动信号进行等角度重采样，并进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)分析，得到基于稀疏分段拟合与积分逼近的无转速计阶比谱。本专利技术包括两个关键技术：稀疏分段拟合频率函数和积分逼近求解等角度重采样时刻，下面详细介绍两者的方法原理：1.稀疏分段拟合频率函数采集BJ2020S变速器置二档变速过程振动信号，二档阶比为12.03，对振动信号进行基于FRFT的多尺度线调频基稀疏信号分解，分解出的二档啮合频率曲线如图1所示，可以看出基于FRFT的多尺度线调频基稀疏信号分解在频率变化简单区间选择大尺度基函数分解，在频率变化复杂区间选择小尺度基函数分解，分解出的啮合频率较好地吻合了实际频率特征。分解啮合频率对应I1,I2,…,I6动态时间支撑区，由于各区间线性调频基函数的瞬时频率都是斜直线，在各区间端点连接处出现了锯齿波动，为了更好的贴近实际频率，对各区间分解频率中间点进行三次样条插值，根据插值后的啮合频率和阶比，计算出插值后的瞬时转频(啮合频率/二档阶比)，结果如图2所示，插值后的瞬时转频能更好地贴近实际转频。从图1可以看出，变速器变转速过程频率呈曲线不规则变化，不同的变转速过程，频率曲线变化也会不同。传统无转速计阶比方法采用单个多项式对频率区间进行整体拟合，在整体趋势和局部特征上难以两全；当频率变化复杂时，即使多项式阶次很高，也难以贴近频率变化特征拟合，而且对于不同信号，必须重新选择合适的多项式阶次，缺乏自适应性，工程实用性差。如果采用分段拟合，会适当降低拟合多项式阶次并保证拟合精度，但如何根本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于稀疏分段拟合与积分逼近的无转速计阶比分析方法，其特征是：对旋转机械壳体振动信号进行基于分数阶傅里叶变换的改进多尺度线调频基稀疏信号分解，根据分解啮合频率的动态时间支撑区对瞬时转频分段，在各分段内采用2阶多项式拟合转频曲线，根据拟合结果对各分段采用积分逼近方法代替求解方程，确定等角度重采样时刻，从而准确实现无转速计下旋转机械振动信号的阶比分析，具体步骤如下：(1)在旋转机械输出轴轴承座径向位置安装振动传感器；(2)在旋转机械变转速工况下，采集一定长度的振动信号，信号长度需覆盖整个变转速过程；(3)采用基于分数阶傅里叶变换的改进多尺度线调频基稀疏信号分解对振动信号进行分解，对分解出的啮合频率中间点进行三次样条插值，根据插值后的啮合频率计算瞬时转频；(4)根据啮合频率对应的动态时间支撑区Ii,i＝1,2,…NI，其中NI为分解频率对应的动态时间支撑区个数，对瞬时转频进行分段，并在各段内进行2多项式拟合，得出转频分段函数fi(t)；(5)确定最大分析阶次Omax，计算等角度采样间隔Δθ≤π/Omax；(6)计算区间Ii内等角度重采样后数据点数Nθi；(7)积分逼近求解等角度重采样时刻(8)根据Tn对振动信号进行插值，实现等角度重采样，对等角度重采样后信号进行快速傅里叶变换，得到基于稀疏分段拟合与积分逼近的无转速计阶比谱。...

【技术特征摘要】
1.一种基于稀疏分段拟合与积分逼近的无转速计阶比分析方法，
其特征是：对旋转机械壳体振动信号进行基于分数阶傅里叶变换的改
进多尺度线调频基稀疏信号分解，根据分解啮合频率的动态时间支撑
区对瞬时转频分段，在各分段内采用2阶多项式拟合转频曲线，根据
拟合结果对各分段采用积分逼近方法代替求解方程，确定等角度重采
样时刻，从而准确实现无转速计下旋转机械振动信号的阶比分析，具
体步骤如下：
(1)在旋转机械输出轴轴承座径向位置安装振动传感器；
(2)在旋转机械变转速工况下，采集一定长度的振动信号，信号
长度需覆盖整个变转速过程；
(3)采用基于分数阶傅里叶变换的改进多尺度线调频基稀疏信号
分解对振动信号进行分解，对分解出的啮合频率中间点进行
三次样条插值，根据插值后的啮合频率计...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅检民，肖云魁，赵慧敏，曾锐利，周斌，贾继德，沈虹，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事交通学院，
类型：发明
国别省市：天津;12