一种基于磁电式转速传感器的齿轮健康状态监测方法技术

一种基于磁电式转速传感器的齿轮健康状态监测方法，利用磁电式转速传感器具有时标功能的优点，生成键相信息并进行角度域重采样；然后通过两次复解析解调和滤波从磁电式转速传感信息中逐步分离出齿轮故障信息，通过前后采集数据的对比判断齿轮是否存在退化趋势；齿轮出现退化趋势后，分析齿轮系统固有频率，结合第二次复解析解调结果判断齿轮故障形式；本发明专利技术可有效地对车桥齿轮进行状态监测并判断齿轮故障类型，无需采集键相信息，信号信噪比高、稳定性好不易误判。

A Gear Health Monitoring Method Based on Magnetoelectric Speed Sensor

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁电式转速传感器的齿轮健康状态监测方法
本专利技术属于齿轮状态监测
，具体涉及一种基于磁电式转速传感器的齿轮健康状态监测方法。
技术介绍
齿轮箱是机械传动设备重要组成部件。由于齿轮经常在恶劣环境下工作，其中零部件如齿轮、轴、轴承加工工艺复杂，装配精度要求高，又常在重载下连续工作，因此故障率较高。资料显示，齿轮箱中约60％的异常损坏由齿轮故障导致，齿轮故障会引起传动系统失效进而影响设备工作效率和运行可靠性，带来经济损失，甚至人员伤亡，因此，对齿轮健康状态实施在线监测具有重要的工程意义。目前，常见的齿轮故障诊断方法主要利用振动、电流或编码器信息进行实施。振动是齿轮故障诊断最为常见的方法，然而存在信号容易受环境干扰和振动传感器及其后续数据采集成本高的问题。编码器信息具有精度高、时效性好的优点，但该类传感器成本及安装精度要求都偏高，不适合在齿轮箱上批量应用。而磁电式转速传感器是根据电磁感应定律制成的用于测量角速度的传感器，通常与齿圈配合使用，测量时齿圈与待测齿轮同轴，传感器输出信号中包含齿轮运行的状态信息，具有信噪比高和成本低廉的优势；磁电式转速传感器构造简单，刚性好，不易受振动、温度、油和灰尘等的影响，并且该传感器是非接触测量信号，对旋转轴不加负荷，可以保证测量安全，同时该传感器是发电式传感器，无需外接电源，适用于现场测量时的复杂工况。目前还没有将磁电式转速传感信息用于齿轮状态监测方法的文献公开。
技术实现思路
为克服现有技术的缺点，本专利技术目的在于提供了一种基于磁电式转速传感器的齿轮健康状态监测方法，通过采集磁电式转速传感器信号，提取齿轮健康状态信息，实现了齿轮健康状态监测。为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种基于磁电式转速传感器的齿轮健康状态监测方法，包括以下步骤：步骤1：用磁电式转速传感器采集齿轮箱运行过程中的信号s(t)，其中t代表时间；确认待分析齿轮副主动轮齿数z1、从动轮齿数z2、输入轴齿圈齿数n1和输出轴齿圈齿数n2，齿圈齿数满足n1,n2＞z1,z2，以主动轮旋转周期为1阶，计算输入轴齿圈齿通过阶次fc1、齿轮啮合阶次fm1、主动轮转频fz1和从动轮转频fz2；步骤2：设计一个以输入轴齿圈齿通过频率fz1·fc为中心频率，滤波带宽为0.5fz1的滤波器H(f)；对步骤1中信号s(t)进行滤波，得到信号sk(t)；滤波器H(f)频响函数的表达式如下：式中fc1为输入轴齿圈齿通过阶次，fz1为主动轮转频；步骤3：统计信号sk(t)过零点次数，记录信号sk(t)中每n个过零点位置，生成时标信号k(t)；步骤4：利用步骤3得到的时标信号k(t)对步骤1的信号s(t)进行角度域重采样，得到角度域信号s(a)，其中a代表角度；步骤5：使用复解析解调，对步骤4得到的角度域信号s(a)进行解调，得到信号q1(a)，解调的中心阶次取输入轴齿圈齿通过阶次fc1，解调的阶次取fc1±i,fc1±fm1±i,式中fm1为齿轮啮合阶次，i＝1,2,3；步骤6：设计一个滤波器带宽为fm1-3.5阶的低通滤波器H1(a)，对步骤5得到的信号q1(a)进行低通滤波，得到信号q1d(a)，并计算信号q1d(a)的均方根值rmsq1；低通滤波器H1(a)的频响函数表达式为：式中fm1为齿轮啮合阶次；步骤1-6中的信号s(t)、信号sk(t)、时标信号k(t)、角度域信号s(a)、信号q1(a)和信号q1d(a)为基准数据；步骤7：重复步骤1-步骤6，采集20组数据，计算20组数据rmsq1的平均数，设置为基准值K；步骤8：再重复步骤1-步骤6，直至新采集数据rmsq1值高于2倍基准值K，确认齿轮箱状态出现退化；步骤9：使用复解析解调，对步骤5中获得的信号q1(a)进行解调，得到信号q2(a)，解调的中心阶次取齿轮啮合阶次fm1，解调的阶次取fm1±i，式中fm1为齿轮啮合阶次，i＝1,2,3；计算信号q2(a)的均方根值rmsq2；步骤10：在齿轮退化后数据中寻找齿轮系统固有频率fg，设计以n·fz1+fg为中心频率，带宽为5fz的滤波器H2(a)，对基准数据与退化后的步骤1中信号s(t)进行滤波，得到信号q3(t)，计算信号q3(t)的均方根值rmsq3；步骤11：对比基准数据与齿轮退化后数据rmsq2和rmsq3值，判断主动轮是否存在故障；步骤12：以从动轮旋转周期为1阶，计算输出轴齿圈齿通过阶次fc2，齿轮啮合阶次fm2，重复步骤1-步骤11，判断从动轮是否存在故障。所述的步骤11中，若退化后数据rmsq2值出现趋势性变化，rmsq3值没有出现趋势性变化，判断齿轮存在裂纹故障；退化后数据rmsq3值出现趋势性变化，rmsq2值没有出现趋势性变化，判断齿轮存在剥落故障；若退化后数据rmsq2值和rmsq3值均出现趋势性变化，判断齿轮既存在裂纹故障，又存在剥落故障；若退化后数据rmsq2和rmsq3值均未出现趋势性变化，判断齿轮箱存在其他与轴有关的故障。本专利技术的有益效果为：本专利技术基于磁电式转速传感器信号，该信号具有时标功能，可以通过角度域重采样降低转速波动的影响，克服了使用振动、噪声信息诊断齿轮故障时缺少键相信息的缺陷。监测齿轮状态时无需人工判断，信号处理方法时间复杂度低、信号信噪比高，可实现齿轮状态实时监测，并可以识别齿轮裂纹与剥落故障。附图说明图1为本专利技术方法的流程图。图2为本专利技术实施例齿轮箱传动简图。图3为本专利技术实施例基准数据s(t)时域图与频域图。图4为本专利技术实施例基准数据sk(t)时域图与频谱图。图5为本专利技术实施例基准数据k(t)时域图。图6为本专利技术实施例基准数据q1d(a)阶次谱图。图7为本专利技术实施例退化后数据q1d(a)阶次谱图。图8为本专利技术实施例基准数据与退化后数据q2(a)阶次谱图。图9为本专利技术实施例基准数据与退化后数据q3(t)时域图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术进一步详细说明，实施例采用一次车桥主减速器齿轮箱测试数据。如图1所示，一种基于磁电式转速传感器的齿轮健康状态监测方法，包括以下步骤：步骤1：通过磁电式转速传感器采集车桥磁电式转速信号s(t)，采样频率为40kHz，该车桥齿轮箱为一级传动，输入轴转速约616rpm，结构如图2所示，主动轮9齿，从动轮37齿，输入轴齿圈齿数为100，输出轴齿圈齿数为100；以输入轴齿圈为例，根据其结构确定齿圈齿通过阶次为100，齿轮啮合阶次为9，输入轴转频为10.27Hz，输出轴转频为2.50Hz，一组基准数据s(t)时域波形与频谱如图3所示；步骤2：设计一个以输入轴齿圈齿通过频率10.27×100＝1027Hz为中心频率，滤波带宽为5Hz的带通滤波器，对步骤1中信号s(t)进行滤波，得到信号sk(t)，一组基准数据sk(t)时域波形与频谱如图4所示；步骤3：统计信号sk(t)过零点次数，记录信号sk(t)中每100个过零点位置，生成时标信号k(t)，一组基准数据k(t)时域波形如图5所示；步骤4：利用步骤3得到的时标信号k(t)对步骤1中信号s(t)进行角度域重采样，得到角度域信号s(a)，其中a代表角度；步骤5：使用复解析解调，对步骤4得到的角度域信号s(a)进行解调，得到信号q1(a)，解调的中心阶次取齿圈齿通过阶次100本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于磁电式转速传感器的齿轮健康状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：用磁电式转速传感器采集齿轮箱运行过程中的信号s(t)，其中t代表时间；确认待分析齿轮副主动轮齿数z1、从动轮齿数z2、输入轴齿圈齿数n1和输出轴齿圈齿数n2，齿圈齿数满足n1,n2＞z1,z2，以主动轮旋转周期为1阶，计算输入轴齿圈齿通过阶次fc1、齿轮啮合阶次fm1、主动轮转频fz1和从动轮转频fz2；步骤2：设计一个以输入轴齿圈齿通过频率fz1·fc为中心频率，滤波带宽为0.5fz1的滤波器H(f)；对步骤1中信号s(t)进行滤波，得到信号sk(t)；滤波器H(f)频响函数的表达式如下：

【技术特征摘要】
1.一种基于磁电式转速传感器的齿轮健康状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：用磁电式转速传感器采集齿轮箱运行过程中的信号s(t)，其中t代表时间；确认待分析齿轮副主动轮齿数z1、从动轮齿数z2、输入轴齿圈齿数n1和输出轴齿圈齿数n2，齿圈齿数满足n1,n2＞z1,z2，以主动轮旋转周期为1阶，计算输入轴齿圈齿通过阶次fc1、齿轮啮合阶次fm1、主动轮转频fz1和从动轮转频fz2；步骤2：设计一个以输入轴齿圈齿通过频率fz1·fc为中心频率，滤波带宽为0.5fz1的滤波器H(f)；对步骤1中信号s(t)进行滤波，得到信号sk(t)；滤波器H(f)频响函数的表达式如下：式中fc1为输入轴齿圈齿通过阶次，fz1为主动轮转频；步骤3：统计信号sk(t)过零点次数，记录信号sk(t)中每n个过零点位置，生成时标信号k(t)；步骤4：利用步骤3得到的时标信号k(t)对步骤1的信号s(t)进行角度域重采样，得到角度域信号s(a)，其中a代表角度；步骤5：使用复解析解调，对步骤4得到的角度域信号s(a)进行解调，得到信号q1(a)，解调的中心阶次取输入轴齿圈齿通过阶次fc1，解调的阶次取fc1±i,fc1±fm1±i,式中fm1为齿轮啮合阶次，i＝1,2,3；步骤6：设计一个滤波器带宽为fm-3.5阶的低通滤波器H1(a)，对步骤5得到的信号q1(a)进行低通滤波，得到信号q1d(a)，并计算信号q1d(a)的均方根值rmsq1；低通滤波器H1(a)的频响函数表达式为：式中fm1为齿轮啮合阶次；步骤1-6中的信号s(t)、信号sk(t)、时标信号k(t)、角度域信号s(a...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琇峰，李若松，区瑞坚，
申请(专利权)人：西安交通大学，苏州微著设备诊断技术有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61