基于RMS的自适应齿轮箱转速的快速评估方法技术

本发明专利技术提供一种基于RMS的自适应齿轮箱转速的快速评估方法，包括：分别采集在低转速、中等转速和高转速下的齿轮箱箱体的振动加速度信号；计算步骤三种转速下振动加速度信号的有效值；对振动加速度信号进行滤波处理；提取确定齿轮啮合频率；结合齿轮齿数确定振动加速度信号对应的转速；获得RMS-n曲线；检测齿轮箱的准定转速状态；对RMS-n曲线进行修正；获得任意时刻的齿轮箱转速。本发明专利技术无需使用测转速仪器，提高了在恶劣工况下的系统稳定性，并节约了成本；脱离了转速变化对转速评估的限制，在转速变化剧烈的情况下，依然能够精确的识别转速。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及旋转机械信号处理
，特别是涉及一种基于RMS的自适应齿轮 箱转速快速估计方法。
技术介绍
齿轮箱是一种重要的变速和动力传递部件，被广泛应用与现代工业设备中，对其 进行状态监测和故障诊断对企业的安全生产有着重要意义。在齿轮箱的故障诊断中，尤其 在变转速运行工况下，转速估计是其不可或缺的组成部分。目前应用最广泛的转速估计方 法是通过安装转速仪进行转速测量。但是，对于运行环境比较恶劣的工业现场来说，额外安 装转速仪将大大降低系统设备的可靠性。此外，转速仪的安装要对设备进行额外设计，并增 加不小的成本开支。 经过技术检索发现，现有的无转速仪转速估计方法都基于齿轮箱箱体振动信号的 分析。通过对振动信号进行频域或时频域转换，提取各个时刻的啮合频率，再结合齿轮齿 数，从而确定齿轮箱转速。但是，设备现场运行环境一般都比较恶劣，实测齿轮箱箱体振动 信号通常包含大量的噪声分量和其他谐波干扰分量，尤其在变转速工况下，提取各个时刻 的啮合频率时容易出现频谱模糊现象。此外，现有的方法往往只适用于转速波动范围较小 的场合，且有的估计算法较为复杂，无法满足工业现场快速实现转速估计的要求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：针对上述现有技术的不足，提供一种基于RMS的 自适应齿轮箱转速的快速评估方法，能够快速实现不同转速波动范围下的转速快速评估计 算。 本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于RMS的自适应齿轮箱转速的 快速评估方法，包括以下步骤： 1)分别采集在低转速（10%的最大转速）、中等转速（50%的最大转速）和高转速 (90%的最大转速）下的齿轮箱箱体的振动加速度信号； 2)根据式（1)分别计算步骤1)中三种转速下振动加速度信号的有效值； 其中，X1为振动加速度信号，N为信号长度； 3)采用低通滤波器对振动加速度信号进行滤波处理； 4)对滤波信号进行傅立叶变换，通过频域最大峰值提取确定齿轮啮合频率； 5)结合齿轮齿数确定振动加速度信号对应的转速η ; 6)将振动加速度信号的RMS值与转速η进行匹配，采用最小二乘法进行多项式拟 合，获得RMS-n曲线； 7)在齿轮箱正常运行的过程中，检测齿轮箱的准定转速状态； 8)对准定速状态下齿轮箱的振动加速度信号重复步骤3)-5)的操作； 9)重复步骤7) -8)，用插值法对RMS-n曲线进行修正； 10)根据修正后的RMS-n曲线，获得任意时刻的齿轮箱转速。 在采用上述技术方案的同时，本专利技术还可以采用或者组合采用以下进一步的技术 方案： 所述步骤1)中的低转速、中等转速和高转速是定转速状态。 所述步骤3)的低通滤波器的截止频率为最大齿轮啮合频率f_。 所述准定转速状态的检测方法为：正常运行齿轮箱，采集t时间内的振动加速度 信号并对该时间信号进行Λ t时间的前后滑移，分别计算RMS值，若所得前后振动加速度信 号的RMS变化范围小于5%，认为该时刻为准定转速状态， 在准定转速状态下，振动加速度信号频域内的啮合频率认为可以分辨。 所述步骤9)运用插值法进行修正达到自适应效果，所述的自适应效果为：初始状 态下，齿轮箱的RMS-n曲线通过有限对应点拟合，在修正过程中，RMS-n曲线会随着对应点 的增多不断进行适应性调整，达到最优状态。 本专利技术的有益效果是：1)本专利技术无需使用测转速仪器，提高了在恶劣工况下的系 统稳定性，并节约了成本；2)本专利技术脱离了转速变化对转速评估的限制，在转速变化剧烈 的情况下，依然能够精确的识别转速；3)本专利技术的计算过程简单，计算量小，识别速度快， 可实现齿轮箱转速实时估计。【附图说明】 图1是本专利技术的评估方法的流程图。 图2是实例齿轮箱加速过程振动加速度信号波形图。 图3是通过本专利技术的评估方法获得的图2所对应的齿轮箱转速变化曲线。【具体实施方式】 以下结合实施例对本专利技术的技术方案作进一步的详细说明，本实施例在本专利技术技 术方案的前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范 围不限于下述的实施例。 本实施例是对某斜齿轮齿轮箱试验台的大范围变转速过程进行转速评估，评估过 程如图1所示，具体包括以下步骤： 1)在齿轮箱箱体上放置加速度传感器，放置位置固定不变。分别采集在低转速、中 等转速、高转速下（定转速状态）的齿轮箱箱体振动加速度信号； 2)分别计算所得到的各个转速下振动加速度信号的有效值（RMS):其中X1为振动加速度信号，N为信号长度； 3)获取齿轮箱额定的最大转速n_，结合齿轮齿数Z，计算最大齿轮啮合频率f_ =n_/Z，构建以最大啮合频率为截止频率的低通滤波器filter (f_，fs)，对振动加速度信 号进行滤波处理； 4)对滤波信号进行快速傅里叶变换，通过频域最大峰值提取确定齿轮啮合频率 fm； 5)结合齿轮齿数Z，计算出该振动加速度信号对应的转速η = 30 X fVZ ; 6)把振动加速度信号的RMS值与所得对应转速η进行匹配，用采用最小二乘法进 行多项式拟合，获得RMS-n曲线； 7)正常运行齿轮箱，采集t时间内的振动加速度信号并对该时间信号进行Λ t时 间的前后滑移，分别计算RMS值，若所得前后RMS变化范围小于5 %，确定该时刻为准定转速 状态；由于前后振动加速度信号的RMS变化范围小于5%，可以认为该时刻转速变动不大， 接近于定转速状态。在该状态下，振动加速度信号频域内啮合频率认为可以分辨，故可以重 复步骤3)获得对应的齿轮箱转速。 8)对准定速状态下齿轮箱的振动加速度信号重复步骤3)-5)的操作； 9)正常运行齿轮箱，重复步骤7)-8)，不断用插值法对RMS-n曲线进行修正，达到 自适应的效果；在初始状态下，齿轮箱的RMS-n曲线通过有限对应点拟合，在修正过程中， RMS-n曲线会随着对应点的增多不断进行适应性调整，达到最优状态。 10)通过对某时刻RMS的计算，代入RMS-n曲线，即可得到该时刻的齿轮箱转速； 11)重复步骤10)，获得如图3所示的整个加速过程的速度曲线。 图2是齿轮箱加速过程振动加速度信号波形图。图3是通过本专利技术方法获得的整 个加速过程的速度曲线。该齿轮箱从Is处开始加速，起始速度为Orpm，Is到6s内加速度 不断增加，6s处为加速拐点，6s后加速度减小，转速达到1800rpm。该速度曲线与实际转速 高度吻合。 由以上实例能够看出，本专利技术提出的基于RMS的自适应齿轮箱转速快速估计方法 非常适合于齿轮箱转速的快速估计，同时在大范围变转速时也能够非常精确的对转速进行 识别。【主权项】1. 基于RMS的自适应齿轮箱转速的快速评估方法，其特征在于：所述快速评估方法包 括以下步骤： 1) 分别采集在分别采集在低转速（10%的最大转速）、中等转速（50%的最大转速）和 高转速（90%的最大转速）下的齿轮箱箱体的振动加速度信号； 2) 根据式（1)分别计算步骤1)中三种转速下振动加速度信号的有效值；其中，Xi为振动加速度信号，N为信号长度； 3) 采用低通滤波器对振动加速度信号进行滤波处理； 4) 对滤波信号进行傅立叶变换，通过频域最大峰值提取确定齿轮啮合频率； 5) 结合齿轮齿数确定振动加速度信号对应的转速η; 6) 将振动加速度信号的RMS值与本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于RMS的自适应齿轮箱转速的快速评估方法，其特征在于：所述快速评估方法包括以下步骤：1)分别采集在分别采集在低转速(10％的最大转速)、中等转速(50％的最大转速)和高转速(90％的最大转速)下的齿轮箱箱体的振动加速度信号；2)根据式(1)分别计算步骤1)中三种转速下振动加速度信号的有效值；RMS=Σi=1Nxi2N]]>   式(1)其中，xi为振动加速度信号，N为信号长度；3)采用低通滤波器对振动加速度信号进行滤波处理；4)对滤波信号进行傅立叶变换，通过频域最大峰值提取确定齿轮啮合频率；5)结合齿轮齿数确定振动加速度信号对应的转速n；6)将振动加速度信号的RMS值与转速n进行匹配，采用最小二乘法进行多项式拟合，获得RMS‑n曲线；7)在齿轮箱正常运行的过程中，检测齿轮箱的准定转速状态；8)对准定速状态下齿轮箱的振动加速度信号重复步骤3)‑5)的操作；9)重复步骤7)‑8)，用插值法对RMS‑n曲线进行修正；10)根据修正后的RMS‑n曲线，获得任意时刻的齿轮箱转速。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：童水光，徐剑，从飞云，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33