利用振动信号对行星齿轮箱损伤进行早期检测的方法技术

一种利用振动信号对行星齿轮箱损伤进行早期检测的方法，包括：步骤S1：通过安装于行星齿轮箱外壳的加速度计获得健康状态下的振动信号s

Early detection method of damage of planetary gearbox by vibration signal

【技术实现步骤摘要】
利用振动信号对行星齿轮箱损伤进行早期检测的方法
本专利技术主要涉及到行星齿轮箱变速箱状态监测与故障诊断
，特指一种利用基于超完备稀疏表示的故障特征对行星齿轮箱进行早期故障检测的方法。
技术介绍
现有技术中，一般采用安装于行星齿轮箱外壳体的加速度传感器采集振动信号，使用去均值、去趋势项、滤波、加窗与时域同步平均等方法对原始信号进行预处理，然后采用时域分析、频谱分析或时频分析等方法提取状态特征，利用历史经验数据确定状态特征的阈值，从而实现对行星齿轮箱的状态监测与损伤检测。通常而言，行星齿轮箱上的加速度传感器需要监测从低速端到高速端诸多旋转部件的运行状态，因此设置较高的采样频率。这样一来，传感器所采集到的原始数据量就会非常巨大，加之工作环境中存在大量噪声及其他工频干扰，采用传统方法仅仅能够实现简单的在线监测功能，初步判断行星齿轮箱的基本状态，并且转速、扭矩等工况条件的变化，也会对传统的在线监测方法带来较高的虚警或误警，影响装备的正常运行。因此，如何在严重的噪声背景下，从大量的原始数据中有效、稳定、可靠地检测出行星齿轮箱的微弱损伤，实现实时在线的损伤早期检测与故障精确诊断，便成为行星齿轮箱状态监测与故障诊断的关键问题之一。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种稳定可靠、精度高、适用范围广、抗干扰能力强的利用振动信号对行星齿轮箱损伤进行早期检测的方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种利用振动信号对行星齿轮箱损伤进行早期检测的方法，其包括：步骤S1：通过安装于行星齿轮箱外壳的加速度计获得健康状态下的振动信号s0和待检状态下的振动信号su，得到降噪后健康状态和待检状态下的时域信号x0和xu；步骤S2：针对降噪后的健康时域信号x0，利用K-奇异值分解法构建时域信号的自适应超完备冗余字典Ω0；步骤S3：使用所述超完备冗余字典Ω0对时域信号x0进行稀疏表示，得到标准稀疏表示系数向量δ0(j)；步骤S4：使用所述超完备冗余字典Ω0对时域信号xu进行稀疏表示，得到待检稀疏表示系数向量δu(j)；步骤S5：对标准稀疏表示系数向量δ0和待检稀疏表示系数向量δu进行一致性检测，得到一致性检测值Z0u；步骤S6：将一致性检测值Z0u与预先设定的阈值Zth进行比较，得到检测结果。作为本专利技术方法的进一步改进：在所述步骤S1中，对原始振动信号进行平滑滤波与时域同步平均信号预处理，得到降噪后健康状态和待检状态下的时域信号x0和xu；x0(t)＝f(g(s0(t)),r0(t))，x0＝{x0i}，i＝1,2,...,Nxu(t)＝f(g(su(t)),ru(t))，xu＝{xui}，i＝1,2,...,N式中，r0为健康状态下的转速信号，ru为待检状态下的转速信号。作为本专利技术方法的进一步改进：所述步骤S5中，采用改进的Z-test双样本一致性检验算法进行一致性检测。作为本专利技术方法的进一步改进：所述一致性检测值Z0u为：式中，Sδ和为系数向量δ的标准差和均值，M为系数向量δ的样本数。作为本专利技术方法的进一步改进：所述步骤S3中，标准稀疏表示系数向量δ0(j)表示为：δ0(M)(j)＝Ω0(M×N)x0(N)(i)，j＝1,2,...,M，i＝1,2,...,N。作为本专利技术方法的进一步改进：所述步骤S4中，待检稀疏表示系数向量δu(j)表示为：δ0(M)(j)＝Ω0(M×N)x0(N)(i)，j＝1,2,...,M，i＝1,2,...,N。作为本专利技术方法的进一步改进：所述步骤S6中，如果Z0u>Zth，那么可以判断行星齿轮箱存在早期损伤；如果Z0u≤Zth，可以判断行星齿轮箱处于健康状态。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术的利用振动信号的超完备稀疏表示特征对行星齿轮箱损伤进行早期检测的方法，原理简单、操作简便，在大数据量的背景下，可克服噪声干扰，有效检测行星齿轮箱的微弱损伤。2、本专利技术充分利用了行星齿轮箱传感器的原始信号的有效状态信息，识别效率高、运算量小、稳定性和可靠性好。3、本专利技术利用振动信号的超完备稀疏表示特征对行星齿轮箱损伤进行早期检测的方法，无需增加额外的硬件系统，利用原始信号稀疏表示系数的重构特征，通过简单的阈值识别即可有效检测行星齿轮箱的微弱损伤。4、本专利技术的方法为解决行星齿轮箱状态监测与故障诊断中严重噪声干扰与大数据量背景下微弱损伤难以检测的关键问题，提供了一种新的有效的技术手段。附图说明图1是本专利技术方法的流程示意图。图2是本专利技术在实施例中行星齿轮箱健康状态振动信号波形图。图3是本专利技术在实施例中太阳轮齿面点蚀故障状态的振动信号波形图。图4是本专利技术在实施例中太阳轮疲劳裂纹故障状态的振动信号波形图。图5是本专利技术在实施例中加入噪声的行星齿轮箱健康状态振动信号波形图。图6是本专利技术在实施例中加入噪声的太阳轮齿面点蚀故障状态的振动信号波形图。图7是本专利技术在实施例中加入噪声的太阳轮疲劳裂纹故障状态的振动信号波形图。图8是本专利技术对图2所示信号的早期损伤检测结果图。图9是本专利技术对图3所示信号的早期损伤检测结果图。图10是本专利技术对图4所示信号的早期损伤检测结果图。图11是本专利技术对图5所示信号的早期损伤检测结果图。图12是本专利技术对图6所示信号的早期损伤检测结果图。图13是本专利技术对图7所示信号的早期损伤检测结果图。具体实施方式以下将结合说明书附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。如图1所示，本专利技术的利用振动信号对行星齿轮箱损伤进行早期检测的方法，其步骤为：步骤S1：通过安装于行星齿轮箱外壳的加速度计获得健康状态下的振动信号s0和待检状态下的振动信号su，对原始振动信号进行平滑滤波与时域同步平均等信号预处理，得到降噪后健康状态和待检状态下的时域信号x0和xu；x0(t)＝f(g(s0(t)),r0(t))，x0＝{x0i}，i＝1,2,...,Nxu(t)＝f(g(su(t)),ru(t))，xu＝{xui}，i＝1,2,...,N式中，r0为健康状态下的转速信号，ru为待检状态下的转速信号。步骤S2：针对降噪后的健康时域信号x0，利用K-奇异值分解法构建时域信号的自适应超完备冗余字典Ω0，Ω0＝{Ω0ij}，i＝1,2,...,N，j＝1,2,...,M。K-奇异值分解算法的具体描述如下：目标：通过学习得到字典Ω0从而对训练样本集{x01,x02,…,x0N}进行稀疏表示。初始化：设置k＝0。初始化字典：构建Ω0(0)∈RM×N，可使用随机元素，或者随机选择N个样本。标准化字典：将Ω0(0)的列归一化。主循环：k从1开始增加，并执行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用振动信号对行星齿轮箱损伤进行早期检测的方法，其特征在于，包括：/n步骤S1：通过安装于行星齿轮箱外壳的加速度计获得健康状态下的振动信号s

【技术特征摘要】
1.一种利用振动信号对行星齿轮箱损伤进行早期检测的方法，其特征在于，包括：
步骤S1：通过安装于行星齿轮箱外壳的加速度计获得健康状态下的振动信号s0和待检状态下的振动信号su，得到降噪后健康状态和待检状态下的时域信号x0和xu；
步骤S2：针对降噪后的健康时域信号x0，利用K-奇异值分解法构建时域信号的自适应超完备冗余字典Ω0；
步骤S3：使用所述超完备冗余字典Ω0对时域信号x0进行稀疏表示，得到标准稀疏表示系数向量δ0(j)；
步骤S4：使用所述超完备冗余字典Ω0对时域信号xu进行稀疏表示，得到待检稀疏表示系数向量δu(j)；
步骤S5：对标准稀疏表示系数向量δ0和待检稀疏表示系数向量δu进行一致性检测，得到一致性检测值Z0u；
步骤S6：将一致性检测值Z0u与预先设定的阈值Zth进行比较，得到检测结果。


2.根据权利要求1所述的利用振动信号对行星齿轮箱损伤进行早期检测的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，对原始振动信号进行平滑滤波与时域同步平均信号预处理，得到降噪后健康状态和待检状态下的时域信号x0和xu；
x0(t)＝f(g(s0(t)),r0(t))，x0＝{x0i}，i＝1,2,...,N
xu(t)＝f(g(su(t)),ru(t))，xu＝{xui}，i＝1,2,...,N
式中，r0为健康状态下的转速信号，ru为待检状态下的转...

【专利技术属性】
技术研发人员：程哲，胡茑庆，李月昊，陈凌，罗鹏，胡蛟，王博政，周洋，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43