一种齿轮故障振动调制信号的通用幅值解调方法技术

本发明专利技术公开了一种齿轮故障振动调制信号的通用幅值解调方法。所述方法包括：采集齿轮箱故障时的振动加速度信号；进行带通滤波，得到以啮合频率为中心、以故障齿轮的转频及倍频为边频带的故障调制信号；对故障调制信号进行离散频谱校正，获取准确啮合频率和准确故障齿轮转频；对调制信号平方解调，根据平方解调谱确定幅值调制的阶次，并构建幅值调制的目标数学模型；建立故障调制信号的希尔伯特包络与目标数学模型的希尔伯特包络相等的目标函数；利用基于信赖域反射的最小二乘优化算法求解幅值调制参数，得到准确的调幅信号。本发明专利技术在幅值欠调制、过调制的情况下均可以实现幅值调制信号的调幅参数的量化求解，求解精度高且具有良好的抗噪性。良好的抗噪性。良好的抗噪性。

【技术实现步骤摘要】
一种齿轮故障振动调制信号的通用幅值解调方法


[0001]本专利技术属于旋转机械故障诊断和信号处理领域，具体涉及一种齿轮故障振动调制信号的通用幅值解调方法。

技术介绍

[0002]齿轮传动效率高、承载能力大，在汽车、船舶、航空等众多领域中应用广泛。但一般齿轮机构工作环境比较恶劣，容易发生故障，轻则影响设备使用寿命，重则引发重大财产损失和人员伤亡，所以对齿轮箱进行正确故障诊断具有重要意义。大量的研究表明，齿轮发生故障时，其啮合振动信号会出现明显的调制现象，所以精确的幅值解调是齿轮箱准确故障诊断的重要基础和前提。
[0003]常用的幅值解调方法有希尔伯特变换求包络(郑晓溪,丁康,江利旗.希尔伯特变换解调分析在故障诊断中应用的局限性研究[J].汕头大学学报(自然科学版),1999(02):3-5.)、广义检波滤波解调、平方解调(丁康,江利旗.解调分析在机械设备故障诊断中应用的三个局限性研究[J].汕头大学学报(自然科学版),2000(01):1-12.)和能量算子解调(马本栋,胡书举,孟岩峰,宋斌,吴涛.基于多小波包-能量算子解调的滚动轴承复合故障诊断[J].噪声与振动控制,2018,38(04):154-158.)等，以上解调方法均以提取调幅的频域特征为主，不能实现量化的幅值解调，即仅能诊断齿轮故障的位置，而无法诊断齿轮故障的程度。现有的利用平方幅值解调和基于调频信号与第一类贝塞尔函数关系的调幅调频信号分离新方法(X.Yang,K.Ding,G.He,Accurate separation of amplitude-modulation and phase-modulation signal and its application to gear fault diagnosis,J Sound Vib,452(2019)34-50.)可以实现欠调制的调幅信号的量化解调，但当信号存在过调制时，调幅参数求解误差很大，使得剩余信号中调频成分的信噪比极差，最终导致调频成分提取失效。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种齿轮故障振动调制信号的通用幅值解调方法。将希尔伯特变换解调幅和基于信頼域反射的非线性最小二乘优化算法相结合，在幅值欠调制、过调制的情况下均可实现调制信号调幅参数的量化求解，求解精度高且具有良好的抗噪性。
[0005]本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0006]一种齿轮故障振动调制信号的通用幅值解调方法，包括以下步骤：
[0007]S1、采集齿轮箱故障时的轴承端盖测点处的振动加速度信号x(t)；
[0008]S2、在齿轮某阶啮合频率附近进行带通滤波，得到以啮合频率为中心、以故障齿轮的转频及倍频为边频带的故障调制信号x
m
(t)；
[0009]S3、对故障调制信号进行离散频谱校正，获取准确啮合频率和准确故障齿轮转频；
[0010]S4、对调制信号平方解调，根据平方解调谱确定幅值调制的阶次，并构建幅值调制
的目标数学模型y(t)；
[0011]S5、建立故障调制信号的希尔伯特包络与目标数学模型的希尔伯特包络相等的目标函数；
[0012]S6、利用基于信赖域反射的最小二乘优化算法求解幅值调制参数，得到准确的调幅信号。
[0013]进一步地，步骤S1具体包括以下步骤：
[0014]S1.1、根据右手定则建立三维空间坐标系：X轴平行于齿轮所在轴的轴向，正方向指向电机侧；Z轴垂直于地面，正方向竖直向上；Y轴正向由右手定则确定；
[0015]S1.2、安装传感器：在输入轴轴承、输出轴轴承的4个端盖上方分别安装4个三向压电式加速度传感器，用于测量XYZ三个方向的振动加速度数据；将传感器、数据采集系统和计算机正确连接；
[0016]S1.3、设置数据采集参数：采样总时长T设为10s，采样频率设为f
s
，则对应的采样时间间隔Δt＝1/f
s
，采样点数N＝f
s
·
T，记采集的时域振动加速度信号为x(t)。
[0017]进一步地，步骤S2中，为尽量减小噪声和共振区传递函数的影响，选取与共振峰无耦合的某一阶啮合频率，并进行带通滤波，保证滤波器的通带可以覆盖此阶啮合频率两侧的有效调制边频带。
[0018]滤波后得到以啮合频率为中心、以故障齿轮的转频及倍频为边频带的故障调制信号，记为x
m
(t)：
[0019][0020]其中，A
k
为第k阶啮合频率幅值；f
m
为啮合频率；θ
k
为第k阶啮合频率相位；i为调制阶次；I为最大调制阶次；B
ki
为第k阶啮合频率附近的第i阶调制信号的幅值；f
n
为故障齿轮转频；为第k阶啮合频率附近的第i阶调制信号的相位。
[0021]进一步地，步骤S3包括以下步骤：
[0022]S3.1、对滤波后的故障调制信号x
m
(t)加Hanning窗，利用峰值搜索算法确定频谱中理论啮合频率附近的幅值最大点和次大点对应的谱线号，分别记为k
m
、l
m
；同理，确定啮合频率两侧理论调制边频附近的幅值最大点和次大点对应的谱线号，分别记为k
m
±
i
、l
m
±
i
，i表示调制阶次；
[0023]S3.2、利用比值校正法得到准确啮合频率f
mc
和准确故障齿轮转频f
nc
：
[0024][0025]f＝(k-Δf)f
s
/N；
[0026]其中，Δf为窗长归一化后的频率误差；v是关于Δf的函数；W为故障调制信号加Hanning窗后的频谱模函数；k为最大值对应的谱线号；l为次大值对应的谱线号；f为校正后真实频率；f
s
为采样频率；N为采样点数。
[0027]进一步地，步骤S4包括以下步骤：
[0028]S4.1、对故障调制信号x
m
(t)取平方，其低频调制部分的表达式为：
[0029][0030]其中，A
k
为第k阶啮合频率幅值；i为调制阶次；I为最大调制阶次；B
ki
、B
km
、B
kn
分别为第k阶啮合频率附近的第i阶、第m阶、第n阶调制信号的幅值；f
n
为故障齿轮转频；分别为第k阶啮合频率附近的第i阶、第m阶、第n阶调制信号的相位；当信号的最大调制阶次为I时，其信号平方的最大调制阶次为2I；
[0031]S4.2、对x
m
(t)平方后的信号低通滤波，保证低通滤波器截止频率大于频谱低频区出现的故障齿轮转频的最高阶倍频，做傅里叶变换得到其平方解调谱；根据平方解调谱中实际出现的最高调制阶次o
max
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种齿轮故障振动调制信号的通用幅值解调方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采集齿轮箱故障时的轴承端盖测点处的振动加速度信号x(t)；S2、在齿轮某阶啮合频率附近进行带通滤波，得到以啮合频率为中心、以故障齿轮的转频及倍频为边频带的故障调制信号x
m
(t)；S3、对故障调制信号进行离散频谱校正，获取准确啮合频率和准确故障齿轮转频；S4、对调制信号平方解调，根据平方解调谱确定幅值调制的阶次，并构建幅值调制的目标数学模型y(t)；S5、建立故障调制信号的希尔伯特包络与目标数学模型的希尔伯特包络相等的目标函数；S6、利用基于信赖域反射的最小二乘优化算法求解幅值调制参数，得到准确的调幅信号。2.根据权利要求1所述的一种齿轮故障振动调制信号的通用幅值解调方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下步骤：S1.1、根据右手定则建立三维空间坐标系：X轴平行于齿轮所在轴的轴向，正方向指向电机侧；Z轴垂直于地面，正方向竖直向上；Y轴正向由右手定则确定；S1.2、安装传感器：在输入轴轴承、输出轴轴承的4个端盖上方分别安装4个三向压电式加速度传感器，用于测量XYZ三个方向的振动加速度数据；将传感器、数据采集系统和计算机正确连接；S1.3、设置数据采集参数：采样总时长T设为10s，采样频率设为f
s
，则对应的采样时间间隔Δt＝1/f
s
，采样点数N＝f
s
·
T，记采集的时域振动加速度信号为x(t)。3.根据权利要求1所述的一种齿轮故障振动调制信号的通用幅值解调方法，其特征在于，步骤S2中，为尽量减小噪声和共振区传递函数的影响，选取与共振峰无耦合的某一阶啮合频率，并进行带通滤波，保证滤波器的通带可以覆盖此阶啮合频率两侧的有效调制边频带；滤波后得到以啮合频率为中心、以故障齿轮的转频及倍频为边频带的故障调制信号，记为x
m
(t)：其中，A
k
为第k阶啮合频率幅值；f
m
为啮合频率；θ
k
为第k阶啮合频率相位；i为调制阶次；I为最大调制阶次；B
ki
为第k阶啮合频率附近的第i阶调制信号的幅值；f
n
为故障齿轮转频；为第k阶啮合频率附近的第i阶调制信号的相位。4.根据权利要求1所述的一种齿轮故障振动调制信号的通用幅值解调方法，其特征在于，步骤S3包括以下步骤：S3.1、对滤波后的故障调制信号x
m
(t)加Hanning窗，利用峰值搜索算法确定频谱中理论啮合频率附近的幅值最大点和次大点对应的谱线号，分别记为k
m
、l
m
；同理，确定啮合频率两侧理论调制边频附近的幅值最大点和次大点对应的谱线号，分别记为k
m
±
i
、l
m
±
i
，i表示调制阶次；S3.2、利用比值校正法得到准确啮合频率f
mc
和准确故障齿轮转频f
nc
：
f＝(k-Δf)f
s
/N；其中，Δf为窗长归一化后的频率误差；v是关于Δf的函数；W为故障调制信号加Hanning窗后的频谱模函数；k为最大值对应的谱线号；l为次大值对应的谱线号；f为校正后真...

【专利技术属性】
技术研发人员：李远政，叶鸣，丁康，蒋飞，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：