一种基于原位测量的传递路径分析与齿轮故障溯源方法技术

本发明专利技术公开了一种基于原位测量的传递路径分析与齿轮故障溯源方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：耦合频响函数的原位测量；步骤2：被动件频率函数的虚拟解耦；步骤3：界面轴承力辨识；步骤4：传递路径贡献度分析；步骤4.1：计算不同频段下的传递路径贡献度；步骤4.2：定位故障敏感频段；步骤4.3：确定特定故障的路径贡献度；步骤5：故障溯源与故障特征增强；步骤5.1：基于路径分析的故障溯源；步骤5.2：基于路径分析的故障特征增强。本发明专利技术克服了现有的基于物理解耦的传递路径分析方法所带来的时间成本，通过虚拟解耦技术实现了箱体解耦频响函数的原位测量。在保证精度的前提下，极大地简化了频响函数的测试过程与传递路径分析的流程。径分析的流程。径分析的流程。

【技术实现步骤摘要】
一种基于原位测量的传递路径分析与齿轮故障溯源方法


[0001]本专利技术涉及齿轮转子系统动力学与故障诊断领域，尤其涉及一种基于原位测量的传递路径分析与齿轮故障溯源方法。

技术介绍

[0002]在齿轮传动系统的振动噪声监测和故障诊断领域，一般通过在齿轮箱箱体表面布置测点的形式实现监测与诊断。在齿轮传动系统中，从振动激励源(齿轮啮合位置)到箱体测点之间存在多条振动传递路径，且在振动传递过程中，会经历多介质
‑
多界面的能量衰减过程。如何刻画齿轮传动系统的振动传递过程，量化各条传递路径的贡献度，进而实现齿轮故障溯源与故障特征增强是齿轮系统传递路径分析的主要任务。齿轮转子系统传递路径分析对于齿轮系统的减振降噪以及齿轮故障诊断，均具有重要的意义。
[0003]目前，有关振动传递路径分析的研究多集中于汽车的减振降噪领域，基于传递路径分析的齿轮故障溯源与诊断研究十分欠缺。传递路径分析方法主要可以分为仿真方法和实验方法两种。对于仿真方法，一般借助于有限元方法实现，如已经公开的专利CN106769000A。对于实验方法，一般借助于模态与频响函数测试实现。
[0004]对于齿轮系统传递路径分析仿真方法，虽然具有节约时间成本的优点，但其精度较低，很难实现有效的故障溯源和故障特征增强。对于齿轮系统传递路径分析的实验方法，则需要在物理拆解齿轮、传动轴和箱体的条件下进行。重复的物理拆解与装配过程不仅会大幅增加时间成本，也会造成拆解
‑
再装配过程后系统状态的改变。
[0005]为了解决仿真方法精度低，而实验方法测试过程繁琐且费时的缺点，本专利技术提出一种基于原位测量的传递路径分析与齿轮故障溯源方法。

技术实现思路

[0006]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是：仿真方法精度低，而实验方法测试过程繁琐且费时的缺点。本专利技术的最大优势在于能在不进行齿轮传动系统物理拆解的条件下，通过原位测量手段，结合虚拟解耦算法，“虚拟”地进行齿轮箱解耦。用高保真的虚拟解耦频响函数近似代替物理解耦频响函数，并进行齿轮传递路径分析与齿轮故障溯源。
[0007]为实现以上目的，本专利技术提供了一种基于原位测量的传递路径分析与齿轮故障溯源方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]步骤1：耦合频响函数的原位测量；
[0009]步骤2：被动件频率函数的虚拟解耦；
[0010]步骤3：界面轴承力辨识；
[0011]步骤4：传递路径贡献度分析；
[0012]步骤4.1：计算不同频段下的传递路径贡献度；
[0013]步骤4.2：定位故障敏感频段；
[0014]步骤4.3：确定特定故障的路径贡献度；
[0015]步骤5：故障溯源与故障特征增强；
[0016]步骤5.1：基于路径分析的故障溯源；
[0017]步骤5.2：基于路径分析的故障特征增强。
[0018]进一步地，在步骤1中，所述耦合频响函数是指在齿轮、传动轴等部件处于安装状态时的频响函数，通过锤击法进行所述耦合频响函数的原位测量，获取从轴承座到齿轮箱箱体测点之间的所述耦合频响函数。
[0019]进一步地，在步骤2中，所述被动件为齿轮箱，通过虚拟解耦算法实现所述齿轮箱解耦频响函数原位测量的方法。
[0020]进一步地，所述虚拟解耦算法具体为：
[0021]在界面的转子侧施加单位力时，界面处弹簧的变形量可以表示频响函数的形式：
[0022][0023]矩阵ΔX
r
的维度为n
×
n(n为传递路径的数目)，矩阵的第i列表示在第i个转子侧界面节点施加单位力时界面弹簧的变形，式中上标c代表耦合频响函数，下标r和h分别表示转子侧和箱体侧，值得注意的是，后续的虚拟解耦和轴承界面力辨识均是在频域内进行的，在后续推导中，为了使式子简洁，将忽略ω这一代表频率的自变量，转子侧界面节点与测点之间的耦合频响函数为：
[0024][0025]式中下标m代表测点，上标d代表解耦频响函数，界面动刚度矩阵可以表示为：
[0026]K
b
＝diag(k
1 k2ꢀ…ꢀ
k
i
ꢀ…ꢀ
k
n
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0027]式中k
i
为第i个界面弹簧的动刚度，箱体侧界面节点与测点之间的传递率矩阵可以表示为：
[0028][0029]与公式(1)类似，在界面的箱体侧施加单位力时，界面处弹簧的变形量可以表示为：
[0030][0031]测点响应可以分解为如下两部分：
[0032][0033]箱体侧界面节点与测点之间的耦合频响函数为：
[0034][0035]将公式(4)代入公式(7)，可以推导得到箱体侧界面节点与测点之间的解耦频响函数：
[0036][0037]进一步地，在步骤3中，对箱体的解耦频响做奇异值分解可得：
[0038][0039]利用Tikhonov正则化方法辨识轴承力：
[0040][0041]利用广义交叉验证法获得正则化参数λ，广义正则化函数可以表示为：
[0042][0043]式中m为测点的个数。C(λ)的表达式为：
[0044][0045]当广义正则化函数取最小值时，所对应的λ为最佳正则化参数，当最佳正则化参数确定之后，可用公式(10)计算轴承力的辨识结果。
[0046]进一步地，在步骤4.1中，箱体测点的振动响应a
m
可用箱体解耦频响与轴承力向量相乘的形式表达：
[0047][0048]式中c
i
为第i条传递路径的绝对贡献度：
[0049][0050]进一步地，在步骤4.2中，对齿轮箱箱体测点的加速度振动响应信号进行谱峭度分析，利用快速谱峭度算法定位蕴藏最丰富故障信息的所述故障敏感频段。
[0051]进一步地，在步骤4.3中，对所述故障敏感频段内的路径贡献度进行求和，获得特定故障所对应的所述路径贡献度。
[0052]进一步地，在步骤5.1中，基于上述步骤所获得的所述路径贡献度，进行所述路径贡献度排序，找出主导传递路径，根据主导传递路径反演故障位置。
[0053]进一步地，在步骤5.2中，根据式(13)，对测点信号进行传递路径分量分解，将振动信号表达为各条传递路径求和的形式，对主导传递路径的信号分量进行包络谱分析，实现基于路径分析的所述故障特征增强。
[0054]与传统方法和装置相比，本专利技术具备以下有益效果：
[0055]本专利技术克服了现有的基于物理解耦的传递路径分析方法所带来的时间成本，通过所提出的虚拟解耦技术实现了箱体解耦频响函数的原位测量。本专利技术能在保证精度的前提下，极大地简化了频响函数的测试过程与传递路径分析的流程。
[0056]以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于原位测量的传递路径分析与齿轮故障溯源方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：耦合频响函数的原位测量；步骤2：被动件频率函数的虚拟解耦；步骤3：界面轴承力辨识；步骤4：传递路径贡献度分析；步骤4.1：计算不同频段下的传递路径贡献度；步骤4.2：定位故障敏感频段；步骤4.3：确定特定故障的路径贡献度；步骤5：故障溯源与故障特征增强；步骤5.1：基于路径分析的故障溯源；步骤5.2：基于路径分析的故障特征增强。2.如权利要求1所述的基于原位测量的传递路径分析与齿轮故障溯源方法，其特征在于，在步骤1中，所述耦合频响函数是指在齿轮、传动轴等部件处于安装状态时的频响函数，通过锤击法进行所述耦合频响函数的原位测量，获取从轴承座到齿轮箱箱体测点之间的所述耦合频响函数。3.如权利要求1所述的基于原位测量的传递路径分析与齿轮故障溯源方法，其特征在于，在步骤2中，所述被动件为齿轮箱，通过虚拟解耦算法实现所述齿轮箱解耦频响函数原位测量的方法。4.如权利要求3所述的基于原位测量的传递路径分析与齿轮故障溯源方法，其特征在于，所述虚拟解耦算法具体为：在界面的转子侧施加单位力时，界面处弹簧的变形量可以表示频响函数的形式：矩阵ΔX
r
的维度为n
×
n(n为传递路径的数目)，矩阵的第i列表示在第i个转子侧界面节点施加单位力时界面弹簧的变形，式中上标c代表耦合频响函数，下标r和h分别表示转子侧和箱体侧，值得注意的是，后续的虚拟解耦和轴承界面力辨识均是在频域内进行的，在后续推导中，为了使式子简洁，将忽略ω这一代表频率的自变量，转子侧界面节点与测点之间的耦合频响函数为：式中下标m代表测点，上标d代表解耦频响函数，界面动刚度矩阵可以表示为：K
b
＝diag(k
1 k2…
k
i
…
k
n
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中k
i
为第i个界面弹簧的动刚度，箱体侧界面节点与测点之...

【专利技术属性】
技术研发人员：董兴建，皇甫一樊，于小洛，陈康康，陈钱，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：