基于ISVD的变速行星传动系统故障特征提取方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了基于ISVD的变速行星传动系统故障特征提取方法及系统，采集行星传动系统原始振动信号和电机转速信号；对原始振动信号进行滤波；将滤波后信号利用小波包变换谱峭度算法得到重构信号；利用ISVD方法提高重构信号的信噪比，将处理后的信号取包络后，再根据电机转速信号计算等角度重采样时间，对包络信号在等角度重采样时间进行插值处理，以获得等角度重采样数据，从而将包络信号转换到角度域，进而将角度域信号转换到故障特征阶次域，得到包络阶次谱；对包络阶次谱进行归一化处理，得到相对包络阶次谱；通过分析相对包络阶次谱提取行星传动系统中的齿轮故障特征，或者利用包络阶次谱的幅差图识别行星传动系统中的齿轮故障特征。故障特征。故障特征。

【技术实现步骤摘要】
基于ISVD的变速行星传动系统故障特征提取方法及系统


[0001]本专利技术涉及机械故障特征提取领域，特别是涉及齿轮传动系统故障特征提取方向，具体涉及一种基于ISVD(迭代奇异值分解：Iterative Singular Value Decomposition)的变速行星传动系统故障特征提取方法及系统。

技术介绍

[0002]行星传动是工业设备中常见的大减速比传动形式。行星传动系统中齿轮作为一个重要元件，一旦发生故障，将会导致整个传动系统甚至设备异常，乃至造成严重损坏和巨大损失。特别是对于复杂多级行星传动系统，当一个齿轮发生严重整体或局部故障时，故障齿和正常齿的啮合面由于接触会产生一系列脉冲信号，这些脉冲信号包含了齿轮副工作状态丰富信息，因此准确地从中提取故障特征对实施行星传动系统故障特征提取技术具有重要意义。
[0003]然而，当行星传动中齿轮在变速状态下运行时，传统频谱分析方法会导致频谱模糊，无法直观地观察到故障特征。同时，背景噪声和现场干扰会严重掩盖故障脉冲，特别是当传感器没有安装在故障齿轮附近时。因此，如何有效地从变速等复杂工况下所测量的振动信号中提取故障特征备受关注。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供基于ISVD的变速行星传动系统故障特征提取方法及系统，以克服现有技术存在的问题，本专利技术能够实现行星传动系统中齿轮故障特征提取，同时能够有效去除带内噪声，以避免行星传动系统故障漏诊和误诊。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]基于ISVD的变速行星传动系统故障特征提取方法，包括如下步骤：
[0007]1)采集行星传动系统原始振动信号和电机转速信号；
[0008]2)对原始振动信号进行滤波，得到滤波后信号；
[0009]3)将滤波后信号进行小波包分解，计算小波包变换谱峭度并用与最大小波包变换谱峭度对应的小波包系数所关联的小波包节点进行信号重构，得到重构信号；
[0010]4)利用ISVD方法提高重构信号的信噪比，将处理后的信号取包络后，再根据电机转速信号计算等角度重采样时间，对包络信号在等角度重采样时间进行插值处理，以获得等角度重采样数据，从而将包络信号转换到角度域，进而将角度域信号转换到故障特征阶次域，得到包络阶次谱；
[0011]5)对包络阶次谱进行归一化处理，得到相对包络阶次谱；
[0012]6)通过分析相对包络阶次谱提取行星传动系统中的齿轮故障特征，或者利用包络阶次谱的幅差图识别行星传动系统中的齿轮故障特征。
[0013]进一步地，步骤3)中的小波包变换谱峭度计算公式为：
[0014][0015][0016]式中：i为小波包分解的第i层；j为第i层中第j个节点；为原始振动信号；和N分别为与重构信号对应的信号平均值、标准差和长度，为包络谱峰度。
[0017]进一步地，所述步骤4)中的ISVD方法包括以下步骤：
[0018]4.1)将重构信号构造成二维Hankel矩阵，并设定互相关性阈值和均方根误差阈值，将初始分解层数设为1；
[0019]4.2)对二维Hankel矩阵进行奇异值分解；
[0020]4.3)将奇异值分解结果根据奇异值大小提取两个分量信号，作为下一层的重构信号，将分解层数加1；
[0021]4.4)当分解层数小于3时，利用两个分量信号重复操作4.1)～4.4)；当分解层数大于等于3时，对上一层奇异值较大重构信号进行分解，得到奇异值较小的重构信号；对上一层奇异值较小重构信号进行分解，得到奇异值较大的重构信号；计算得到的两个重构信号之间的互相关系数；如果互相关系数大于设定的阈值，则将两个重构信号加和，如果互相关系数小于或等于阈值，则保持现状，不做任何操作；
[0022]4.5)计算该层与上一层最大奇异值重构信号之间的均方根误差，如果小于均方根误差阈值则停止迭代，否则重复4.1)～4.5)；
[0023]4.6)计算最后一层中每个重构信号的谱峭度，用具有最大谱峭度的重构信号作为降噪后的振动信号；
[0024]4.7)将降噪后的振动信号转化到角度域，并将其转换到故障特征阶次域。
[0025]进一步地，所述步骤5)中相对包络阶次谱计算公式为：
[0026][0027]式中：A
k
为阶谱幅值，N为谱长度。
[0028]进一步地，所述幅差图的幅差是利用故障阶次幅值减去所有其他阶次幅值获得，幅差计算公式为：
[0029]A
d,k
＝A
f
‑
A
k
[0030]式中：A
k
为所有其他阶次幅值，A
f
为故障阶次幅值。
[0031]基于ISVD的变速行星传动系统故障特征提取系统，包括：
[0032]信号采集模块：用于采集行星传动系统原始振动信号和电机转速信号；
[0033]滤波模块：用于对原始振动信号进行滤波，得到滤波后信号；
[0034]信号重构模块：用于将滤波后信号进行小波包分解，计算小波包变换谱峭度并用与最大小波包变换谱峭度对应的小波包系数所关联的小波包节点进行信号重构，得到重构信号；
[0035]包络阶次谱获取模块：用于利用ISVD方法提高重构信号的信噪比，将处理后的信号取包络后，再根据电机转速信号计算等角度重采样时间，对包络信号在等角度重采样时间进行插值处理，以获得等角度重采样数据，从而将包络信号转换到角度域，进而将角度域信号转换到故障特征阶次域，得到包络阶次谱；
[0036]归一化模块：用于对包络阶次谱进行归一化处理，得到相对包络阶次谱；
[0037]故障特征提取模块：用于通过分析相对包络阶次谱提取行星传动系统中的齿轮故障特征，或者利用包络阶次谱的幅差图识别行星传动系统中的齿轮故障特征。
[0038]进一步地，信号重构模块中，小波包变换谱峭度计算公式为：
[0039][0040][0041]式中：i为小波包分解的第i层；j为第i层中第j个节点；为原始振动信号；和N分别为与重构信号对应的信号平均值、标准差和长度，为包络谱峰度。
[0042]进一步地，包络阶次谱获取模块中，ISVD方法包括以下步骤：
[0043]4.1)将重构信号构造成二维Hankel矩阵，并设定互相关性阈值和均方根误差阈值，将初始分解层数设为1；
[0044]4.2)对二维Hankel矩阵进行奇异值分解；
[0045]4.3)将奇异值分解结果根据奇异值大小提取两个分量信号，作为下一层的重构信号，将分解层数加1；
[0046]4.4)当分解层数小于3时，利用两个分量信号重复操作4.1)～4.4)；当分解层数大于等于3时，对上一层奇异值较大重构信号进行分解，得到奇异值较小的重构信号；对上一层奇异值较小重构信号进行分解，得到奇异值较大的重构信号；计算得到的两个重构信号之间的互相关系数；如果互相关系数大于设定的阈值，则将两本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于ISVD的变速行星传动系统故障特征提取方法，其特征在于，包括如下步骤：1)采集行星传动系统原始振动信号和电机转速信号；2)对原始振动信号进行滤波，得到滤波后信号；3)将滤波后信号进行小波包分解，计算小波包变换谱峭度并用与最大小波包变换谱峭度对应的小波包系数所关联的小波包节点进行信号重构，得到重构信号；4)利用ISVD方法提高重构信号的信噪比，将处理后的信号取包络后，再根据电机转速信号计算等角度重采样时间，对包络信号在等角度重采样时间进行插值处理，以获得等角度重采样数据，从而将包络信号转换到角度域，进而将角度域信号转换到故障特征阶次域，得到包络阶次谱；5)对包络阶次谱进行归一化处理，得到相对包络阶次谱；6)通过分析相对包络阶次谱提取行星传动系统中的齿轮故障特征，或者利用包络阶次谱的幅差图识别行星传动系统中的齿轮故障特征。2.根据权利要求1所述的基于ISVD的变速行星传动系统故障特征提取方法，其特征在于，步骤3)中的小波包变换谱峭度计算公式为：于，步骤3)中的小波包变换谱峭度计算公式为：式中：i为小波包分解的第i层；j为第i层中第j个节点；为原始振动信号；和N分别为与重构信号对应的信号平均值、标准差和长度，为包络谱峰度。3.根据权利要求1所述的基于ISVD的变速行星传动系统故障特征提取方法，其特征在于，所述步骤4)中的ISVD方法包括以下步骤：4.1)将重构信号构造成二维Hankel矩阵，并设定互相关性阈值和均方根误差阈值，将初始分解层数设为1；4.2)对二维Hankel矩阵进行奇异值分解；4.3)将奇异值分解结果根据奇异值大小提取两个分量信号，作为下一层的重构信号，将分解层数加1；4.4)当分解层数小于3时，利用两个分量信号重复操作4.1)～4.4)；当分解层数大于等于3时，对上一层奇异值较大重构信号进行分解，得到奇异值较小的重构信号；对上一层奇异值较小重构信号进行分解，得到奇异值较大的重构信号；计算得到的两个重构信号之间的互相关系数；如果互相关系数大于设定的阈值，则将两个重构信号加和，如果互相关系数小于或等于阈值，则保持现状，不做任何操作；4.5)计算该层与上一层最大奇异值重构信号之间的均方根误差，如果小于均方根误差阈值则停止迭代，否则重复4.1)～4.5)；4.6)计算最后一层中每个重构信号的谱峭度，用具有最大谱峭度的重构信号作为降噪后的振动信号；4.7)将降噪后的振动信号转化到角度域，并将其转换到故障特征阶次域。
4.根据权利要求1所述的基于ISVD的变速行星传动系统故障特征提取方法，其特征在于，所述步骤5)中相对包络阶次谱计算公式为：式中：A
k
为阶谱幅值，N为谱长度。5.根据权利要求1所述的基于ISVD的变速行星传动系统故障特征提取方法，其特征在于，所述幅差图的幅差是利用故障阶次幅值减去所有其他阶次幅值获得，幅差计算公式为：A
d,k
＝A
f
‑
A
k
式中：A
k
为所有其他阶次幅值，A
f
为故障阶次幅值。6.基于ISVD的变速行星传动系统故障特征提取系统，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊红卫，黄杰翔，任众孚，张旭辉，曹现刚，万翔，黄利平，鲁麒，毛清华，姜俊英，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：